思政元素有機融入“機械振動學”課程教學方法探索

郭輝 曹蕾蕾

摘? 要：在機械和工程結構設計中考慮振動因素對結構和設備的安全性具有重要意義，因而“機械振動學”是機械類和結構力學類專業的重要課程。機械振動學與機械動力學、機械系統動力學、結構動力學、振動力學等課程性質相同，從形式上看具有公式繁多、理論抽象的特點，掌握難度大，因而不易調動學生的學習興趣。文章分別從時事熱點、歷史故事、人物事跡、哲學思辨和工科審美等五方面梳理了“機械振動學”課程的思政元素，增加課程講解內容的吸引力和感染力，為新工科背景下課程思政實踐提供參考。

關鍵詞：機械振動學；思政元素；機械專業；有機融合

中圖分類號：TH132.4? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）15-0161-04

“機械振動學”作為機械工程專業的一門基礎類課程，系統地闡述了振動理論的基本方法，所涉及的內容廣而多［1-3］。該課程自身具有理論抽象、邏輯嚴謹、公式繁多等特點，學生在學習過程中，普遍感覺知識抽象、難懂，學習難度大。有必要在“機械振動學”課程教學中挖掘、融入思政元素，使原本枯燥乏味的課堂變得生動有趣，有利于活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣，實現知識傳授與價值引領相結合。應真正做到“深入梳理專業課教學內容，結合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學，達到潤物無聲的育人效果。”［4］如何將思政的點點滴滴潛移默化地融入該課程教學過程中？本文將從五個角度來介紹思政要素的挖掘和融入方法，為機械振動學相關的教學科研人員提供思路。

一、思政元素融入機械振動學的重要性

機械振動學主要涉及單自由度和多自由度動力系統的基本原理、減振隔振知識以及常見機械系統的振動分析方法等。該課程的研究對象涵蓋了國民經濟的各個領域，大到大型運載火箭、大飛機結構、精密機床、高鐵車廂和橋梁建筑物等；小到加濕器振動發生器、心臟起搏器、耳機的振動。振動會影響精密儀器設備的功能，還可能引起結構的大變形破壞。所以，該課程具有很強的專業性和社會服務性。

該課程屬于工程教育范疇，長期以來人們將其定位為培養工程技術人員，在專業培養方案的制訂中，對于工程技術的熟練掌握和應用的要求往往高于科學精神、人文素養和思想道德情操，在某種程度上限制了學科的發展和專業育人的效果。高等教育要培養中國特色社會主義接班人，為黨育人，為國育才。為此，在專業課程的教學中，需要充分考慮人文素養、學術視野、愛國情懷等思政要素，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，順應歷史潮流，適應新時代要求，引導學生將實現個人價值與國家發展、民族復興、人類福祉緊密相連，讓學生融入國家建設和實現偉大復興中國夢的奮斗中。

二、思政元素的課堂融入策略

（一）結合時事熱點，激發學習興趣

緒論部分作為整個課程的導入，能總領“機械振動學”課程團隊結合課程大綱中的教學目標，對教學內容進行重新梳理，將知識點與其涉及的時事熱點、歷史故事、人物事跡、哲學思辨和工科審美等不同角度相結合，挖掘其中所蘊含的思政元素，設計思政教學案例，達到育教同行、潤物細無聲的效果。

大局觀的作用，具有很強的思想性、趣味性，但又不乏學術性。教師在講這部分內容時，為了讓學生認識到振動在指導實際工程中的重要作用，課程團隊老師結合熱點事件“2020年5月5日下午，一段‘廣東虎門大橋波浪式起伏的視頻”（見圖1），引起大家的普遍關注，說明工程中振動問題無處不在，并引導學生思考，一座好的大橋怎樣才不會成為一架“秋千”？該事件通過拆除沿橋跨護欄的水馬得以快速解決，并未對交通和安全造成影響。大橋波動問題的順利解決離不開無數專家團隊踏實嚴謹的學術研究，讓學生從中領悟工程技術人員的責任、擔當和嚴謹細致作風的重要性。通過對該事件解決專家葛耀君及其所在的同濟大學橋梁團隊故事的講解，說明學術傳承精神。講解中國橋梁工程界力求自主，與日本、英國競爭的故事，說明從虎門大橋開始，中國的橋梁不問出處，所有都是由我們自己、由中國人設計和施工的，增強民族自信心和自豪感［5］。

（二）結合歷史故事，構建正確價值觀

“機械振動學”課程涉及大量理論建模和推導，在講授建模和推導過程時，還可以介紹公式的來源和其背后的歷史故事。如在介紹簡諧振動物體運動微分方程的建立時，用到牛頓第二定律和胡克定律，可引入科學史上的著名公案，例如“胡克和牛頓之爭”。使學生意識到在大科學家胡克和牛頓所在的時代，科學還不成體系，完善的學術規范還未形成，因而自然會經常出現優先權的爭執。作為今夕比較，教師可以向學生介紹，當前學術和科研領域推行的規則是誰先公開發表誰就有優先權，大家都認同和遵守這個原則，這在很大程度上避免了知識產權的歸屬之爭。由此告誡學生，學術規范化和學術研究本身同等重要。由這件事情還可以引申到現代的國際大企業的競爭問題，強勢企業注重發明創新和知識產權，在研發新產品和形成產品的設計研制規范方面上投入了大量的人力、物力，一方面提高了市場競爭力，另一方面通過國際和國家相關標準規范的建立，可使企業處于行業領導地位。

“機械振動學”課程是與工程實際密切結合的課程，這就要求學生在學習過程中培養專注、耐心、細致、嚴謹的工作態度和工作作風。課程團隊教師在授課過程中，應借助歷史上典型的失敗工程案例分析來引導學生認識和思考工程事故責任的嚴重性，從內心深處樹立起職業敬畏感，從而形成嚴謹科學的工作態度。如在介紹系統和結構的受迫振動理論問題時，涉及結構共振的概念。歷史上有一次世界著名的因共振引發的事故——1940年美國塔科馬（tokoma）懸索橋風毀垮塌事件（見圖2）。按照當地政府規劃，位于塔科馬海峽吊峽的tokoma大橋工程于1938年開始啟動，耗時兩年建成通車。塔科馬懸索橋身總長度1524米，寬度11.9米，在當時屬于世界第三大懸索橋，僅投資就花費高達 640 萬美元，是舉世矚目并且重金打造的項目，然而讓人意想不到的是大橋建成后四個月就發生了坍塌。經過周密的事故調查研究，最后科學家對此給出了官方解釋：此橋的設計沒有充分考慮到空氣動力學的影響。空氣動力學研究發現，在一定的風速范圍內，平穩的風在穿過大橋的氣流會產生兩串平行的反向漩渦（見圖2中的漩渦），這些漩渦會發生周期性的作用力。如果這個作用力和大橋的某些固有頻率相接近，那么將誘發共振，且頻率越接近，造成的氣動壓力也會越大，最終橋梁結構像麻花一樣被徹底扭曲了。大橋的設計工程師為了追求橋梁的美感，將橋面設計得很纖細，2.4米高的鋼板梁不能提供足夠高的剛度，使得橋梁的上下振動和扭轉振動頻率偏低，最終導致了在風速很低的情況下誘發了共振破壞。通過該事件，根據動力學知識來分析事故發生的原因，讓學生從中領悟工程技術人員的責任、擔當和作風嚴謹細致的重要性。

（三）結合人物事跡，樹立學習榜樣

在以往機械振動的教學中，學生容易對老師或書本所講授的知識存在依賴情緒，不善于自己提出問題。團隊老師在平時講課的過程中，結合知識點適時引入典型科學家的事跡和精神，培養學生相信自己、勇于質疑、用事實說話、堅持真理的精神［6］。例如在介紹系統對周期激勵的響應時，用到傅里葉級數展開。傅里葉級數展開是由法國數學家、物理學家傅里葉在1807年提出的。在最初提出該理論時，很多權威專家都反對他，其中包括拉格朗日、拉普拉斯等數學大家，使得法國科學學會屈服于拉格朗日的威望，拒絕了傅里葉的工作。直到一百年后，他的論著才被重視起來。通過傅里葉的事跡可教育學生不要迷信權威，科學就是要打破迷信。科學的精神就是從事物的本質出發，研究萬物的規律。讓學生意識到工科學習不能只停留在公式階段，要向傅里葉學習，去了解它從真實物理世界的提煉過程，這樣才能從本質上理解，才有可能應用它解決實際問題。

（四）結合課程內容，培養哲學思辨

“機械振動學”課程中包含人們在長期實踐中總結的原理和規律，其中蘊含著很多哲學思想，課程團隊老師結合具體授課內容，引導學生思考、發現課程中的工程哲學。如在介紹隔振和減振原理時，通過介紹該問題的產生背景，即機器運轉時由于各種外界和內部激勵因素的存在，振動不可避免，這種振動會造成機器運轉過程中的不平衡，產生噪音、影響設備的正常工作，造成機器過大的磨損或者疲勞失效，影響其安全性和可靠性，使機床的加工精度、精密儀器的靈敏度下降、使機械設備的使用壽命縮短等，因此需要進行有效隔振。因此，精密機械加工機床在地基周圍要填埋隔振阻尼材料（見圖3），以降低環境振動對其的影響。還可以引入齒輪傳動系統的振動，齒輪箱在運轉時會有振動噪音，其原因有輪齒誤差、變形和嚙合沖擊、支撐系統變形等，需要通過齒面修形、潤滑等方式降低噪音；還有公司在研制的航空高速弧齒錐齒輪一端安裝阻尼環，用來抑制振動噪音。從另一個角度看，讓學生思考振動是不是存在有利的一面，如利用振動的原理本質來設計制造裝置和通訊儀器儀表等，例如振動篩選機、振動打樁機、振動球磨機、振動采油技術、收音機、振子示波器等［7］。讓學生認識到事物的兩面性，引導學生領悟辯證唯物主義方法論中關于矛盾對立統一的哲學。凡事都充滿了兩面性，它是事物的普遍性規律，只看事物的一面而忽視另一面都是偏頗的。教師應引導學生思考該如何看待科技，科技是把雙刃劍，科技本身沒有好壞的屬性，科技的好壞決定于掌握科技的人。由此教育學生不僅要專注于知識和技能的學習，還要有正確的發展方向，科技創新的目的是造福于民。

（五）從課程中發現美，培養工科審美

審美是一種世界觀，也是一種方法論。隨著國家新工科培養計劃和課程思政的深入發展對“機械振動學”這種工程技術專業知識為主的課程來說，不僅是傳授學生科學知識，也應該注重人文素養和情操的培養，將科學與美學、藝術與技術相結合，使未來的科學家和工程師兼有良好的藝術修養。培養學生發現美的能力，可以增強人的幸福感，這是社會主義核心價值觀所提倡的。例如在緒論一章中介紹振動的應用時，可以引用一種能夠觀察聲音“形狀”的技術——CYMATICS。聲音本質上是一種振動，是空氣的振動，利用測試和模擬技術可以觀察到不同的聲音在空間中的強度分布情況。通過實驗還可以獲得與在大自然中常見的雪花形狀極為相似的一種聲音，讓人領會到工程研究與藝術在某種角度是相通的，美無所不在。

另一方面，由于機械振動中的公式繁多，課程團隊老師在教學過程中可引導學生發現公式之美。例如，通過對單自由度、兩自由度和多自由度振動系統運動微分方程的對比可以看出，它們在形式上具有相似性，物理本質是相通的，具有系統性，讓學生體會正確的數學模型應在形式上是簡潔而優美的，所謂“大道至簡”，在科學研究中，要善于發現科學之美，這樣才能學得系統、學得輕松。在介紹隨機振動的實例時，講解地震載荷作用下的建筑物，通過分析故宮建筑在10級大地震實驗中依然屹立不倒原因，在講解斗栱、榫卯、柱礎和大屋頂時，讓學生領略中國古建筑之美，體會中國古代勞動人民的智慧，激發學生的民族自豪感和文化認同感。

三、結語

本文分別從時事熱點、歷史故事、人物事跡、哲學思辨和工科審美等五個方面梳理了“機械振動學”課程的思政元素，為新時代背景下的課程思政實踐提供參考。“機械振動學”專業教師在授課中可以根據授課內容，靈活地將以上思政元素融入課堂，更新教學體系、豐富課堂內容、做好教學設計，實現“立德樹人，潤物無聲”的教學目標。

參考文獻：

［1］ 陳兵，王文瑞，郜志英. 機械動力學課程教學改革［J］. 中國冶金教育，2011（04）：16-18.

［2］ 趙倩，袁靜，蔣會明，等. 工科高校機械類課程思政教育：以“機械動力學”課程為例［J］. 科教導刊，2020（34）：108-109.

［3］ 黃毅，唐宏賓，何志勇. 新工科背景下的機械動力學課程教學新模式［J］. 大學教育，2020（07）：71-73.

［4］ 習近平在全國高校思想政治工作會議上強調：把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面［N］.人民日報，2016-12-09（01）．

［5］ 黎書文. “機械原理”課程思政元素的設計與教學融入研究［J］. 機械設計與制造工程，2021，50（08）：86-88.

［6］ 高佳麗. 工科專業課堂與課程思政德智融合路徑初探：以“機械工程材料基礎”為例［J］. 教育教學論壇，2020（30）：67-68.

［7］ 蔡敢為. 機械振動學［M］. 武漢：華中科技大學出版社，2012.

（責任編輯：羅欣）