“機械振動”課程項目化改革與創新實踐

鄭恩來，姚昊萍，周永清，薛金林

（南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031）

一、“機械振動”課程教學模式探索

圍繞新時代“不忘初心﹑牢記使命”的主題，高校采取一系列重大舉措，以社會主義核心價值觀為引領培育新時代人才。新時代人才不僅要掌握扎實的基礎理論知識，還要能夠緊跟時代發展的步伐，了解相關領域的前沿科學，具備不斷提高解決實際問題的能力和創造力［1］。因此，從教學模式改革與創新的角度出發，探索建立“機械振動”課程教學內容與實際科研項目緊密結合的教學模式［2］，使學生在掌握基礎理論知識的同時對其如何在科研中應用有更深層次的理解，以提高教學質量。

隨著農業機械制造業的發展，國內農業機械正處于現代化轉變的關鍵階段，持續提高農業機械化水平，推進農業機械化發展是當下重要的目標。而傳統的農業機械課程教學方式方法存在不足，難以滿足新時代農業機械專業人才的培養要求，應改革農業機械課程的教學方式方法。為適應新工科發展理念，加快農業機械化和農機裝備產業轉型升級的需要，在學校農業特色世界一流大學的建設目標下，“機械振動”課程應適應生產實際的需要，綜合應用數學和計算機技術等學科知識，從農業機械工程實際的角度對機械振動的有關理論進行討論，使學生在掌握基本理論的基礎上，能夠將農業工程中的實際機械系統抽象為力學模型，并以此為基礎，完成對機械系統振動特性的分析。經過多年的課程教學探索，結合機械制造及其自動化專業的教學實際和教學情況，對本專業的“機械振動”課程進行項目化改革和實踐，教學效果得到改善，教學質量獲得提升。

二、“機械振動”課程改革和創新的必要性

“機械振動”是機械設計制造及其自動化專業的基礎專業課，同時也是本科生進修讀研的理論基礎和重要方向。本課程的教學目標為：掌握機械振動領域的基本理論知識﹑基本模型和分析方法，初步了解機械振動在工程領域的應用。通過對實例的研究，引導學生運用振動理論解決實際問題，特別是提高學生面對工程振動問題進行力學建模分析的能力，幫助學生在理論知識與實際工程問題間建立聯系，為其從事相關工作或開展科學研究提供指引。

本課程的授課對象為機械設計制造及其自動化專業的三年級學生，該年級學生已對本專業基礎知識有較為全面﹑系統的認識，已具備分析簡單問題的能力，并且該年級學生在本課程所在學期也學習了“機械設計”“控制工程”等必修課程，對“高等數學”“線性代數”“理論力學”及“材料力學”等先修課程也有一定基礎，但缺乏運用數值算法求解微分方程的經驗，導致學生對該課程普遍產生畏懼心理。此外，學生需要一定時間熟練和鞏固本課程中所涉及的先修課程知識，存在一定的難度。

目前，在“機械振動”課程教學中，主要存在以下問題：（1）理論課模式單一。由于課程綜合性﹑理論性強，知識點多且復雜。因此，理論教學部分主要以教師講授為主，學生被動接受，教學手段單一，導致學生在學習的過程中，疲于記憶知識點，無法深入思考，學生的主觀能動性不高［3］。（2）實踐課脫離學生專業知識背景。由于課程所用教材適用于多個專業，欠缺立足于學生專業背景的實踐內容，針對性不強，無法最大限度地激發學生的學習興趣；實踐課主要以驗證性學習為主，學生通過完成教材上的實例加深對理論課知識點的理解，而對于與學生專業背景聯系緊密的具體工程問題的數學建模﹑特性分析和數據的后續處理能力的培養有所欠缺［4］，無法體現對學生工程系統能力的培養，導致學生自主性和參與性不足，沒有加入自己的理解﹑思考和創新。（3）缺乏激勵作用的考核方式。以平時作業和期末考試構成的課程成績考核方式，導致成績優秀者往往只善于考試和做題而缺乏創造性思維，忽略了學習的本質，難以培養出富有創新精神和實踐能力的高級專門人才。

綜上所述，“機械振動”課程的教學方法﹑教學模式科學得當對學科發展和人才培養尤為重要。要解決上述問題，課程的改革和創新勢在必行。筆者在長期的教學探索中，從理論教學和實驗教學兩個方面進行改革，重新制定了與培養具有社會主義核心價值觀的新時代人才要求相適應的課程建設總體目標［5］，并為之構建了“機械振動”課程項目化的課程體系，以及考慮學生差異化的教學考核評價方式。

三、課程建設思路與規劃

（一）課程建設總體目標

為解決“機械振動”課程教學中存在的問題，實現對學生從基礎教學層﹑應用基礎教學層到應用教學層逐步螺旋階梯式上升的培養模式，確定“以知識掌握為基本﹑以能力培養為核心﹑以工程素質為目標”的課程教學定位，并制定了相應的課程教學目標，如圖1所示?；A教學層﹑應用基礎教學層以及應用教學層相輔相成，兼顧研究創新和工程應用兩大需求，可促進培養具備自主探索能力的創新型和應用型復合人才。通過對本門課程的學習，學生掌握機械系統振動的基本理論知識和分析方法，培養學生對復雜工程問題進行力學建模﹑運動規律分析和應用振動理論解決工程實際問題的能力，使學生具備自主學習﹑創新研究﹑工程實踐及團隊協作的素質，為學生提供發揮自身創新潛能的空間［6］。

圖1 課程建設總體目標

（二）教學實踐創新理念及思路

當前農業類高校普遍面臨如何提高創新型人才培養質量問題。針對該問題，可從教學模式﹑教學內容﹑教學方法以及教學評價等方面引入創新理念，通過一系列教學實踐提高學生專業水平﹑增強研究能力﹑加強合作意識﹑塑造優秀品格，從而進一步提高創新型人才培養質量。教學實踐創新理念與思路主要包括以下四個方面。

1.教學模式的創新。教學模式在各教學環節和實踐中起指導作用，對課程項目能否順利進行以及實現預期目標有重要影響。在“以學生為中心”的教學理念的指導下，本團隊以學生培養模式為切入點，根據因材施教的原則，構建了“三層次”螺旋階梯教學培養模式，使學生以自我認知為導向，在選擇培養階段方面增強其自主性，為學生提供差異化﹑階梯化﹑個性化﹑多元化的發展方向?！叭龑哟巍甭菪A梯教學培養模式改進了傳統的“一刀切”式教學模式，有利于凸顯學生個性，鍛煉學生創新能力，培養一批具備嚴謹科研態度﹑扎實研究能力的創新型人才，間接提高了教學效率和效益。

2.教學內容的創新。教學內容是教學活動的核心和主干，而教學思維的創新更是教學內容創新的關鍵，任何教學改革和創新的提出者﹑推動者和踐行者，都須具備先進的教育思維和見解。考慮到當代大學生面臨日新月異的就業環境，除了扎實的理論基礎外，還需要有創新能力。為此，本團隊突破傳統思維方式的禁錮，結合自身工作經驗，將科研項目課程化，將課程知識工程化，推動研究式教學，發展學生的自主創造力和第一生產力，著重能力培訓，并融入思政元素，真正實現產教融合一體。

3.教學方法的創新。教學方法是教學理念與教學內容的載體，合理的教學方法有助于授課教師完成教學內容和目標，調動學生積極性，發揮學生的主體作用。傳統的教學方法存在一些弊端：難以調動學生學習積極性和自主學習興趣；注重知識傳遞，忽視知識應用，導致學生重理論輕實踐；教學方法指向性﹑封閉性強，缺乏靈活性，無法為學生提供自主選擇空間。對此，本團隊基于產出為導向的專業認證理念，構建以啟發式﹑項目式及對比式教學方法為基礎的多元化教學體系。其中，啟發式教學引導學生進行更多的自主探索，項目式教學將豐富的實踐內容課堂化，提升學生運用理論知識解決實際問題的能力，對比式教學為學生提供更豐富的體驗，突出未來的發展方向。多元化教學體系在培養學生的自主學習﹑創新研究及工程應用能力方面具有極大的優勢。

4.教學評價的創新。一方面，教學評價可以督促學生學習和探索，對提升教學效果發揮積極作用；另一方面，有利于探究高效的教學模式，通過從不同的考核形式中得到的結果，分析不同教學方法的優劣，經過融合和改進，找到最合理的教學模式。采用多樣性考核評價可對基礎層次﹑創新層次和拔尖層次的學生實現因材施教。

（三）課程教學設計

1.構建課程內容與科研項目雙向轉化的課程教學體系。“機械振動”課程主要闡述機械系統的動力學建模方法﹑響應求解﹑振動規律分析等知識，其理論性強，知識點多，教材上的每一部分知識點看似獨立，實際上卻按照一定的邏輯相互聯系。學生要解決某個實際工程問題時，往往需要將知識點有機結合起來。因此，在教學中，從解決實際問題的角度出發，驅動學生學習，更加符合學生的學習規律，不僅使學生快速體驗到學以致用的好處，還能加深學生的理解和記憶，提高學習積極性，引導學生主動思考與自己研究方向相關的問題，從而提升學生的獨立科學研究能力。一方面，本課題將課程教學內容分解成“基礎知識”“基本技能”“綜合應用”三個層次模塊，實現課程內容的項目化；另一方面，立足于學生的專業背景，引入與課程知識點高度關聯﹑綜合性強﹑難度適中的具有實際工程背景的科研項目，將項目分解成多個低階的案例支撐課程中“基礎知識”模塊所包含的知識點，又通過項目將知識點串起來，實現知識點的有機整合，實現科研項目的課程化。為實現課程內容項目化與科研項目課程化的雙向轉化，構建的課程體系如圖2所示。在教學中，通過從簡化振動問題中抽象的物理概念，包含單一知識點的低階案例，到多知識點綜合運用的高階項目，完成教學的層次化﹑階段性﹑遞進性推進，實現從基礎教學層﹑應用基礎教學層到應用教學層逐步螺旋階梯式上升的培養模式。真正讓學生在“做中學”，實現產教融合，培養學生提出問題﹑分析問題及解決問題的能力。

圖2 課程內容與科研項目的轉化關系

項目的選取和設置是整個課程體系的關鍵，既要考慮教學知識點的融合和嵌入，難度的層層遞進，又要立足于學生的專業知識背景［7］。因此，對于“機械振動”課程而言，一個匹配度高的項目在課程教學中必須具備以下作用：通過引進項目將振動問題中抽象的物理概念具象化；以解決項目中的具體問題為目標，實現知識點的概括與總結；有助于培養學生理論聯系實際的能力以及工程實踐能力，推動實現從驗證科學規律到發現科學規律的轉變。

基于此，項目選擇與課程知識點高度關聯﹑綜合性強﹑難易適中的輪式拖拉機CF700作為分析對象。理論教學中，主要完成對拖拉機多體物理模型的簡化及其力學分析，并建立相應的多自由度系統的振動微分方程，獲得微分方程的解析解。實踐教學中，在Matlab平臺上利用龍格-庫塔法或Simulink計算，求解微分方程的數值解，求出系統的各階固有頻率和模態振型；研究懸架位置（前橋﹑駕駛室﹑座椅）和形式（被動﹑半主動及主動）對拖拉機振動特性的影響規律。

項目的實施不能一蹴而就，必須符合教學規律，由點到面，由易至難。對此，根據課程中知識點的邏輯關系，設置支撐項目的案例。案例設置的目標主要實現知識點的簡單應用，引導學生通過學習各知識點，理解和掌握機械振動的基本原理和分析方法，為后續課程中項目的完成打好理論基礎，做好必要的實踐準備工作。例如，在教學中，分別設置座椅﹑駕駛室及拖拉機整體單自由度系統和兩自由度系統的案例，建立相應系統的運動微分方程，求解系統物理量的解析解和數值解，分析系統響應特性，理論和實踐兩個角度相結合，加深對振動系統本質的理解，建立和分析拖拉機項目多自由度系統的模型，完成前期的知識儲備和技能訓練工作。

2.教學方式?！皺C械振動”課程綜合了數學﹑物理學﹑機械學﹑力學等多門學科知識，與科學研究和實際工程問題有著密不可分的聯系，突出表現在要求學生既要掌握基本的振動理論，又要掌握這些基本理論在工程實際中的具體應用［8］。因此，在教學過程中要注重將理論講授內容與實際科研項目相融合，培養學生發現問題﹑解決問題的能力，使學生成為兼顧理論學習與實際應用的復合型人才。

如圖3所示，在教學組織過程中，綜合運用啟發式﹑講練結合式﹑同類對比式及項目化等多元教學方法，并采用線上線下的混合教學模式，培養學生自主學習﹑創新研究及工程應用三方面的能力。采用項目驅動方式，運用多元化教學方法引導學生自主學習﹑自主創新﹑自主實踐。

圖3 多元化教學方法

3.課程教學的實施。將“機械振動”課程的32學時分配為線上自主學習8學時和線下教學24學時，線上和線下課程穿插進行。線上學習借助超星學習通平臺，講解﹑梳理相關基礎理論的知識點，培養學生自主學習的能力；線下教學包括疑難知識點的講解﹑各知識點的概括和總結，并引導學生完成案例和項目的實施，實現知識點的綜合應用，培養學生創新研究及工程應用的能力。教學流程主要分為兩個階段：第一階段，教師通過學習通平臺發布學習任務，學生按照時間點以適合自己的節奏學習教學視頻，思考與知識點相關的案例的分析計算，與此同時，安排線下課程，教師對案例的分析計算給予指導和答疑，要求學生獨立完成案例的分析計算報告。第二階段的學習以小組為單位進行，每組由3～5名學生組成，推選出一名組長。教師在學習通平臺發布項目，項目中設置的各項任務分為低階﹑中階和高階，難度具有一定的梯度，主要體現在任務中知識點的嵌合程度，學生完成任務所達到的實踐和創新能力的不同。各小組領取項目后，組長召集各組員圍繞項目展開討論，初步確定項目實施思路和方案，分配任務，并確定項目推進過程中各階段的時間點。在項目實施過程中，教師安排線下教學，組織小組之間進行方案辯論，并引導各小組根據要求調整和確定最終方案。項目完成后，采取課上答辯的形式，各小組介紹項目的思路，分析計算方案，展示項目的成果，接受教師和其他學生的質疑，并完善最終的項目報告。整個教學過程既調動了學生參與項目的積極性，又培養了學生的工程能力﹑創新能力和團隊合作能力。

4.課程考核。傳統的“機械振動”課程考核方式將學生的知識結構﹑思維方式限定在既定的模式中，考核本身從內容到形式對學生的思維有著嚴格的限制，從而導致成績優秀者往往只善于考試和做題而缺少創造性思維，故本課程采取多元化的考核方式，如表1所示。

表1 課程考核方式

2015年，國務院印發《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》明確指出：“要著力培養具有歷史使命感和社會責任心，富有創新精神和實踐能力的各類創新型﹑應用型﹑復合型優秀人才。”［9］因此，對學生的考核方式和考核指標也應該體現這一目標?！岸嘣己恕睉淖円栽嚲碓u價為主的單一形式，著力培養“基礎實﹑口徑寬﹑能力強﹑素質高，德﹑智﹑體﹑美﹑勞全面發展，以及富有創新精神和實踐能力”的高級專門人才。

本課程采用表1所示的差異化課程考核方式評價學生的學習情況，對于基礎教學層，即只完成項目低階任務的學生，重點采用上機實驗報告和課程試卷測試進行考核，對于應用層的本科生，即較好地完成項目的中階和高階任務的學生，提高項目答辯和項目報告考核所占比重，從而實現不同層次學生的差異化考核，最終達到因材施教的目的，引導學生深入思考，培養學生解決實際工程問題的能力以及良好的科學研究能力。

四、教學改革效果

改革后的教學模式取得了良好的教學效果：（1）課程改革重視核心能力的培養，開發了學生的非智力因素（動力系統），增強了學生的自信心﹑學習動機﹑學習興趣﹑學習毅力，學生的學習效率明顯提高。如2019級本科生在改革后的“機械振動”教學考核中比2018 級本科生改革前的“機械振動”教學考核表現好，在軟件使用及論文撰寫方面有較大提升。（2）“學為主，教為導”，教學主體發生變化，提高了學生的主動性，教師從教學“中心”角色向教學活動的設計者和組織者轉變。學生主動參與教學過程，強化了師生間的交流與互動，實現教學相長，提高了學生分析問題﹑解決問題的能力。（3）多元化的課程考核方式，使學生的關注力不再局限于期末考試成績，從而回歸學習的本質。（4）工作過程系統化課程改革，增強了技能實戰效果，著力打造“雙師型”教師隊伍，從而提高教學效果，學生的“滿意度”明顯提高。

對改革前后兩個年級的學生進行不記名問卷調研。調查結果顯示，大部分學生對新型教學方式很滿意，認為通過項目貫穿起來的教學模式，不僅加深了自己對理論課基本原理的理解，提供了充分發揮才能和進行創新的機會，且初步學會了科學研究方法，真正學習到實用技能。統計結果如圖4所示。

圖4 多維度課程效果對比

五、對教師提出新的要求

新的教學模式將教學過程延伸到課外，對任課教師的工程背景和科研水平提出了更高的要求：（1）教師要主動參與實際工程項目，積累解決實際工程問題的經驗，在教學過程中真正做到講深﹑講透實際工程案例。（2）教師必須扎實掌握本課程的理論知識，吃透本專業其他課程體系的相關內容，講課時既能做到自如地從基礎理論向工程實際案例的展開，又能從實際中準確回歸理論。（3）教師要營造和諧互動的課堂氛圍，引導學生思考與創造，同時對教學內容安排的深度和廣度能自如把握，切不可偏離課程的理論導致學生無法領會重點。

結語

在新時代背景下，“機械振動”課程建立了課程教學與科研項目相結合的教學新模式，并構建了與之相適應的多元考核方式，注重學生科學素養和科學思維的培養。以研究輪式拖拉機振動的項目貫穿課程的始終，學生通過項目中的自主研究和探索，不僅掌握了振動系統數學模型的建模方法和系統響應的分析方法，加深了對所學理論的理解，還在潛移默化中增強了科學探究意識。改革后的教學模式提高了學生的綜合能力和創新創業能力，為培養社會主義事業的合格建設者和可靠接班人，以及新農科與新工科融合的建設者提供了有益的探索。