基于“問-思-辨-行”的智慧化振動理論課程建設

摘 要：以提升學生對振動理論的理解及創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)為目標，結合“互聯(lián)網+教育”技術，建設有趣易用的智慧化教學資源——含網頁程序及微信小程序的互動虛擬實驗平臺，解決傳統(tǒng)課堂缺乏對振動現(xiàn)象的全面展示、學生難以開展振動現(xiàn)象的自主探索等問題。進一步結合工程實踐及課程思政的有機融入，提出學生深度參與的課堂教學模式——深度融合課程思政及工程實踐的“問-思-辨-行”教學模式，以充分發(fā)揮理論與實踐的相互促進作用，促進對學生處理振動問題及實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對飛行器振動理論及應用課程的教學實踐結果表明，課堂師生互動、生生互動氛圍活躍，學生各項考核成績均穩(wěn)步提升，尤其是考核學生實踐創(chuàng)新能力的綜合性作業(yè)成績顯著提升。

關鍵詞：互聯(lián)網+教育；智慧化教學；互動虛擬實驗；“問-思-辨-行”教學模式；振動理論

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）23-0023-04

Abstract： In order to improve students' understanding of Vibration Theory and cultivation of innovation practice， this study developed an interesting and easy-to-use intelligent teaching resource named interactive virtual experiment platform containing Web program and Wechat applet using the "Internet + Education" technology. Several problems in the traditional classroom teaching， which include the lack of comprehensive display of vibration phenomena and the difficulty for students to explore vibration phenomena independently， etc. can be solved. Further， combining with the organic integration of engineering practice and curriculum ideological and political education， the classroom teaching mode named "question-thinking-discrimination-action"， which deeply integrates the curriculum ideological and political education and engineering practice， is proposed. It can play a catalytic role for interaction between theory and practice， and it also promotes the cultivation of students' ability to deal with vibration problems and practice innovation. According to the teaching practice of Aircraft Vibration Theory and Application course， the classroom interaction between teachers and students and interaction between students and students is active， and the students' various assessment scores are steadily improved， especially the scores of the comprehensive homework for inspecting students' practical innovation ability are significantly improved.

Keywords： Internet + Education; intelligent teaching; interactive virtual experiment; "question-thinking-discrimination-action" teaching mode; Vibration Theory

2017年，教育部高等教育司正式發(fā)布《關于開展新工科研究與實踐的通知》[1]，對工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量和新體系提出了全面的改革要求。考慮到力學理論在解決高新科技領域發(fā)展中的突出問題時往往起著關鍵性作用[2]，力學課程應該被視為新工科的通識課程，以適應新經濟對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要[3]。振動理論是力學領域的重要課程，在航空、航天、航海、機械和土木等工程領域都有著廣泛的應用，且隨著我國向制造強國邁進，對各類結構設備的功能性能要求越來越高，裝備構型越來越復雜、載荷環(huán)境越來越惡劣、出勤率越來越高，隨之出現(xiàn)的振動問題越來越多[4]，振動相關問題已嚴重影響裝備服役過程中的出勤率[5]。但目前本科教育的大類培養(yǎng)使得相關工科專業(yè)振動理論課程課時較少，傳統(tǒng)課堂將大量的教學時間用于理論推導，缺乏對振動現(xiàn)象的互動展示與振動應用的深度融入，導致學生對振動理論理解困難，直接影響對學生處理振動問題能力的培養(yǎng)。

隨著教育信息化行動計劃的穩(wěn)步推進[6-9]，虛擬實驗技術在實驗教學中的廣泛應用[10-13]給振動理論類課程的建設帶來了新的啟示。近些年來，國內各大高校相繼開發(fā)了多種振動力學虛擬實驗，如振動基本參數(shù)測量的教學實驗[14]、振動力學教學中基本內容演示實驗[15]、振動力學虛擬仿真實驗室[16]、轉子振動虛擬仿真實驗系統(tǒng)[17]和工程振動測試技術課程的虛擬仿真實驗室[18]。可以看到，上述振動虛擬實驗大都是針對專門的振動實驗課程開發(fā)的，極大緩解了振動實驗儀器不足的情況。

本研究就是在上述研究基礎之上，結合近些年來互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，建設了面向振動理論課程的智慧化教學資源——含網頁程序及微信小程序的互動虛擬實驗平臺，以提升振動理論課程的趣味性、增強振動理論課程的互動性，促進學生對振動理論的理解與應用，并進一步結合工程實踐及課程思政的有機融入，采用《禮記·中庸》中的學習理念，提出了學生深度參與的課堂教學模式——深度融合課程思政及工程實踐的“問-思-辨-行”教學模式，以促進對學生處理振動問題及實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

一 智慧化教學理念與方法

（一） 課程建設理念

結合振動理論課程課堂教學目前存在的問題，即課堂缺乏對振動現(xiàn)象的全面展示、學生難以開展振動現(xiàn)象的自主探索、沒能發(fā)揮理論-實踐的相互促進作用和欠缺振動前沿問題的探索與創(chuàng)新，“如何將振動理論、振動現(xiàn)象、工程實踐進行緊密耦合，并提升學生的課堂參與度、培養(yǎng)學生的高階能力”是解決這些問題的關鍵。本課程智慧化教學理念就是，利用“互聯(lián)網+教育”的技術優(yōu)勢，通過智慧化教學資源——互動虛擬實驗平臺的建設與實踐，以及深度融合課程思政的“問-思-辨-行”教學模式的提出與實施，讓學生樂于參與、深度參與課程教學，同時培養(yǎng)學生的高階能力，其總體框架如圖1所示。

（二） 智慧化互動虛擬實驗平臺建設

智慧化互動虛擬實驗平臺建設的目的是解決“課堂缺乏對振動現(xiàn)象的全面展示、學生難以開展振動現(xiàn)象的自主探索”等教學資源不足的問題，與目前普遍建設的面向振動實驗課程的測試類虛擬實驗有所不同，智慧化互動虛擬實驗平臺針對振動理論課程的重點難點內容，將其振動理論對應的振動現(xiàn)象用互動虛擬實驗技術建設出來，讓學生可以結合振動理論進行振動現(xiàn)象的自主探索與分析，以提升學生對振動理論的深入理解。

考慮到網頁程序的便利性及微信的普及性，同時采用基于瀏覽器的網頁程序及基于微信小程序的移動端程序來實現(xiàn)平臺設計與建設[19]。網頁程序可運行于任何具有網絡訪問功能的電腦上，主要用于教師課堂講解展示；微信小程序可運行于任何一臺安裝了微信的移動設備上，主要用于學生課堂互動、課前預習探索、課后復習拓展；互動虛擬實驗核心程序部署在云端服務器上，降低程序運行對客戶端設備性能的要求，提升了師生使用體驗。平臺從最初建設的少量典型知識點[19]擴展到涵蓋了振動理論課程中的單自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)及振動控制等章節(jié)的23個重、難知識點。以“吸振現(xiàn)象”知識點為例，其網頁版及微信小程序版互動虛擬實驗界面分別如圖2、圖3所示。通過調節(jié)參數(shù)并運行，動畫展示區(qū)實時顯示當前參數(shù)設置下振動現(xiàn)象對應的動畫，曲線展示區(qū)則顯示實時響應曲線。

（三） 深度融合課程思政及工程實踐的“問-思-辨-行”教學模式

1 “問-思-辨-行”教學模式

參照《禮記·中庸》中“審問之，慎思之，明辨之，篤行之”的學習理念，即有針對性地提問，周全地思考，形成清晰的判斷力，用學習得來的知識指導實踐。對課程重點難點教學內容進行重構，結合互動虛擬實驗，將振動理論講解與工程實踐充分融合，構建了相應的教學模式與過程，如圖4所示。在發(fā)揮學生主體作用，讓學生全方面、多層次深度參與課堂的每一個環(huán)節(jié)的同時，提升了對學生“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-解決問題-實踐創(chuàng)新”等能力的培養(yǎng)。“問”，通過工程引例或演示實驗，結合學生課前查閱資料、課堂匯報，引導學生發(fā)現(xiàn)問題；“思”，利用互動虛擬實驗，學生自主開展振動現(xiàn)象的探索與分析，并進行總結匯報；“辨”，通過振動理論的推導與分析，并結合學生自主編寫相關程序及雨課堂練習，引導學生解決問題；“行”，豐富工程前沿實例，擴充源于最新科研課題的綜合性作業(yè)，培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力，結合綜合考核標準，實現(xiàn)對知識、能力、價值目標的全面考核。

2 課程思政的深度融入

課程思政的深度融合是指課程思政內容遍布于“問-思-辨-行”教學過程中的多個環(huán)節(jié)，如圖5所示，具體體現(xiàn)包括：科學思維，整個“問-思-辨-行”的教學過程即是科學研究過程，在教學中培養(yǎng)學生的科學思維；文化自信，適時引入我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，包括古文中與振動相關的論述、古建筑優(yōu)秀的抗震設計等；大國工匠，工程案例中典型實例、大國重器所體現(xiàn)的工匠精神；科技報國，重大工程研制中科學家、工程師在處理振動問題時，不畏艱難、勇攀高峰的愛國情懷和創(chuàng)新意識；哲學原理，振動理論所蘊含的普遍哲學原理。

二 教學實踐

課堂實踐是檢驗任何教學改革方法最有效的途徑，本節(jié)結合西北工業(yè)大學開設的飛行器振動理論及應用這門專業(yè)課，開展了該教學模式的課堂實踐。以課程中的“隔振”知識點為例，說明本研究“問-思-辨-行”教學模式的實施流程，如圖6所示。首先是“問”，通過中國木構古建筑抗震性能佳的實驗視頻，激發(fā)學生興趣，引導學生提出問題；其次是“思”，結合虛擬實驗給出隔振概念并解釋木構古建筑抗震性能佳的原因，讓學生利用虛擬實驗自主開展隔振現(xiàn)象探索，得到定性結論；再次是“辨”，利用已學知識進行原理推導，得到隔振原理，并證明探索得到的定性結論，再利用雨課堂練習，鞏固知識；最后是“行”，講述隔振的工程應用，使學生學以致用，并布置綜合性作業(yè)，鍛煉學生的創(chuàng)新能力。另外，木構古建筑抗震體現(xiàn)了文化自信，虛擬實驗培養(yǎng)了學生的科學探索精神，原理推導融入了事物具有兩面性的哲學道理，而航空航天的工程應用融入了大國工匠精神、航空報國情懷。

在課程的考評與反饋方面，學生最終的成績包含平時成績和期末成績，在平時考核中，除了課堂練習、課后作業(yè)，還包含了占比50%的綜合性作業(yè)，以培養(yǎng)學生的綜合能力，例如，汽車怠速抖動的力學原因、飛行器簡化建模、飛機滑跑響應分析和發(fā)動機管路減振。以“發(fā)動機管路減振”綜合性作業(yè)的考核指標為例，通過對吸振原理的理解、吸振器的創(chuàng)新設計、吸振器的安裝及論述的邏輯性和全面性的考核，涵蓋了對知識目標、能力目標及價值塑造的考核。

通過智慧化互動虛擬實驗的使用，并結合“問-思-辨-行”教學模式，課堂氛圍得到了極大的改善，顯著提升了學生的學習興趣與主觀能動性，80%以上的學生認為智慧化互動虛擬實驗對自身幫助很大且希望在其他課程也引入智慧化互動虛擬實驗，較改革之前，學生對課程的滿意度從50%左右提升到了近90%、各項考核成績均穩(wěn)步提升，尤其是在加大綜合性作業(yè)數(shù)量及難度的情況下，綜合性作業(yè)平均成績從70分左右提升到了90分左右。

三 結束語

本研究針對振動理論課程課堂教學存在的“課堂缺乏對振動現(xiàn)象的全面展示、學生難以開展振動現(xiàn)象的自主探索、沒能發(fā)揮理論-實踐的相互促進作用、欠缺振動前沿問題的探索與創(chuàng)新”等問題，結合國家教育信息化發(fā)展規(guī)劃，并充分考慮新工科對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，利用網頁程序及微信小程序開發(fā)了智慧化互動虛擬實驗平臺。進一步參照《禮記·中庸》中“審問之，慎思之，明辨之，篤行之”的學習理念，結合智慧化互動虛擬實驗平臺，將振動理論講解與工程實踐充分融合，構建了“問-思-辨-行”教學模式，在課堂教學中充分發(fā)揮學生的主體作用，讓學生全方面、多層次深度參與課堂的每一個環(huán)節(jié)，提升了對學生“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-解決問題-實踐創(chuàng)新”等能力的培養(yǎng)。針對飛行器振動理論及應用課程的教學實踐結果表明，課堂氛圍得到了極大的改善，顯著提升了學生的學習興趣與主觀能動性，增強了學生對振動理論的理解及解決振動問題的能力，提升了學生的科學素養(yǎng)及家國情懷，學生各項考核成績均穩(wěn)步提升，尤其是考核學生實踐創(chuàng)新能力的綜合性作業(yè)成績顯著提高，課程也被評選為陜西省本科線下一流課程。這種部署于互聯(lián)網云端的智慧化互動虛擬實驗平臺及提出的“問-思-辨-行”教學模式，極大滿足了學生的學習需求，突出了“以學生為中心”的教學理念，也容易實現(xiàn)教學資源共享，對其他相關理論課程的課堂教學也具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[2] 龍馭球，崔京浩，袁駟，等.力學筑夢中國[J].工程力學，2018，35（1）：1-54.

[3] 馬宏偉，張偉偉.新工科力學課程體系的幾點思考[J].高等工程教育研究，2018（3）：6-12.

[4] 孫俠生.飛機結構強度新技術[M].北京：航空工業(yè)出版社，2017.

[5] 施榮明.現(xiàn)代戰(zhàn)斗機結構動強度設計技術指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，2012.

[6] 中華人民共和國教育部.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A01/s70 48/201007/t20100729_171904.html.

[7] 中華人民共和國教育部.教育部關于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/ srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

[8] 中華人民共和國教育部.教育部關于印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[9] 胡小勇，朱龍，馮智慧，等.信息化教學模式與方法創(chuàng)新：趨勢與方向[J].電化教育研究，2016（6）：12-18.

[10] 朱敏，張際平.虛擬實驗室及其教學應用[J].實驗室研究與探索，2006，25（5）：626-628.

[11] 馬少鵬，水小平，馬沁巍，等.力學虛擬實驗系統(tǒng)及其在實驗力學教學中的作用[J].力學與實踐，2012，34（3）：65-67.

[12] 紀金豹.促進國內結構實驗技術發(fā)展的若干思考[J].實驗室技術與管理，2019，36（4）：270-273.

[13] 邵冰莓，劉展.“新冠肺炎”疫情環(huán)境下實驗教學形式多樣化的運用[J].力學與實踐，2020，42（1）：80-84.

[14] 張文德，劉習軍.虛擬儀器在振動分析教學實驗中的應用[J].力學與實踐，2004，26（1）：59-60.

[15] 顧永強，張洋洋，楊霖.MATLAB環(huán)境下振動力學虛擬教學實驗軟件的開發(fā)[J].科技信息，2007（32）：59-60.

[16] 任偉杰，付艷麗.振動力學實驗系統(tǒng)的虛擬仿真[J].計算機應用，2013，33（S1）：312-314.

[17] 王會杰.機械振動測試教學實驗系統(tǒng)研發(fā)[D].重慶：重慶大學，2018.

[18] 劉習軍，張素俠，崔福將，等.虛擬仿真實驗在教學中的應用[J].高教學刊，2019（26）：115-117.

[19] 王樂，王慧，谷迎松.面向振動理論類課程課堂教學的互動虛擬實驗平臺[J].西南交通大學學報（社會科學版），2023，24（S1）：241-247.

基金項目：中國交通教育研究會交通教育科學研究課題“新工科背景下‘雙驅動、三融合’教學模式研究與實踐”（JT2022YB363）；陜西省高等教育學會高等教育科學研究項目“‘互聯(lián)網+互動虛擬實驗’在振動理論類課程線上線下混合式教學”（XGH21043）；西北工業(yè)大學教育教學改革研究項目“‘互聯(lián)網+互動虛擬實驗’在力學理論類課程教學中的探索與實踐”（2023JGZ01）；西北工業(yè)大學教育教學改革研究項目“國防特色領域結構動力學教材體系建設的研究與實踐”（2024JGWZ01）

第一作者簡介：王樂（1984-），男，漢族，陜西西安人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為飛行器結構動力學。