机械振动课程教学思考与教学改革探讨*：学生学习积极性提高及科研与创新能力培养方法探讨

郭朋彦 高玉国

作者：郭朋彦，博士，讲师，主要从事车辆、机械的教学与设计研究。

针对机械振动课程的枯燥、乏味、抽象特点和学生到课率低、听课质量不高的问题，通过参加教育部组织的“国家精品课程师资培训项目”，并结合近年来的教学体会，进行思考和总结，提出激发学生学习积极性的若干方法，并讨论基于本课程的学生科研与创新能力培养的方法。

机械振动是机械类专业的一门重要专业基础课，它综合高等数学、工程力学、矩阵理论、信号分析、计算机技术等学科知识，是一门理论性强、内容相当广泛的课程[1]。该课程涉及到欧拉公式、复变量指数、频谱分析、行列式和微分方程组与各种矩阵方程，计算和求解过程较为复杂；且该课程主要讲授经简化、抽象后的质量—弹簧—阻尼系统，学生普遍觉得枯燥、乏味、抽象，听不太懂，到课率较低。然而，这门课程又非常重要，它注重对隐藏于结构表层下面的本质规律的总结和归纳，这些规律是在进行系统设计时所必须遵守的。同时，该课程还是ANSYS、ADAMS等主流计算机辅助分析软件的理论依据，学生将这门课学习透彻后，就会对这些软件及其对应的现代设计方法有深刻的认识，这样就便于培养学生的科研和创新能力，使学生在毕业后能够尽快适应工作岗位。

如何将这门枯燥、乏味、抽象的课程变得生动、有趣、直观，并培养学生的科研与 创新能力，是笔者一直在思考的问题。今年笔者有幸参加了“国家精品课程师资培训项目”，学习了天津大学刘习军老师主讲的机械振动精品课程，受益匪浅。笔者尝试利用此次学习经验和近年来的教学体会总结方法来提高学生的学习积极性，并采取措施将这门课和现代设计方法结合起来，培养学生的科研与创新能力。

1 激发学生学习积极性方法探讨

提高学生对这门涉及数学、物理比较多的课程的学习兴趣，从以下几个方面着手将会获得较好的效果。

1）课程案例与应用等内容尽量与学生的专业贴近，使学生对课程知识的应用有明确认识，以使本课程变得生动、形象，从而激发其学习兴趣和积极性。如在课程开始，给车辆工程专业的学生作《机械振动在汽车性能开发上的应用——NVH》专题报告，讲解本门课程在汽车开发中的应用；上课时尽量结合学生比较熟悉的汽车的相关部分（如汽车悬架、发动机悬置、排气管布置等）进行讲解；将压路机、振动式摊铺机等与重型车辆有关的案例引入课程案例中。

2）注重重点内容讲解，弱化不重要的数学计算过程讲解，以减少数学计算在课堂的占用时间，弱化课程的枯燥乏味性。如在对各种振动系统（如位移干扰引起的受迫振动）进行讲解时，对物理模型的简化、运动学微分方程的建立过程和方法、求解结果对实际生产的指导意义详细讲解，而对数学模型的求解过程只讲求解思路和求解过程中的注意点。

3）制作效果良好的多媒体课件，以提高授课的直观性和趣味性。该课程之前课时较长，采用板书形式授课，注重求解过程和演算思路。近年来的情况是：由于课时缩短，板书上课时速度较快，这更加剧了课程的枯燥性。此次通过培训发现：采用含有大量的实物图片、实体模型、讲解视频和利用软件求得的阵型动画等内容的多媒体课件，可使本课程更加生动、形象和容易理解，同时可以加快授课进度，节约课时。

4）加入合适的实验课程，以调动学生的学习兴趣，培养创造性思维及动手能力[2]。该门课程以前采用理论授课方式，没有实验课，学生学习兴趣不高。此次通过培训发现：实验课在调动学生积极性方面具有关键性作用，所以计划在该门课程中引入兼具趣味性与科学性的龙洗、编钟等实验课，使学生能够直观、趣味地学习课程的内容，从而激发学生的学习积极性。

5）引入计算机辅助软件来分析、求解和解释本课程的问题，赋予课程时代感，以激发学生的学习热情和动手解决问题的兴趣[1]。学生普遍觉得本课程内容传统、陈旧，有学习抵触情绪；在本门课程中引入现代计算机辅助分析软件，可激发学生的学习积极性。如通过上机实验课教会学生用ANSYS软件求解车架的模态、主频率和主阵型，进而讨论发动机转速、车架模态、汽车悬架在车辆设计时的相互关系；在多自由度系统求解上，通过上机课教会学生用MATLAB软件求解列出的动力学方程，用ADAMS软件求解问题，并对比二者的结果。

2 基于该门课程的学生科研与创新能力培养

培养大学生的科研与创新能力是本科教育的根本目的之一[3-4]，故该门课程也需培养学生的这种能力。设备或结构在工作时的振动与噪声是客观存在的，并且遵循一定的规律；而该课程正是讨论和总结这些本质规律，认识并遵循这些规律能够提高设计质量，并能提高学生对系统的总体分析能力。本课程内容还是ANSYS、ADAMS等现在主流的计算机辅助分析软件的理论依据，学生掌握这门课后，就会对这些辅助软件及其对应的现代设计方法有深刻的认识，这便于培养学生科研和创新能力。通过前面的方法提高了学生的学习积极性后，可以通过下列方法和程序培养学生的科研与创新能力。

2.1 具有课程特色的分组大作业

本课程开设在大三下学期，授课对象为车辆工程专业学生，此时学生已经修完了机械和车辆的大部分专业课，本课程又是ANSYS等现代主流计算机辅助分析软件的理论依据，所以在单自由度系统讲解时就引入这些软件，使学生能够用手工和软件两种方法计算系统的固有频率和振动动画；在多自由度部分，要求学生利用ANSYS和ADAMS等辅助软件来求解，并鼓励其运用MATLAB软件来求解列出的矩阵方程。分组时，将学生分成5～8人的小组，以组为单位单独布置、完成作业。作业的检查形式为：每次从各组中任意抽取一名学生讲解求解思路、求解过程和求解方法。这样，经过6～8次课程作业的练习，学生便可熟练地应用这些软件来分析和求解问题了。

2.2 采用课程设计培养学生科研与创新能力

课程设计可使学生将本课程内容与其他课程知识综合起来，提高其知识的综合应用能力。该课程开设时，学生的大部分课程已经完成，具有进行较为综合类课程设计的基础条件。同时，该课程讨论系统的本质规律，而这些规律便于学生从总体上把握结构的特性；且该课程是几款主流的计算机辅助分析软件的理论基础，在问题求解时又用到MATLAB这一重要软件，所以开设基于该课程的综合性课程设计对学生总体设计能力的形成、现代设计方法的运用和学生科研与创新能力的培养都将起到重要的作用。根据近年来的授课经验、课后与学生交流的体会，制定课程设计题目：1）轻型汽车发动机悬置系统设计；2）麦弗逊独立悬架设计；3）10米客车空气弹簧悬架系统设计；4）重型牵引车驾驶室悬置系统设计；5）振动式压路机振动系统设计；6）振动式打桩机振动系统设计；7）振动式破碎锤振动系统设计；8）振动筛振动系统设计。

在课程结束后，学生分组进行课程设计，每组从上述题目中选择一个进行为期一个月的设计。在此过程中着重培养本科生的科研与创新能力，所以要求其第一周与研究生一起查资料、复习相关课程，以掌握做科研的基本方法，后3周时间由组内成员讨论完成。在设计中要求采用三维软件进行建模，利用ANSYS或ADAMS软件进行模态分析和动力学仿真，采用振动理论列出研究问题矩阵方程，并尽量采用MATLAB软件求解。设计完成后，对设计结果按实体模型、论文和PPT答辩3个方面进行评定。

2.3 基于毕业设计的科研与创新能力培养与提高

前面的分组大作业和课程设计使学生对现代设计方法和流程有了较为清楚的认识，并具备了一定的科研与创新能力。但由于是按组进行，单一学生的这种能力可能不太高，而毕业设计是一人一题，单独进行，所以此时根据学生的兴趣，开展基于该课程的毕业设计可有效地提高这些学生的科研与创新能力。此时一般是大三即将放暑假，也是学生即将开始毕业设计阶段，所以从时间上开展基于该课程的毕业设计也是可行的。毕业设计的题目应围绕一台整车（如前后悬架、悬置等）进行，以保证毕设结束时能够组合成一台整车，这样提高了学生的科研与创新能力，还提高了学生完成实际设计的信心，使他们毕业后能尽快适应工作岗位。

3 总结

本文针对学生普遍认为该课程抽象、枯燥、乏味和学生到课率低、听课质量不高的现象，提出通过合理设置授课内容、设计多媒体课件、加入富有趣味性的实验课和引入现代的计算机辅助分析软件与计算方法来激发学生的学习积极性。并结合该课程是诸多计算机辅助软件的理论基础和其问题求解过程需采用MATLAB这一软件的特点，讨论采用具有课程特色的分组作业、分组课程设计和紧随其后的毕业设计来培养和提高学生科研与创新能力，并提高了学生的团队合作意识和完成科研任务的信心。

[1]李丽君,刚宪约,许英姿.机械振动与噪声的多模式教学实践[J].实验技术与管理,2010,27(9):136-138.

[2]柳贡民,李帅军.轮机工程专业《机械振动噪声学》课程实践教学初探[J].教育教学论坛,2012(1):105-106.

[3]耿艾莉,王岩松.工科大学生科技创新能力的培养与实践[J].职业与教育,2011(20):180-182.[4]尹乃军.高校艺术设计专业学生创新能力的培养[J].教育理论与实践,2010,30(12):15-16.