“机械振动基础”课程的教学内容改革与实践

姜伟++孙月华++侯清泉++徐鹏

摘要：对《机械振动基础》课程的教学内容体系、教学手段的运用和考核方式进行初步改革，使枯燥、难学的课程变得生动、简单。将工程应用软件MATLAB/Simulink与振动理论相结合，改善实验条件的不足，提高教学质量。让学生运用MATLAB/Simulink仿真软件对实际工程结构进行仿真模拟完成实践报告，培养学生理论联系实际的工程能力。

关键词：机械振动；教学内容；考核方式；实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）06-0099-02

一、机械振动基础课程的特点及教学中存在的问题

《机械振动基础》课程是我院面向机械类本科生开设的一门专业选修课，本课程是为解决机械系统的振动问题提供必要的基础理论和方法的一门学科，它综合应用高等数学、线性代数、信号分析、计算机技术等学科知识，与工程实际问题有着紧密的联系[1-2]。

我院《机械振动基础》课程理论教学仅有30学时，课程内容较多而且抽象难懂，涉及到许多力学知识以及微分方程组与行列式和矩阵运算。由于我院三本学生较多，先修的理论力学、材料力学和高等数学及线性代数等课程基础薄弱，讲授过程中，完全使学生的注意力陷入了复杂难懂的数学计算中，而忽略了对本课程内容理论体系及重点、难点的把握，尤其在多自由度系统的学习中，随着自由度数目的增加，微分方程数的增加，导致学生对这门课程的理论学习很迷茫，甚至逐渐丧失了学习的信心，更别说能把这门课的知识转化为解决实际问题的能力了。由于师资力量、实验教学条件等多方面原因，使教学质量和效果受到严重制约。在多年的教学实践中深深体会到采用常规的课堂、黑板的教学方法学生接受起来非常困难，尽管在教学中也进行了多媒体课件和板书相结合的教学方法，并收集了很多工程实例，但是，很难达到理想的教学效果。

基于课程的独特特点，将从教学内容组织上、教学手段运用上、学生实践报告撰写上以及考核方式改革上采取一定的措施。采用Matlab/Simulink软件进行机械振动系统仿真，以增加课程学习的趣味性，最大限度地提高课程的教学效率和质量。不仅弥补了实验条件的不足，还更好地培养了学生的专业兴趣和理论与工程实际相结合的能力。

二、教学改革的措施

针对以往“多媒体+板书、理论教学+课堂作业”的传统教学模式，加上试验条件有限的因素，使学生不能很好地理解机械振动的复杂概念和原理，也不能很好地将机械振动理论与工程实际相结合。因此，在《机械振动基础》课程教学中，拟采取以下措施，调动学生的学习积极性，提高课堂教学效率和质量，培养学生实践能力。

1.精心组织教学内容。在对各种振动系统进行讲授时，要注重物理模型的简化、振动微分方程的建立过程和方法，并对求解结果分析其振动特性以及求解结果在实际生产中的运用详细讲解，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事项即可。既减少了数学计算在课堂的占用时间，同时削弱了课程的枯燥乏味性。在讲授机械振动的基本概念、基本理论时，简要介绍机械振动学的发展简史、机械振动的广泛应用以及与其他学科的交叉关系、有关历史事件和历史人物，增强学生的学习兴趣。在分析振动系统特性时，多结合工程实例，并且多留课堂作业做练习，增强学生的工程意识。同时，也介绍一些振动理论的最新发展和最新应用，使学生更多地了解机械振动理论和实际应用的前沿知识，提高学生的创新和实践能力。课后，让学生自己收集一些机械振动理论在工程中应用的例子，并进行课内与课外的讨论，使枯燥的理论与生动的实例相结合，调动学生上课的积极性，让学生们感到学有所用。

2.采取更多的教学手段——引入MATLAB/Simulink仿真软件的仿真模拟。MATLAB语言是一款将数据结构、编程特性以及图形界面完美地结合到一起的工程应用软件。MATLAB语言的核心就是矩阵和数组，而机械振动分析中多自由度系统所建立的数学模型的求解正是需要矩阵进行计算。因此，运用数学工具MATLAB，可以使繁杂的数学运算变得简单，可以使教师和学生把注意力更多地放在机械振动系统特性分析和实际应用上。

Simulink是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模。它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。

在课件制作过程中，采用MATLAB/Simulink仿真语言对单自由度系统的无阻尼、有阻尼和受迫振动三种振动条件下建立微分方程和求解振动体的位移随时间的运动规律。通过Simulink中各种模块的建立，用线连接各模块，做好流程图，设置好各模块的参数后，再设置好系统环境变量，点击运行，通过示波器模块就可以模拟出振动体的物理量随时间变化关系图像曲线，从而分析出系统特性。这个过程可以在课堂上进行，不仅弥补了实验条件的不足，更好地与工程实际相结合，还可以为学生将来完成实践报告打下良好的学习基础。同时，课件中增加色彩丰富的图片和生动的动画与视频以及大量的工程实例和练习，使抽象、晦涩、复杂和呆板的专业理论内容变为具体、清晰、简单和生动的趣味教学，从而最大限度地提高课程的教学效率和质量。

3.安排学生撰写实践报告，培养学生的创新精神和实践能力。在《机械振动基础》教学中，具体采取以下措施，调动学生学习的积极性，发挥学生的主观能动性，培养学生合作精神、创新意识和实践能力。（1）让学生自发组成5～6人一组的学习小组。首先，通过第二课堂指导学生学习Matlab/Simulink软件，达到一定熟练程度后，再对线性单自由度系统的无阻尼、有阻尼和受迫振动三种振动条件下进行数学模型的建立、求解和仿真模拟。这种以小组共同上机学习软件的过程，不仅可以消除学生对本课程的迷茫，使学生抓住了本课程的学习要点，增加了学生学习的灵活性，还可以更好地将振动理论与工程实际相结合。（2）振动理论在工程和生活中应用广泛，在处理实际工程问题时，必须根据所研究问题的实际情况，抓住主要影响因素，忽略次要影响因素，把复杂的振动系统简化和抽象为合理的力学模型，并对产生振动的力学模型即振动系统受力分析、建立数学模型、求解，得出振动体的物理量（如位移、速度和加速度）随时间的变化规律。在Simulink环境中建好模型，设定振动体的运动参数如：质量、刚度、阻尼、激振力、激振频率、运动演示最大时间等。根据设定的参数，用图形窗口实时演示振动体的运动情况，即模拟出振动体的物理量（如位移、速度和加速度）随时间的变化曲线。模拟结果与工程实际结构的运动情况作对比，从而确定仿真研究方法的可信度。把小组分析研究的结果，以实践报告的形式上交。通过两个步骤，培养了学生合作的精神，提高了实践能力。endprint

4.改进考核机制。为了培养学生的综合能力及工程意识，采用多种形式的考核方式代替过去以课堂作业和卷面考核为主的考核机制。考核分值的设置为：平时作业20分+实践报告20分+期末考试60分。平时作业一般为每个章节课后习题，重点考查学生是否掌握课堂知识点。实践报告旨在激发学生的钻研精神，培养学生理论联系实践的能力。期末考试的命题有客观性和主观性两种。客观性考题占60%，题目覆盖面较广，但难度和灵活性稍低，旨在考查学生对基础知识的掌握程度，主观性考题占40%，题型为计算题，涉及面广、难度大、灵活性高。

三、教学改革的初步成果

本次改革对象为机械设计专业和机械制造专业的本科生，两届共13个班级。无论是在教学效果上，还是学生素质培养上，都有了很大进步。

1.教学效果和质量显著提高。由于在课堂教学中，更新了教学内容体系，使学生对明确了课程的要点、重点和难点，能正确处理本课程与相关课程之间的衔接，同时，对机械振动最新研究成果有了初步认识。将MATLAB/Simulink仿真软件与振动分析相结合调动了学生的学习积极性，活跃了课堂教学气氛，从而最大限度地提高课程的教学效率和质量。卷面考试命题中主观题和客观题相结合，使学生既注重了机械振动基本概念的掌握，又注重了分析问题和解决问题能力的提高。通过新的考核机制，使学生既注重了对机械振动基础概念的掌握，又提高了学生理论联系实践的能力。期末成绩的优良率明显提高，也避免了大量的不及格人数过多现象。

2.学生实践能力明显增强。让学生自发组成学习小组，选择自己感兴趣的题目，通过MATLAB/Simulink仿真软件实现理论与实践相结合的过程，将模拟结果以实践报告的形式上交，并计入考试成绩中。既培养了学生分析问题和解决问题的能力，又培养了学生的合作精神和创新精神。

四、结论

本文针对学生普遍认为该课程抽象、枯燥、难学和教师普遍认为课时少、内容多、难教的现象，通过教学内容体系的精心组织，多媒体课件中增加色彩丰富的图片和生动的动画与视频以及大量的工程实例和练习，运用MATLAB/Simulink仿真对单（多）自由度系统的仿真制作课件，不仅弥补了实验条件的不足，还调动了学生的学习积极性和增强了学生的工程意识。通过学生自由选题，运用MATLAB/Simulink仿真软件，分组完成实践报告，培养了合作精神，提高了实践能力。

参考文献：

[1]崔志琴，景银萍.《机械振动学》课程教学改革初探[J].中北大学学报，2005，（4）：86-87.

[2]郭荣，张敏，张立军，等.《机械振动学》的教学内容、模式及考评方式改革探索[J].佳木斯教育学院学报，2012，（9）：140-141.

[3]王彪.《机械振动》课程教学改革实践[J].华东冶金学院学报，2000，（6）：86-87.endprint