机辆工程专业《机械振动基础》本科课程教学实践与思考

【摘要】针对本院机辆工程专业的相关课程设置，论证了《机械振动基础》课程开设的必要性，探讨了课程设置的基本思路。通过教学实践，分析了存在的问题及今后教学需要修正的地方。

【关键词】机辆工程 机械振动 本科教学

【中图分类号】G642 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）34-0225-02

一、引言

近些年来，我国高速铁路、城市轨道交通建设快速发展，相关技术人才市场缺口巨大。上海应用技术大学（原上海应用技术学院）前瞻全球低碳经济发展趋势，审视上海及周边地区轨道交通快速发展的形势，瞄准我国新型工业化对优秀工程类人才的大量需求，在前期详细调研论证基础上，于2009年成立了轨道交通学院，建设初期下设三个本科专业：电子信息工程（轨道通号技术）、械设计制造及其自动化（机辆工程）、土木工程（轨道工程），其中机辆工程专业被寄予最有突破性的厚望。

我校以建设“高水平、应用型、以工为主、特色鲜明的多科性本科院校，培养一线工程师的摇篮”为办学目标。一直致力于培养具有创新精神和实践能力的、具有国际视野的、一线工程师为主的高质量应用技术人才。轨道交通学院立足于学校发展定位，突出办学特色，提升学院综合竞争力，从与兄弟院校错位发展思路出发，院领导提出了以“站后”为目标的办学方针，并逐步形成科研、教学协调、双赢的发展模式。

作为一所地方应用型本科院校兴办机辆工程专业，作者在文献[1]中对其培养计划、目标与模式等七大关键问题进行了论述。通过七年来不断的努力、探索与实践，机辆工程专业的培养方案得到逐步的优化，在学科建设、实验室建设、人才建设等方面取得了一定的成效，学生就业率一直保持在领先位置。不过，在培養计划方面，通过教学和学生反馈来看，还有需要不断完善和优化的地方，比如，开设了《机车动力学基础》和《动车组检测与故障诊断》两门课程，对于没有机械振动基础的学生来讲，其理解、接受起来存在一定的困难。针对这一问题，在培养计划中增设了《机械振动基础》这一课程。

二、教学内容设置基本思路

《机械振动基础》是在工科院校机械专业广泛开设的一门课程[2-4]，其主要目的在于为解决机械系统的振动问题提供必要的理论和方法。需要先修的基础课程包括《理论力学》、《材料力学》、《高等数学》、《线性代数》等。该课程依据各院校各专业方向需求和培养目标的不同，设置的学时、内容也相差迥异。

我们学校虽然是一所二本院校，但由于整体氛围注重培养学生的动手实践应用能力，所以，在基础课尤其是理论性较强的基础课方面比较薄弱。另外，学校近两年一直在对培养计划进行减学分调整。因此，《机械振动基础》课程开设的基本思路如下：

1.小学时：课程总体的课时量设置为32学时的小学时。主要目标在于，让学生理解振动的基本概念和在工程中的基本应用，为后续课程进行直接的服务。重点放在振动的基本概念和单自由度振动系统及其工程应用上，而对于多自由系统，以最简单的两自由度系统进行核心概念的讲解。

2.轻理论、重实践：在共32学时中，设置8个课时的实验内容，从而加强学生对振动概念的直观认识，理解振动理论在工程中的应用，掌握振动信号测试的基本架构和一般过程。

三、教学实践与思考

根据课时量对《机械振动基础》的教学内容的初步安排如下：

1.绪论，2学时：主要结合现实生活和工程讲解振动的基本概念和应用领域。

2.单自由度振动系统，10学时，包括：单自由度的自由振动（无阻尼和有阻尼自由振动）、单自由度的强迫（简谐激振力、周期激振力和任意激振力下的强迫振动以及强迫振动的工程应用）。

3.两自由度振动系统，8学时，包括：无阻尼自由振动、无阻尼强迫振动、无阻尼减振器、有阻尼振动、有阻尼减振器。

4.机械振动测试，2学时：主要讲解进行机械振动测试的物理量、传感器、采集卡、采集程序等。

5.课内实验，8学时，根据现有的实验设备——转子振动实验台，设置四个实验：①转子的径向和轴向振动测量，主要为了让学生直观的看到振动及采集到的振动信号，了解机械振动测试的硬件组成等；②转子的临界速度测试，主要是为了让学生观察转子通过临界速度附近的现象，了解判断转子临界速度的常用方法；③结构参数对临界速度的影响，主要是为了让学生直观理解结构参数对转子临界速度的影响，从而和理论学习进行有机结合；④转子轴心轨迹的合成，主要是通过实验与理论结合，让学生理解为什么会有轴心轨迹的概念，如何测量与合成。

6.习题课，2学时。

虽然上述教学计划只包括了《机械振动基础》中最基本也是相对较简单的内容，但在教学实践中，由于课时和学生实际的接受能力等原因，对讲授内容适时进行了调整：

1.单自由度振动系统：简谐激振力下的强迫振动中只详细讲了其稳态解；由于学生对傅里叶变换知识的欠缺，周期激振力下的强迫振动只是一带而过；由于考虑到杜哈梅积分比较难理解，任意激振力下的强迫振动这部分就没有讲。

2.两自由度振动系统：这部分变动较大，只讲解了两自由振动系统的微分方程的建立、刚度矩阵、质量矩阵、固有频率、主振型（由此引申了多自由度系统的主振型）、坐标耦合等基本概念及其求解问题。

3.在实验教学中，还发现，让学生把理论和实验现象有机结合起来，还存在一定的难度，如结构参数对临界速度的影响问题。

尽管在教学实践中，只抽取了《机械振动基础》中的核心概念和较简单的理论及应用部分进行讲授，并对重点内容进行了反复强调和讲解，但在课程考核中，发现学生对一些核心概念及应用的掌握还存在很多问题：

1.关于系统输入、输出与微分方程中相关参数的对应联系还不能很好的建立，如针对单自由度有阻尼强迫振动的微分方程m■+c■+kx=F0ei？棕t，相当部分学生不能理解什么是系统输入（激励），什么是系统输出（响应），尽管这个问题在课堂中进行了反复讲解和强调。从这个细节问题，其实也反映出了，对于像《机械振动基础》这种本身理论性较强的课程，学生不太善于跳出理论数学式子与实际工程现象或术语进行有机联系，而这一点往往又是理论知识应用于工程最基本的环节。

2.一些基本概念掌握不够牢固，如线性系统和非线性系统在微分方程形式上的差异、自由度概念的实质理解、阻尼在微分方程中的表现等。

3.简谐激振力下的强迫振动求解问题的应用：作为机辆工程专业的学生，在后续课程中会涉及到一个很重要的问题，即轨道激扰下车辆系统振动响应的问题，结合这一专业实际问题，课堂上在简谐惯性力激励下系统响应这节中，以车辆系统为例进行了详细的讲解，但考试中相当一部分同学仍存在很多问题。究其原因，可能还在于从理论推导到实际应用还没有很好的衔接。

综合上述授课计划、实际授课变动和课程考核等过程中体现的问题，在今后的教学中应该进一步对课程进行优化，包括：

1.理论授课内容的进一步优选，尤其是加强数学方程与核心概念、概念与工程实际的联系，这可能需要从补充、优化教学内容和教学手段等多方面入手。

2.实验项目的优化与补充：本次教学实践中由于实验条件有限，所有实验项目都在转子实验台上进行，这虽然有助于后续课程《动车组检测与故障诊断》中相关概念的理解，但对《机械振动基础》中的基础概念如刚度、阻尼的理解涉及较少，后续教学中，应该创造相应的实验条件，加强基础概念理解这一环节的实验内容。

四、结语

《机械振动基础》在机辆工程专业培养计划中，起到了一定的承上启下的作用，有助于学生理解车辆中的相关振动问题，也为相关动手实践内容提供了支撑。在综合考虑专业培养目标和学分限制等因素下，通过一个学期的教学实践总结与思考，更为清晰的了解了学生对本课程学习的特点以及今后教学中需要修正与改进的地方，包括理论授课内容的优选、实验内容的再优化与补充、丰富教学手段、提高课堂教学的趣味性等多個方面。

参考文献：

[1]潘玉娜. 浅谈地方本科院校新办机车车辆专业，课程教育研究，2013，（31）：227-228

[2]姜伟，孙月华，侯清泉，徐鹏.“机械振动基础”课程的教学内容改革与实践，教育教学论坛，2015，2（6）：99-100

[3]韩维，柳文林.《机械振动》课程建设的探索与实践，教育教学论坛，2016，10（41）：59-60

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