新工科背景下机械振动基础课程教学探索

王园

[摘           要]  对机械振动基础课程的教学内容、教学方式及考核方式进行探索。旨在激发学生的学习兴趣，训练其解决工程应用中机械振动问题的思维方式和方法，培养其自主研学和获取知识的能力，并在教学过程中注重对学生正确价值观的引导，实践证明取得了一定的教学效果。

[关    键   词]  机械振动;能力培养;课程改革;教学模式

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2019）31-0108-02

一、前言

机械结构的振动问题是现代产品设计中必须考虑的问题，按照传统的方式仅仅对设计的产品进行简单的静力校核在很多情况下已不能满足要求，需要根据机械结构的动态特性进行设计，因而掌握机械振动知识是一个现代工程师所必须具备的能力。因此对工科专业尤其是机械相关专业的学生而言，机械振动基础是一门非常重要的课程。

由于机械振动基础是一门为设计高品质机械工程实际结构或机器提供必要的振动理论基础和计算方法的专业技术基础课程，江苏大学机械工程学院面向本院机械设计及其自动化专业本科生开设了这门课程，共有30个学时。机械振动学是对机械结构静力学研究的进一步拓展，研究机械系统的自由振动特性和受激励后的动态响应，并综合运用高等数学、线性代数、复变函数、理论力学、材料力学、计算机科学等知识[1，2]，主要目的在于培养学生解决工程应用中振动问题的能力。

机械振动基础这门课程讲授的主要内容包括单自由度振动系统、多自由度振动系统、连续体振动系统，知识点多，理论性强，对学生的数学和力学知识储备有一定的要求，因此学习难度较高。且由于知识点连贯性比较强，部分学生在学习过程中一旦不能很好地掌握知识点，在后面的学习过程中就会出现听不懂

的现象，逐步丧失继续学习的信心，从而达不到传授知识的目的，更不要说能力的培养以及对学生价值观的塑造了。教学改革前的上课过程主要以PPT讲授为主，辅助以板书的教学模式，但是教学效果不理想。

基于上面的原因，针对本课程的教学问题，结合课程培养目标，从四个方面指导教学改革：精心进行教学设计，激发学生的学习兴趣;以机械振动的知识为载体，讲授解决工程应用中出现的一些振动问题的思维方式和方法;通过多种方式培养学生自主学习、研究和获取知识的能力;在教学过程中注重塑造学生正确的价值观。

二、教学内容和模式设置

愛因斯坦讲过“大学教育的价值不在于记住许多事实，而在于训练大脑会思考”。在这个网络特别发达的时代，许多知识可方便地通过网络查找得到，因而爱因斯坦的这句话更值得我们深思。以前的教学过程侧重于以传授知识为目的，对更重要的能力培养和价值观的塑造不重视。

因此，针对机械振动基础这门课程，从以下几个方面进行教学改革。

（一）理论教学

机械振动基础所讲授的内容涉及机械振动学的基本概念，单自由度振动系统、多自由度振动系统、连续体振动系统的自由振动和强迫振动的理论和工程应用，具体讲授的内容包括：

单自由度振动系统：单自由度振动系统无阻尼（阻尼）自由振动运动微分方程的建立步骤、求解方法和自由振动特性，简谐强迫振动和周期强迫振动的幅频和相频特性，主被动隔振的隔振原理和幅频、相频特性以及非周期强迫振动的求解方法。

二自由度振动系统：二自由度振动系统运动微分方程的建立方法，自由振动的理论基础、力学模型和数学模型，不同坐标系下的运动微分方程，无阻尼自由振动的固有频率和模态振型。

多自由度振动系统：多自由度振动系统运动微分方程的建立方法，自由振动和强迫振动的理论基础，力学模型和数学模型的建立方法，多自由度系统运动微分方程的坐标转换，系统自由振动的共振频率和模态振型，以及多自度振动系统的动态响应分析。

连续体振动系统：杆纵向振动、轴扭转振动和梁横向弯曲振动微分方程的建立方法，自由振动的理论基础，力学模型和数学模型的建立方法，自由振动时共振频率和模态振动分析，梁横向弯曲受迫振动的动态响应分析。

课堂教学时既要讲授知识点，更要注重讲授解决问题的思路和方法。因此在讲授过程中多结合工程实际问题进行讲解，吸引学生的兴趣，把具体的振动理论公式和工程中的振动问题结合起来，讲述理论知识在工程应用中的适用范围;另外，在教学方式上选择多种教学方式吸引学生的注意力，利用图片、动画等方式把抽象的理论知识形象化，使学生更容易理解和掌握知识点，从而加深学生对相关知识点的印象。

如在讲授连续体振动系统梁弯曲自由振动和受迫振动分析时，以货车底板和船壳上大量使用的梁结构为例，此结构能够提高货车底板和船壳的刚度和强度，起到结构轻量化的作用。在课件中向学生演示分别基于理论得到的解析解（利用MATLAB编程计算得到）和基于有限元软件得到的数值解（利用ANSYS建模仿真得到），以动画和云图的形式显示给学生。相对于单纯讲解公式的推导过程，此种讲授过程能够激发学生的学习兴趣，加深学生对此知识点的印象，从而达到让学生掌握知识点的目的。更重要的是在演示过程中还可以培养学生解决振动问题的思维方式和方法。

此外在课堂教学时，要求学生课前进行预习，并在课堂期间进行有针对性的提问，对回答正确的学生给予平时分加分，以激发学生的学习动力，培养学生自主研究和获取知识的能力。而对旷课的学生则扣减平时分，情节严重者不允许参加考试。

（二）软件教学

由于机械振动基础中单自由度系统、多自由度系统以及部分连续体系统通常可采用数值计算软件MATLAB和有限元软件ANSYS进行振动问题求解，因此讲授基于软件MATLAB和ANSYS的课件和程序很有必要。此教学过程中学生能够更直观地看到求解结果，并能培养学生解决机械振动问题的思维方式和方法，以及自主研究和获取知识的能力[3，4]。

在利用这些软件进行教学时，通过在课堂上演示MATLAB的M文件编制的程序和ANSYS建立的模型，计算从单自由度振动系统到多自由度振动系统以及连续体振动系统的内容，让学生了解利用不同软件编制程序的方法和步骤，培养利用所学到的软件对理论知识进行研究分析的能力。

（三）实验教学环节

实验教学是机械振动基础教学环节中的一个重要组成部分，通过实验教学有助于将理论知识和工程实际进行结合，巩固学生所学到的理论知识，培养学生的动手能力和团队合作精神，并有助于培养学生的学习兴趣。本课程的实验教学主要利用频谱分析仪、加速度传感器、功率放大器、力锤等实验仪器进行实验教学，教学内容则选择两个典型的知识点：钢板的固有频率测试和利用同一块钢板不同位置进行振动互易性原理测试。

实验教学首先进行现场实验设备演示，然后再指导学生进行实际操作。实验演示时主要讲解实验的基本原理、实验仪器的工作原理以及详细的实验操作规范，并规定实验报告格式。随后让学生分组进行操作，每4人一组，一部分实验内容要求每个人独立完成，另一部分内容则要求小组合作完成，并明确具体的实验分工。

三、考核方式和成绩评定

本课程综合采取多种考核方式，包括期末考试、平时表现、大作业和实验，对应的最终成绩包括试卷成绩、平时成绩、大作业成绩和实验成绩四部分。所采取的考核贯穿整个课程教学过程，其中试卷成绩、平时成绩、大作业成绩、实验成绩分别占总成绩的50%、20%、15%、15%。具体如下。

期末考试：根据培养目标设置考试内容，注重评价学生对各个知识点的掌握程度及解决问题的能力，考核形式为闭卷考试。

平时表现：主要评价学生的出勤率和课堂表现，即课堂回答问题的积极程度和正确程度。

大作业：主要侧重于考核学生对利用MATLAB和ANSYS软件解决工程应用问题的能力，考试内容为通过MATLAB编程和ANSYS建模求解单自由度振动系统、多自由度振动系统的解，并相互验证结果;为防止学生出现互相抄袭的现象，可设置刚度或质量与每个学生的学号有关。

实验：评价学生现场实验操作的完成度、正确度，实验后报告的内容正确度;评测学生的动手能力、理论和实际相结合的能力和团队协作能力。

四、教学效果

本次教学改革的对象为机械设计制造及其自动化专业两个班的本科生。通过上述一系列教学改革，学生无论在知识点的掌握上，还是在能力的培养上都得到了提高。具体表现在：学生的期末考试成绩相对于往届有了明显的提升，上课时能够主动参与到教学活动中，实验报告和大作业能够很好地完成。特别是授课时结合一些MATLAB和ANSYS软件计算仿真的动画、云图等结果，学生能够更直观形象地学习理论知识，不再面对一些如公式和定理等枯燥理論知识，明显提高了学生的学习兴趣和课堂参与度。由于这些动画和云图，在软件教学环节中学生上课的积极性有了很大的提高，许多学生积极尝试利用MATLAB和ANSYS软件分别计算课后作业题，初步具备应用这些工具解决工程中振动问题的思维方式，以及主动利用网络和图书馆等资源解决作业中遇到的问题。另外在教学环节中引导学生认识到学术道德的重要性，从而引导学生形成正确的价值观。

五、结论

综上所述，针对机械振动基础这门课程理论性强、知识点多导致学生学习难度高等问题，改变以传授知识为目的的传统教学方式，通过对教学内容、教学方式及考核方式的改革和探索，训练学生解决问题的思维方式和方法，培养其自主研学、获取知识和团队协作的能力，并在教学过程中注重对学生进行正确价值观的引导。最终使学生能够适应网络发展时代对其能力的要求。但随着社会的发展和技术的进步，需要不断利用先进的教学理念，结合各种不同的教学手段，使机械振动基础的教学效果越来越好。

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（社会科学版），2005，21（4）.

[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）.

[3]姜伟，孙月华，侯清泉，等.“机械振动基础”课程的教学内容改革与实践[J].教育教学论坛，2015（6）.

[4]韩维，柳文林.《机械振动》课程建设的探索与实践[J].教育教学论坛，2016（41）.

编辑 冯永霞