新工科背景下的机械动力学课程教学新模式

黄毅 唐宏宾 何志勇 周振华

[关键词]新工科;机械动力学课程;教学模式;课程改革

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，并发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》《教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。该计划一经提出，立即引起全社会的广泛关注。目前各行各业都在思考如何围绕新工科建设的内涵要求，推动新工科人才的培养。教育行业也在积极探索。张安富等探讨了在“中国制造2025”背景下如何建设新工科的问题。刘吉臻等通过解析新工科和新工科建设的内涵，探讨了行业特色型大学的新工科建设。李波贝等撰文探讨了新工科背景下地方高校应用型人才培养模式。张孟玫等以工程制图课程为例，提出了以问题驱动新工科教学改革。罗忠以东北大学机械工程专业培养体系改革为例，对国内外开有机械工程专业的主要知名院校的主导研究方向和主干课程设置等情况进行对比分析，提出了新工科背景下机械工程专业培养体系改革的体会。尤佳等基于新工科建设的要求，在数字电子技术课程中进行了教学模式的探索。吴涛等通过分析新工科背景下的机电专业特点与实践教学理念转变，探索了新工科背景下的机电专业实践教学改革的新思路和新方法。王伟等探讨了采用理论、实验和科研相融合的分析方法对提高机械动力学教学质量、提升学生动手能力、发展科研探索的价值。华秀梅从学理和实践两个维度出发，开展了大思政视域下高校思政课理论教学与实践教学协同融合研究。王文东等重点研究了新工科背景下基础实验教学模式的改革方案，提出了综合创新实验体系建设的实施方式。

笔者具有多年从事机械动力学课程教学和工程项目研究的工作经验，近年来结合新工科背景要求，对机械动力学课程的教学模式进行了深入的思考，将新媒体平台、新工程案例资源有机嵌入机械动力学课程教学过程中的若干环节，大大提升了课程教学效果。

一、传统课程的特点及存在问题

（一）特点

现代机械不断向高速、轻质、高精度、高效率、智能化方向发展，对机械系统动力学性能提出了更高的要求。对机械类专业学生而言，机械动力学是一门非常重要的专业课程，以往是工科硕士生学习的课程，现在许多高校已将其作为本科生课程。

机械动力学课程具有以下特点：（1）课程所涉及的基础理论知识非常宽泛，其大量的理论来源于理论力学、材料力学、结构力学、高等数学、线性代数等基础课程。（2）课程所包含的知识点与机械设计、机械原理和现代制造方法等专业课程有交集。（3）这是一门具有很强工程应用背景的技术基础课程。对于本科生而言，这些特点会带来学生听课似懂非懂，知其然而不知其所以然，不能把这门课的知识转化为解决实际问题的能力等一系列问题。除此之外，长沙理工大学机械设计方向是以工程机械为特色的，工程机械中各种柔性承力结构、动力传动结构等关键零部件的动态特性，对复杂工况下工程机械的振动、噪声、使用寿命都有重要影响。因此，学生无论是在学习过程中，还是在今后的工作实践中，对工程机械的动力学分析及应用都是必不可少的，有着举足轻重的作用。

（二）存在问题

目前，国内高校机械类本科教育中开设的机械动力学课程存在以下共性问题：（1）教学内容没有紧扣工程应用，缺乏通过工程实例进行讲解，使学生难以理解课程内容的工程背景和目标。学生由于长期习惯进行理性思维和严密的理论推导，同时缺乏工程实际经验和形象思维训练，因此不能充分理解解决工程问题的直接目标，抓不住要领。（2）由于机械动力学课程内容具有较深的理论深度，教师在进行课堂教学中，主要采用大量的数学公式进行推导，较少采用基于现代仿真工具的更为直观的动画仿真结果，更少结合直观实体模型和实验结果来对比说明，这就使得课程内容抽象、深奥晦涩，学生学习的动力明显不足。（3）传统教学对专业课的理解和认知囿于片面化，侧重于一板一眼的说教，满足于对冗长深奥理论的复述，课堂往往流于机械化、刻板化，没有将专业知识与思政元素紧密结合起来，没有用生动的工程经验和实践案例来进行阐发。以这种方式授课，难以调动学生的学习积极性，无法取得令人满意的教学效果。由于上述课程特点和存在问题，授课教师觉得“难讲”，学生更是觉得“难瞳、难理解、难以应用”。所以，探索能够激发学生兴趣、具有工程特色、适应学生学习特点的教学新模式，是机械动力学课程建设的目标。

二、新工科背景下的教学新模式探索实践

在新工科背景下，将新媒体平台、新工程案例资源有机嵌入机械动力学课堂教学过程中的若干环节，能使学生处于“主动、开放、较自由的状态”。这種主动、开放、自由的状态体现了学生的主体地位，学生在这种状态下进行学习，积极性将得到很大的提升。本文以机械动力学课程中的动力减振原理为例，详细阐述该教学新模式的应用实践。

（一）结合工程案例启发

很多日常自然现象和工程实践都渗透着机械动力学的知识，可以充分利用这一特点，将世界上一些著名的工程和现象展现给学生，以激发学生学习的兴趣，增强学生学习动力，启发学生进行思考，为后续理论课程的教学奠定基础。

教师上课前可通过雨课堂平台向学生推送相关工程案例背景资料（图1），上课时首先展示“地震时的高层建筑”视频材料，让学生身临其境地感受到地震对高层建筑破坏的严重性，顺势向学生提出如何解决高层建筑的抗震问题。接着，展示“台北101大楼减震器”相关新闻报道的视频、文字材料，启发学生从工程问题中思考其中运用的动力学原理，让学生带着疑问走进课堂。

（二）丰富课堂教学内容

充分利用各种教学资源的优势，将其灵活引入课堂教学环节中，形成包括工程需求、理论分析、仿真分析、实验验证、工程应用等模块的闭环教学内容模式，以丰富的教学内容激发学生的学习兴趣，加深学生的理解。

课前推送工程案例材料，引导学生对工程需求进行深入分析，从工程问题里提出科学问题。结合动画等形式，对研究对象进行模型简化，并考虑动力减振方案，开展动力减振原理的理论分析。基于理论分析结果，使用动力学仿真软件AMDAS搭建动力学仿真模型，在课堂上开展动力减振原理的演示并分析仿真结果，加深学生对理论知识的理解。借助制作好的高层建筑模型（柔性框架模型）和动力减振装置（单摆装置）等简易实验装置，从直观实验角度对动力减振原理进行验证，通过对比实验的振动曲线清晰、直观地展示“动力减振”装置的效果。最后，将课堂讲授的理论回归到实际的工程应用，完成动力减振原理的闭环教学。

（三）融入课堂思政教育

教师在课堂上除了讲授专业知识，更重要的是培养学生的自主学习能力与专业素养。这些能力的养成并不是思政教育或者专业课程能够单独实现的，而是需要学生在潜移默化中逐渐养成。在专业课课堂上有效开展思政教育，必然能夠实现思政教育和专业技能培养的双赢。

教师通过讲述摩天大楼发展历史，告诉学生我国摩天大楼从无到有再到"2018年48%的世界摩天大楼在中国”的故事，这些成绩离不开广大机械动力学科研工作者的不懈努力，然后引出我国工程院院士、著名工程非线性动力学专家陈予恕在解决工程振动中的故事，并通过介绍他在机械动力学中的重要贡献和寄语来激励学生。

（四）注重学习整体效果

课堂提问是学生向教师反馈学习效果、教师对教学效果自我认知的主要方式。通过随机抽样的方式来开展课堂提问在一定程度上能够客观反映学生知识吸收的情况。但是，抽样的数量有限决定了其研究结果无法全面、客观反馈实际情况。样本数过少，个例难以代表整体情况;样本数过多，影响课堂教学进度，耽误教学时间。课堂提问无法面面俱到的缺点，难以让所有学生全身心投入师生的互动中。

教师利用雨课堂平台，将需要随堂测试的题目设置在教学PPT中。教师在课堂教学过程中，根据知识点的讲解情况，可以选择将题目发送给学生，学生在手机上即可查看并在规定的时间内解答、提交答案。教师可随时查看学生答题的情况，并将答题的结果在PPT上显示，还可以附上答案解析，以备学生课后复习巩固查看。教师根据答题情况，可针对性地对学生掌握知识的情况进一步进行纠正和总结。这样可以做到实时、整体把握课堂教学效果，及时进行教学进度和内容的调整，同时也提高了全体学生参与课堂答题的热情。

（五）强化师生互动交流

新媒体为我们提供了公共交流平台，学生可以不受时间和空间的限制，有任何问题都可以随时随地地和授课教师进行互动交流，这就很好地辅助了课堂教学，将其从课堂延伸到课外。同时，新媒体平台也是反馈平台，授课教师能够从中了解学生对课程知识的掌握情况，学生可以通过平台向授课教师提出建议，从而促进课堂教学。

三、新工科背景下教学新模式探索实践的效果

在新工科背景下，将新媒体平台、新工程案例资源有机嵌入机械动力学课程课堂教学过程中的关键环节，极大地提高了课程与工程的紧密联系程度。该教学新模式自从2018年开始在长沙理工大学机械类本科教学班级进行尝试。学生在接受调查时普遍反映这种教学模式激发了他们的学习兴趣，学习效果有了较大提升。对比长沙理工大学教务系统关于选修该课程的学生对该课程的评价数据，发现学生对该教学新模式的满意度比传统教学模式有了较明显的提高，“很满意”评价占比从15.2%上升到33.82%，“满意”评价占比从46.79%上升到60.26%。

新模式的实施使学生对动力学理论知识的工程应用认知水平、实践能力有了明显的提升。这些在机械类本科学生的课外科技创新活动中有所体现，其科技作品中加入机械动力学的内容占比明显增多，作品的质量也得到提升。在第八届全国大学生机械创新设计大赛、第十三届全国大学生智能汽车竞赛、第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛、第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中，长沙理工大学所取得的成绩有明显进步。实践表明，新工科背景下的机械动力学教学新模式探索取得了良好的效果。

四、结语

机械动力学对机械类专业学生而言是一门非常重要的专业课程。针对这门课程的教学存在的工程实际应用联系不紧密、学生学习积极主动性不够、思政教育与专业教育脱节等问题，长沙理工大学汽车与机械工程学院近年来大大加强了对这门本科生课程的改革。在新工科背景下，将新媒体平台、新工程案例资源有机嵌入机械动力学课程课堂教学过程中的关键环节，开展了以结合工程案例启发、丰富课堂教学内容、融入课堂思政教育、注重学习整体效果、强化师生互动交流为特色的教学新模式的应用实践探索，有效地提升了课程的教学效果。