机械振动基础课程教学模式改革

毛崎波 李奕下

摘  要 針对目前机械振动基础课程教学中存在的课堂教学效率不高、内容抽象、学生学习积极性有待提高等问题，通过教学大纲修订、制定与工程实际发展相结合的教学内容、问题式导向的教育方法、实践与期终结合的课程考核方式等一系列措施，对该课程的教学内容、教学手段和考核方式进行改革和创新。通过教学实践，学生对该课程的学习兴趣明显提升，教学改革取得良好效果。

关键词 机械振动基础;教学改革;考核方式;MATLAB;教学模式

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）04-0094-03

Abstract In the teaching of the postgraduate course of Basic of Mechanics Vibration， it is found that there are several teaching and studying problems， such as the low teaching efficiency， content abstraction and enthusiasm of students to learn. To solve these problems， the teaching reform including the revision of syllabus， the formulation of teaching content combined with engineering practice， problem-oriented teaching method， practice and end-of-course combination course assessment method have been proposed. The teaching content， teaching methods and assessment methods of this course have been reformed. Through teaching practice based on these teaching reform methods， the studying interest of the students in this course has been significantly improved， and the teaching reform has achieved good results.

Key words basic of mechanical vibration; teaching mode reform; assessment method; MATLAB; teaching mode

1 前言

机械振动基础课程作为南昌航空大学飞行器工程学院飞行器动力工程和飞行器设计专业本科生的一门重要的专业必修课，综合了高等数学、大学物理、理论力学、材料力学等多门学科知识[1]，与航空航天领域的实际工程问题有着紧密联系，教学内容主要包括振动的基本概念、离散振动系统的分析与控制方法，为解决航空领域的振动问题提供理论和方法基础。

2 机械振动基础课程教学中存在的问题

机械振动基础课程要求学生能够把振动理论应用于工程实际中。该课程有其特殊性：一方面，教学内容需要学生掌握和运用相关高等数学知识，如常微分方程求解、傅里叶级数、特征值问题等[2-3];另一方面，由于是为航空类专业开设的，因此，这门课程在讲授基本振动力学理论的同时，必须与航空类专业的培养目标相适应，使学生在学习本课程之后能够初步解决航空航天领域中的一些实际振动问题。根据多年的本科生机械振动基础课程实际教学经验，笔者总结出三点不足。

1）由于该课程综合性、理论性强，特别是讲授到单自由度系统和多自由度系统的强迫振动时，涉及大量的高等数学知识和公式推导;而且从课程安排上，由于其授课对象是大三学生，不少学生已经忘记一些大一时学的高等数学知识，因此在学习过程中普遍感到枯燥、乏味、抽象、难以理解，从而影响学习兴趣和学习效果。

2）课程的工程应用性较强，如何把工程实际问题提炼为振动模型，同时兼顾振动模型的精确性，以及振动分析的工程应用可行性？这对没有工作实践的学生而言具有一定的难度，导致学生在短时间内比较难以掌握机械振动的基本概念和研究方法。

3）以往的课程考核方式（课后作业20分+期末考试80分）不太合理，导致学生实践能力得不到恰当的考核。考虑到评价体系的标准性，以往的期末考试均采用闭卷笔试方式。试卷力图兼顾各章知识点的覆盖率，使得考核方式强调知识点的掌握情况，而忽视了本课程的基本培养目标，即应用所学的机械振动基本理论来解决航空领域的一些实际的振动问题。

3 教学改革的对策与措施

制定与航空领域工程实际发展相结合的教学内容  根据学科发展趋势和学生实际情况，研究和参考国内外机械振动课程的有关教学，删除原体系中的随机振动和非线性振动课程内容，以航空领域的振动问题为出发点重组课程。新体系加强对机械振动学科的总体认识，改进机械振动的知识构架，提炼经典机械振动内容，拓展机械振动的主动控制等新方法的知识面。全面修订教学大纲，并在2014届学生的课程教学中开始执行。

建立传统与现代相结合的教学方法  多年教学实践表明：采用传统的“教师讲，学生听”的教学方法传授书本内容，难以调动学生的学习积极性以及激发他们的学习热情。本课程根据教学内容采用适当的教学方法，培养学生的分析能力、解决问题的能力以及职业能力。因此，在传统讲授机械振动基本理论的基础之上，结合多种实践性环节来加强对科学前沿知识以及实际工程实践的补充，积极采用课堂讲授（如课堂讲授、提问、练习等）、多媒体教学、案例教学、专题研讨、课后答疑等相结合的教学方法和手段，同时引入MATLAB软件进行机械振动仿真计算，增强学生的学习兴趣，有显著的教学效果。具体的教学方法和手段如下。

1）案例討论教学。举例来说，在讲授第一章“机械振动简介”时，采用从重大历史事件到现实身边耳熟能详的小案例进行分析说明，生动形象的案例中融合了课程当中的多个振动概念以及理论知识点。如从张衡发明的地震仪、钟表的振动、常见的扬声器到航空发动机和直升机旋翼振动，从振动力学的角度说明振动问题对人们生活的重大影响。通过这些案例的学习，使得学生快速掌握一些抽象难懂的概念和理论，并形成和保持对机械振动问题的持续关注和强烈求知欲。同时，根据这些案例，结合相关领域的前沿动态，提出一些讨论专题，让学生根据自己的兴趣进行分组选题，查阅文献，搜集资料，制成幻灯片和报告进行交流讨论，从而促进学生系统查阅文献的能力、文字编辑能力、语言表达能力，加深学生对相关知识的理解和把握。

2）问题式导向教学。在教学教改活动实践中，针对本课程的一些特点（如先修课程多、基本概念复杂、学科交叉多、较强的工程应用背景等），自行创立问题式导向教学方法（如图1所示）。问题式导向教学方法的核心思想是：学生针对某一生活或者工程领域中的振动问题，通过本课程学习，能够提出一个完整的解决方案，并分析在解决一个振动问题的同时会否产生新的其他振动相关问题？学生在学习过程中需要授课教师在讲解每一个划分的内容之前提出问题、讨论问题，从而带动学生的学习兴趣。如课堂上提出“为什么地震时建筑物容易倒塌”“为什么我们能听到声音”“航空发动机如何隔振”等问题，从耳熟能详的生活现象和航空领域问题自然转到对振动问题的分析，这是问题式导向教学的第一步，即让学生带着问题学习相关振动知识。

在此基础上，教师引导学生把问题提炼为振动力学模型，即通过讨论练习，对所学知识进行强化并得到应用;在提出问题并建立振动力学模型的同时，引导学生应用之前所学的数学知识进行数学建模，同时应用MATLAB软件进行求解，并进行工程上的可行性分析，从而让学生把振动问题与所学专业、工程应用等方面进行融会贯通、学以致用。

结合教学内容开展学科前沿报告  在原课程主要理论的基础之上，补充和增加国内外最新的振动主动控制的内容。在课堂教学中增添振动问题在航空航天领域的工程应用实例，并逐年融入本教学队伍的最新科研成果以及国内外振动领域的热点问题，从而激发学生对该课程的兴趣和思考。

同时，在课堂上和课后为学生开展结合课程教学内容的学科前沿报告，结合相关课程内容介绍机械振动学科前沿课题，如振动主动控制、飞行器压电智能结构等研究热点内容，引导学生的思维和研究兴趣，激发很多学生的学习热情;结合课程内容讨论社会热点问题，如联系目前流行的可穿戴设备，结合可穿戴设备基于振动信号的传感机理进行讲授，让学生感受课程的现实意义。

平时、实践与期终结合的课程考核方式  为鼓励学生在平时课堂与实践活动中的积极表现，在考核知识点的基础上，重视学生的能力考核和平时考核，应用多样化考核手段，推行教学全程考核法。将考试成绩制定为平时成绩、实践成绩和期末成绩的加权平均，其中平时（课后作业、课堂表现）成绩占20%，实践成绩占30%，期末成绩占50%。在平时考核中，根据学生参与课堂活动的表现，包括提交的作业和案例分析报告、在课堂上所作的案例分析演示、参与互动讨论等表现，综合小组评分与教师评分给出成绩;在实践考核中，根据学生的独立动手能力、实验报告和课程小论文给出成绩;在期末考试中，强调对于机械振动问题的基本概念的理解、振动问题的分析能力以及解决能力。注重对基本概念的考查，增加开放性辨析题和案例分析题的比重和难度。通过评价方式的引导，使学生注重平时的学习，结合实际进行主动和独立的思考，并培养其团队合作意识与能力。

4 结语

针对南昌航空大学飞行器工程学院本科生机械振动基础课程教学过程中存在的内容抽象、学生学习效率不高等问题，提出通过教学模式创新、理论与工程实际相结合、考核方式改进等措施，发掘一批优秀的、富有创造力的学生。例如：有部分学生通过本课程教学，考虑如何抑制飞机高速滑行时的摆振问题;有的学生考虑如何收集人体运动带来的振动能量给手机充电;不少学生表达了对机械振动问题的浓厚兴趣和进一步深造的求学意愿;有的学生撰写了有一定质量的课程小论文[4]，发表在相关学术刊物上，这在地方高校的本科学生中还是比较少见的……通过教学改革，使学生摆脱学习的枯燥乏味，能够学以致用，不但让学生学习相关科学知识，而且进一步引导学生应用科学方法解释和分析问题，培养学生的科学思想，从而提高学生的科学素质。

参考文献

[1]路纯红，白鸿柏.提高《机械振动》课程教学效果的几点思考[J].教育教学论坛，2012（26）：15-17.

[2]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）：59-60.

[3]潘玉娜.机辆工程专业《机械振动基础》本科课程教学实践与思考[J].课程教育研究，2017（34）：225-226.

[4]李戈，时志高，谢奇之，等.基于Mathematica对保守双摆的研究[J].南昌航空大学学报：自然科学版，2016，20（3）：40-43.