基于创新能力培养的“振动力学”课程教学改革探索

李海艳 李延强 于卫霞 田瑞兰

摘 要：培养创新型人才是高等教育的重要使命，教学内容的革新与优化是影响大学生创新能力培养的关键因素。本文基于“振动力学”课程，开展学生创新能力培养的教学内容改革探索。首先分析“振动力学”课程教学中存在的问题;然后通过引入最新工程实际案例、实验方法、数值模拟等现代科学技术的新内容、新成果和新思想，更新课程内容;最后通过应用前后两届学生成绩对比，验证了应用效果。本文的探索培养了学生的创新思维能力，以及运用所学知识解决实际工程问题的能力。

关键词：振动力学;教学改革;应用效果;创新能力

中图分类号：O32  文献标识码：A

当今世界正处在知识经济时代，各行各业在激烈的竞争中，越来越依赖于人才的创新能力，创新已成为国家和民族兴旺发达的动力之源。高等教育肩负着传承知识、培养人才、推动社会进步和发展的重任，培养和造就推动社会发展和进步的具有创新精神和创新能力的创新型人才，是时代发展赋予高等教育的重大历史使命[1]。课堂教学仍是目前我国高等教育的最主要形式，教学内容的质量直接影响着大学生创新能力的培养。因此，培养大学生的创新能力必须从课堂教学的教学内容改革入手。

本文基于“振动力学”课程，通过优化课程内容，进行学生创新能力培养和提高的探索实践。“振动力学”通过数学、实验和数值计算等方法，探讨各种振动现象的机理，阐明振动的基本规律，为解决实践中可能产生的振动问题提供理论依据。“振动力学”是力学专业本科生的主干课程之一，也是一门与机械、航空、航天、土木等工程密切联系的技术基础课。通过本课程的学习，学生不仅可以全面地认识工程结构的振动规律，而且有助于认识自然和工程中的振动现象，培养正确分析问题、解决问题的能力，有助于培养辩证唯物主义的世界观和方法论，并为解决工程振动问题和从事科学研究工作打下坚实基础[2]。

1 “振动力学”课程教学存在的问题

我校工程力学本科专业“振动力学”课程理论授课学时为48学时，主要授课内容包括单自由度系统的振动、多自由度系统的振动、振动问题的实用近似解法、连续系统的振动。单自由度体系的振动是多自由度体系振动和连续系统振动的基础，多自由度体系振动的核心内容是振型的概念以及振型叠加法，连续系统的振动是多自由度系统振动的延伸。工程中多数振动问题可采用线性振动理论解决，所以，本科阶段对“振动力学”知识的掌握对学生未来解决工程振动问题或从事科学研究意义十分重大。

“振动力学”课程理论繁杂，公式推导严谨，要求学生具有很好的数学和力学基础。传统的教学方法过于偏重理论知识的传授，普遍存在以下几方面的问题：（1）学生对于“振动力学”中大量的物理概念缺乏直观、形象的认识，课堂讲解缺乏实验的参与，难以激发学生的学习热情。（2）教学模式单一，理论与工程实践联系不够紧密，缺少大量与实际工程相关的案例，因而无法激发学生在工程振动问题应用上的兴趣。（3）“振动力学”学习过程中理论计算与数值模拟的对比分析不够，学生利用大型有限元软件分析解决“振动力学”问题的能力有待提高[3]。

针对上述问题，在“振动力学”课程教学中引入实验方法、工程实际案例、数值模拟等现代科学技术的新成果、新思想和新手段，可有效提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，培养具有创新思维和创造能力的高素质创新型力学人才[4]。

2 “振动力学”课程教学改革

理论分析与实验验证、数值计算相结合，不但是力学发展的规律，也是增加学生学习兴趣、提高教学效果的必然选择。因此，“振动力学”教学内容有必要与实验、工程实际及工程应用软件相结合，充分发挥学生的主观能动性，培养学生的创新思维和创新能力[5]。

2.1 教学内容与实验结合

“振动力学”课程工程背景强、物理意义明确，将理论讲解与试验教学相结合可以加深学生对知识点的理解，培养学生的动手能力以及独立分析和解决问题的能力，为将来从事科学研究和工程服务奠定基础[6]。

以单自由度系统受简谐激励的幅频特性曲线及其特征为例。单自由度系统对简谐激励的稳态响应为频率等同于激励力频率而相位滞后于激励力的简谐振动，其幅频特性曲线反映了幅值随激励力频率和阻尼比的变化规律，通过对曲线的分析可以确定系统的固有频率和阻尼比。由于曲线反映的规律不易理解，讲解本部分内容时，通过相应的实验，让学生动手测出系统的速度幅频特性曲线，并引入“半功率点”法确定系统的固有频率和阻尼比。结合实验讲解由幅频特性曲线确定系统固有频率和阻尼比的原理，学生易于接受，且对曲线变化规律的理解也更为深刻。通过实验还可让学生接触到“振动力学”实验相关的试验仪器，比如振动实验仪、激振器、拾振器等，掌握这些实验设备的操作技能。

2.2 教学内容与工程实际结合

“振动力学”所讨论的问题多数来源于工程实际，教学内容中适当引入工程案例的讲解，引导学生进行思考和讨论，有助于培养学生运用理论知识解决实际工程问题的能力，达到提高学生的创新能力培养的目的[7]。

以“减震与隔振”内容的讲解为例。学生先要明确振动有其有利的一面，也有其有害的一面，为避免或减少振动的不利影响，工程上常采用隔振的方法，具体做法是在振动物体和研究對象间加入一些垫层，以使振动物体的运动不能完全传递到研究对象上。结合本部分内容，引入工程案例：某车间屋顶上装有一台通风机，如下图1（a）所示，风机正常工作时振动强烈，电机多次烧毁、零部件损坏、厂房开裂、环境恶化。要求分析原因，并采取有效措施进行改善。

抛出问题后首先引导学生分析问题的症结，即缺少相应的隔振措施。通过分组讨论和提问的方式，让学生各抒己见，发表个人的看法并制定可行的改善措施。最后公布案例采用的方案：安装公共机架，增加机架质量;用减振器支承机架，隔离机架与屋顶钢架。改造后风机布置如图1（b）所示。（1）改造后振幅减为原来的1/3;（2）零部件不再意外损坏;（3）振幅降低，耗电减为原来的70%;（4）由于添加了减震器，振动产生的噪声明显减小，环境大大改善。如此，可以有效激发学生的求知欲，让学生明白利用所学知识可以切实解决现实工程中的问题，达到学以致用。

2.3 教学内容与工程软件结合

目前，有限元软件的应用已成为科学研究和工程计算的必要手段。Matlab和Ansys是我校工程力学专业本科生开设的两门软件必修课程，将“振动力学”中的知识点提取出来，让学生用有限元软件进行分析，并与理论结果进行对比，可以加深学生对知识点的领悟，对学生实际操作能力和创新能力的培养大有裨益。

以简支梁固有频率和模态计算为例。某简支钢梁计算跨度l=10m，截面为工字型，截面面积A=11.225×10-3m2，截面惯性矩I=4.5685×10-4m4，要求学生用“振动力学”知识计算该简支梁的固有频率和模态，同时采用有限元软件进行建模计算，并将理论计算结果与软件模拟结果进行对比分析。本题理论求解结果为：固有圆频率表达式ωi=iπl2EIρA，模态函数φi（x）=siniπlx，其中，i=1，2，3…表示阶数，E为钢材弹性模量，ρ为钢材密度。我校工程力学专业本科生多数同学选用Ansys进行建模，前四阶固有频率理论与模拟结果的对比见表1，有限元模拟的前四阶模态见图2。

本题有限元建模过程考察了学生对所学软件的应用能力，同时通过图2模态可以更直观地了解简支梁前四阶模态形式。由表1对比分析发现，低阶频率误差较小，高阶频率误差较大，可见，对应于低阶频率，数值分析完全可以满足精度的要求。

3 应用效果分析

“振动力学”课程教学结合实验、工程实际案例和数值模拟在2017级1、2班共56名学生中进行了应用，得到了学生的认可。问卷调查得知：学生总体较满意的比率占到了约90%;学生认为自己理论联系实践能力得到提高的比率为65.5%，分析解决问题能力得到提高的比率为776%，自主学习能力得到提高的比率为72.8%，团队协作能力得到提高的比率为69.3%。将应用前后的2016级与2017级学生成绩分析对比于表2。由表可知，2017级学生成绩总体优秀率提高1%，良好率提高21.83%，中等率提高218%，不及格率下降10.72%，学生总体成绩明显提高。

可见，通过“振动力学”教学内容的革新与优化，可有效提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，充分调动学生学习的积极性与主动性，增加教师和学生间、学生和学生间的互动性，有效促進了学生发散思维能力和协作交流能力的培养，提高了教学质量，取得了良好的效果。

结语

教学改革是一个长期而艰巨的任务，一门课程教学内容的完善需要通过教学实践不断锤炼，应结合科学技术的发展，不断增补新内容，敢于尝试新方法。本文以学生创新能力培养为出发点，探索了我校工程力学专业“振动力学”课程教学内容的改革方法。将“振动力学”教学内容与实验教学、工程实际及工程软件相结合，有效地激发了学生的学习兴趣，活跃了课堂气氛，充分践行了“以学生为中心”的教育理念，培养了学生的创新思维和实践能力。但教学改革永远在路上，有关“振动力学”教学内容、教学方法、教学手段等方面的改革探索仍需持续推进。

参考文献：

[1]王章豹，张宝，陈翌庆.工程哲学视域下卓越工程人才培养体系的构建[J].中国大学教学，2019（05）：2933+42.

[2]于开平.振动力学相关课程设置及教材分析[J].力学与实践，2017，39（02）：185191.

[3]陈立群.《趣味振动力学》评介[J].力学与实践，2012，34（02）：104.

[4]林健.新工科专业课程体系改革和课程建设[J].高等工程教育研究，2020（01）：113+24.

[5]朱守芹，毕全超，赵文娟.应用型人才培养体系下的力学课程体系改革研究[J].教育与职业，2013（24）：142143.

[6]禹见达，张湘琦，彭剑.振动力学中工程案例模型化实验教学的特点与实践[J].当代教育理论与实践，2017，9（12）：6669.

[7]孟昭霞.实验教学在学生创新能力培养中的作用[J].现代大学教育，2018（05）：9297.

基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目“面向工程基于创新能力与思政素质提升的基础力学教学改革与实践”（编号：2020GJJG170）;石家庄铁道大学高等教育教学研究项目“‘一流专业’建设背景下一般院校工程力学专业改革与实践”（编号：Y20202）;河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于创新能力培养的力学课程改革研究”

作者简介：李海艳（1984— ），汉族，河南商丘人，工学博士，石家庄铁道大学工程力学系副教授，教学副主任。