“机械振动”课程项目化改革与创新实践

郑恩来，姚昊萍，周永清，薛金林

（南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031）

一、“机械振动”课程教学模式探索

围绕新时代“不忘初心﹑牢记使命”的主题，高校采取一系列重大举措，以社会主义核心价值观为引领培育新时代人才。新时代人才不仅要掌握扎实的基础理论知识，还要能够紧跟时代发展的步伐，了解相关领域的前沿科学，具备不断提高解决实际问题的能力和创造力［1］。因此，从教学模式改革与创新的角度出发，探索建立“机械振动”课程教学内容与实际科研项目紧密结合的教学模式［2］，使学生在掌握基础理论知识的同时对其如何在科研中应用有更深层次的理解，以提高教学质量。

随着农业机械制造业的发展，国内农业机械正处于现代化转变的关键阶段，持续提高农业机械化水平，推进农业机械化发展是当下重要的目标。而传统的农业机械课程教学方式方法存在不足，难以满足新时代农业机械专业人才的培养要求，应改革农业机械课程的教学方式方法。为适应新工科发展理念，加快农业机械化和农机装备产业转型升级的需要，在学校农业特色世界一流大学的建设目标下，“机械振动”课程应适应生产实际的需要，综合应用数学和计算机技术等学科知识，从农业机械工程实际的角度对机械振动的有关理论进行讨论，使学生在掌握基本理论的基础上，能够将农业工程中的实际机械系统抽象为力学模型，并以此为基础，完成对机械系统振动特性的分析。经过多年的课程教学探索，结合机械制造及其自动化专业的教学实际和教学情况，对本专业的“机械振动”课程进行项目化改革和实践，教学效果得到改善，教学质量获得提升。

二、“机械振动”课程改革和创新的必要性

“机械振动”是机械设计制造及其自动化专业的基础专业课，同时也是本科生进修读研的理论基础和重要方向。本课程的教学目标为：掌握机械振动领域的基本理论知识﹑基本模型和分析方法，初步了解机械振动在工程领域的应用。通过对实例的研究，引导学生运用振动理论解决实际问题，特别是提高学生面对工程振动问题进行力学建模分析的能力，帮助学生在理论知识与实际工程问题间建立联系，为其从事相关工作或开展科学研究提供指引。

本课程的授课对象为机械设计制造及其自动化专业的三年级学生，该年级学生已对本专业基础知识有较为全面﹑系统的认识，已具备分析简单问题的能力，并且该年级学生在本课程所在学期也学习了“机械设计”“控制工程”等必修课程，对“高等数学”“线性代数”“理论力学”及“材料力学”等先修课程也有一定基础，但缺乏运用数值算法求解微分方程的经验，导致学生对该课程普遍产生畏惧心理。此外，学生需要一定时间熟练和巩固本课程中所涉及的先修课程知识，存在一定的难度。

目前，在“机械振动”课程教学中，主要存在以下问题：（1）理论课模式单一。由于课程综合性﹑理论性强，知识点多且复杂。因此，理论教学部分主要以教师讲授为主，学生被动接受，教学手段单一，导致学生在学习的过程中，疲于记忆知识点，无法深入思考，学生的主观能动性不高［3］。（2）实践课脱离学生专业知识背景。由于课程所用教材适用于多个专业，欠缺立足于学生专业背景的实践内容，针对性不强，无法最大限度地激发学生的学习兴趣；实践课主要以验证性学习为主，学生通过完成教材上的实例加深对理论课知识点的理解，而对于与学生专业背景联系紧密的具体工程问题的数学建模﹑特性分析和数据的后续处理能力的培养有所欠缺［4］，无法体现对学生工程系统能力的培养，导致学生自主性和参与性不足，没有加入自己的理解﹑思考和创新。（3）缺乏激励作用的考核方式。以平时作业和期末考试构成的课程成绩考核方式，导致成绩优秀者往往只善于考试和做题而缺乏创造性思维，忽略了学习的本质，难以培养出富有创新精神和实践能力的高级专门人才。

综上所述，“机械振动”课程的教学方法﹑教学模式科学得当对学科发展和人才培养尤为重要。要解决上述问题，课程的改革和创新势在必行。笔者在长期的教学探索中，从理论教学和实验教学两个方面进行改革，重新制定了与培养具有社会主义核心价值观的新时代人才要求相适应的课程建设总体目标［5］，并为之构建了“机械振动”课程项目化的课程体系，以及考虑学生差异化的教学考核评价方式。

三、课程建设思路与规划

（一）课程建设总体目标

为解决“机械振动”课程教学中存在的问题，实现对学生从基础教学层﹑应用基础教学层到应用教学层逐步螺旋阶梯式上升的培养模式，确定“以知识掌握为基本﹑以能力培养为核心﹑以工程素质为目标”的课程教学定位，并制定了相应的课程教学目标，如图1所示。基础教学层﹑应用基础教学层以及应用教学层相辅相成，兼顾研究创新和工程应用两大需求，可促进培养具备自主探索能力的创新型和应用型复合人才。通过对本门课程的学习，学生掌握机械系统振动的基本理论知识和分析方法，培养学生对复杂工程问题进行力学建模﹑运动规律分析和应用振动理论解决工程实际问题的能力，使学生具备自主学习﹑创新研究﹑工程实践及团队协作的素质，为学生提供发挥自身创新潜能的空间［6］。

图1 课程建设总体目标

（二）教学实践创新理念及思路

当前农业类高校普遍面临如何提高创新型人才培养质量问题。针对该问题，可从教学模式﹑教学内容﹑教学方法以及教学评价等方面引入创新理念，通过一系列教学实践提高学生专业水平﹑增强研究能力﹑加强合作意识﹑塑造优秀品格，从而进一步提高创新型人才培养质量。教学实践创新理念与思路主要包括以下四个方面。

1.教学模式的创新。教学模式在各教学环节和实践中起指导作用，对课程项目能否顺利进行以及实现预期目标有重要影响。在“以学生为中心”的教学理念的指导下，本团队以学生培养模式为切入点，根据因材施教的原则，构建了“三层次”螺旋阶梯教学培养模式，使学生以自我认知为导向，在选择培养阶段方面增强其自主性，为学生提供差异化﹑阶梯化﹑个性化﹑多元化的发展方向。“三层次”螺旋阶梯教学培养模式改进了传统的“一刀切”式教学模式，有利于凸显学生个性，锻炼学生创新能力，培养一批具备严谨科研态度﹑扎实研究能力的创新型人才，间接提高了教学效率和效益。

2.教学内容的创新。教学内容是教学活动的核心和主干，而教学思维的创新更是教学内容创新的关键，任何教学改革和创新的提出者﹑推动者和践行者，都须具备先进的教育思维和见解。考虑到当代大学生面临日新月异的就业环境，除了扎实的理论基础外，还需要有创新能力。为此，本团队突破传统思维方式的禁锢，结合自身工作经验，将科研项目课程化，将课程知识工程化，推动研究式教学，发展学生的自主创造力和第一生产力，着重能力培训，并融入思政元素，真正实现产教融合一体。

3.教学方法的创新。教学方法是教学理念与教学内容的载体，合理的教学方法有助于授课教师完成教学内容和目标，调动学生积极性，发挥学生的主体作用。传统的教学方法存在一些弊端：难以调动学生学习积极性和自主学习兴趣；注重知识传递，忽视知识应用，导致学生重理论轻实践；教学方法指向性﹑封闭性强，缺乏灵活性，无法为学生提供自主选择空间。对此，本团队基于产出为导向的专业认证理念，构建以启发式﹑项目式及对比式教学方法为基础的多元化教学体系。其中，启发式教学引导学生进行更多的自主探索，项目式教学将丰富的实践内容课堂化，提升学生运用理论知识解决实际问题的能力，对比式教学为学生提供更丰富的体验，突出未来的发展方向。多元化教学体系在培养学生的自主学习﹑创新研究及工程应用能力方面具有极大的优势。

4.教学评价的创新。一方面，教学评价可以督促学生学习和探索，对提升教学效果发挥积极作用；另一方面，有利于探究高效的教学模式，通过从不同的考核形式中得到的结果，分析不同教学方法的优劣，经过融合和改进，找到最合理的教学模式。采用多样性考核评价可对基础层次﹑创新层次和拔尖层次的学生实现因材施教。

（三）课程教学设计

1.构建课程内容与科研项目双向转化的课程教学体系。“机械振动”课程主要阐述机械系统的动力学建模方法﹑响应求解﹑振动规律分析等知识，其理论性强，知识点多，教材上的每一部分知识点看似独立，实际上却按照一定的逻辑相互联系。学生要解决某个实际工程问题时，往往需要将知识点有机结合起来。因此，在教学中，从解决实际问题的角度出发，驱动学生学习，更加符合学生的学习规律，不仅使学生快速体验到学以致用的好处，还能加深学生的理解和记忆，提高学习积极性，引导学生主动思考与自己研究方向相关的问题，从而提升学生的独立科学研究能力。一方面，本课题将课程教学内容分解成“基础知识”“基本技能”“综合应用”三个层次模块，实现课程内容的项目化；另一方面，立足于学生的专业背景，引入与课程知识点高度关联﹑综合性强﹑难度适中的具有实际工程背景的科研项目，将项目分解成多个低阶的案例支撑课程中“基础知识”模块所包含的知识点，又通过项目将知识点串起来，实现知识点的有机整合，实现科研项目的课程化。为实现课程内容项目化与科研项目课程化的双向转化，构建的课程体系如图2所示。在教学中，通过从简化振动问题中抽象的物理概念，包含单一知识点的低阶案例，到多知识点综合运用的高阶项目，完成教学的层次化﹑阶段性﹑递进性推进，实现从基础教学层﹑应用基础教学层到应用教学层逐步螺旋阶梯式上升的培养模式。真正让学生在“做中学”，实现产教融合，培养学生提出问题﹑分析问题及解决问题的能力。

图2 课程内容与科研项目的转化关系

项目的选取和设置是整个课程体系的关键，既要考虑教学知识点的融合和嵌入，难度的层层递进，又要立足于学生的专业知识背景［7］。因此，对于“机械振动”课程而言，一个匹配度高的项目在课程教学中必须具备以下作用：通过引进项目将振动问题中抽象的物理概念具象化；以解决项目中的具体问题为目标，实现知识点的概括与总结；有助于培养学生理论联系实际的能力以及工程实践能力，推动实现从验证科学规律到发现科学规律的转变。

基于此，项目选择与课程知识点高度关联﹑综合性强﹑难易适中的轮式拖拉机CF700作为分析对象。理论教学中，主要完成对拖拉机多体物理模型的简化及其力学分析，并建立相应的多自由度系统的振动微分方程，获得微分方程的解析解。实践教学中，在Matlab平台上利用龙格-库塔法或Simulink计算，求解微分方程的数值解，求出系统的各阶固有频率和模态振型；研究悬架位置（前桥﹑驾驶室﹑座椅）和形式（被动﹑半主动及主动）对拖拉机振动特性的影响规律。

项目的实施不能一蹴而就，必须符合教学规律，由点到面，由易至难。对此，根据课程中知识点的逻辑关系，设置支撑项目的案例。案例设置的目标主要实现知识点的简单应用，引导学生通过学习各知识点，理解和掌握机械振动的基本原理和分析方法，为后续课程中项目的完成打好理论基础，做好必要的实践准备工作。例如，在教学中，分别设置座椅﹑驾驶室及拖拉机整体单自由度系统和两自由度系统的案例，建立相应系统的运动微分方程，求解系统物理量的解析解和数值解，分析系统响应特性，理论和实践两个角度相结合，加深对振动系统本质的理解，建立和分析拖拉机项目多自由度系统的模型，完成前期的知识储备和技能训练工作。

2.教学方式。“机械振动”课程综合了数学﹑物理学﹑机械学﹑力学等多门学科知识，与科学研究和实际工程问题有着密不可分的联系，突出表现在要求学生既要掌握基本的振动理论，又要掌握这些基本理论在工程实际中的具体应用［8］。因此，在教学过程中要注重将理论讲授内容与实际科研项目相融合，培养学生发现问题﹑解决问题的能力，使学生成为兼顾理论学习与实际应用的复合型人才。

如图3所示，在教学组织过程中，综合运用启发式﹑讲练结合式﹑同类对比式及项目化等多元教学方法，并采用线上线下的混合教学模式，培养学生自主学习﹑创新研究及工程应用三方面的能力。采用项目驱动方式，运用多元化教学方法引导学生自主学习﹑自主创新﹑自主实践。

图3 多元化教学方法

3.课程教学的实施。将“机械振动”课程的32学时分配为线上自主学习8学时和线下教学24学时，线上和线下课程穿插进行。线上学习借助超星学习通平台，讲解﹑梳理相关基础理论的知识点，培养学生自主学习的能力；线下教学包括疑难知识点的讲解﹑各知识点的概括和总结，并引导学生完成案例和项目的实施，实现知识点的综合应用，培养学生创新研究及工程应用的能力。教学流程主要分为两个阶段：第一阶段，教师通过学习通平台发布学习任务，学生按照时间点以适合自己的节奏学习教学视频，思考与知识点相关的案例的分析计算，与此同时，安排线下课程，教师对案例的分析计算给予指导和答疑，要求学生独立完成案例的分析计算报告。第二阶段的学习以小组为单位进行，每组由3～5名学生组成，推选出一名组长。教师在学习通平台发布项目，项目中设置的各项任务分为低阶﹑中阶和高阶，难度具有一定的梯度，主要体现在任务中知识点的嵌合程度，学生完成任务所达到的实践和创新能力的不同。各小组领取项目后，组长召集各组员围绕项目展开讨论，初步确定项目实施思路和方案，分配任务，并确定项目推进过程中各阶段的时间点。在项目实施过程中，教师安排线下教学，组织小组之间进行方案辩论，并引导各小组根据要求调整和确定最终方案。项目完成后，采取课上答辩的形式，各小组介绍项目的思路，分析计算方案，展示项目的成果，接受教师和其他学生的质疑，并完善最终的项目报告。整个教学过程既调动了学生参与项目的积极性，又培养了学生的工程能力﹑创新能力和团队合作能力。

4.课程考核。传统的“机械振动”课程考核方式将学生的知识结构﹑思维方式限定在既定的模式中，考核本身从内容到形式对学生的思维有着严格的限制，从而导致成绩优秀者往往只善于考试和做题而缺少创造性思维，故本课程采取多元化的考核方式，如表1所示。

表1 课程考核方式

2015年，国务院印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》明确指出：“要着力培养具有历史使命感和社会责任心，富有创新精神和实践能力的各类创新型﹑应用型﹑复合型优秀人才。”［9］因此，对学生的考核方式和考核指标也应该体现这一目标。“多元化考核”应改变以试卷评价为主的单一形式，着力培养“基础实﹑口径宽﹑能力强﹑素质高，德﹑智﹑体﹑美﹑劳全面发展，以及富有创新精神和实践能力”的高级专门人才。

本课程采用表1所示的差异化课程考核方式评价学生的学习情况，对于基础教学层，即只完成项目低阶任务的学生，重点采用上机实验报告和课程试卷测试进行考核，对于应用层的本科生，即较好地完成项目的中阶和高阶任务的学生，提高项目答辩和项目报告考核所占比重，从而实现不同层次学生的差异化考核，最终达到因材施教的目的，引导学生深入思考，培养学生解决实际工程问题的能力以及良好的科学研究能力。

四、教学改革效果

改革后的教学模式取得了良好的教学效果：（1）课程改革重视核心能力的培养，开发了学生的非智力因素（动力系统），增强了学生的自信心﹑学习动机﹑学习兴趣﹑学习毅力，学生的学习效率明显提高。如2019级本科生在改革后的“机械振动”教学考核中比2018 级本科生改革前的“机械振动”教学考核表现好，在软件使用及论文撰写方面有较大提升。（2）“学为主，教为导”，教学主体发生变化，提高了学生的主动性，教师从教学“中心”角色向教学活动的设计者和组织者转变。学生主动参与教学过程，强化了师生间的交流与互动，实现教学相长，提高了学生分析问题﹑解决问题的能力。（3）多元化的课程考核方式，使学生的关注力不再局限于期末考试成绩，从而回归学习的本质。（4）工作过程系统化课程改革，增强了技能实战效果，着力打造“双师型”教师队伍，从而提高教学效果，学生的“满意度”明显提高。

对改革前后两个年级的学生进行不记名问卷调研。调查结果显示，大部分学生对新型教学方式很满意，认为通过项目贯穿起来的教学模式，不仅加深了自己对理论课基本原理的理解，提供了充分发挥才能和进行创新的机会，且初步学会了科学研究方法，真正学习到实用技能。统计结果如图4所示。

图4 多维度课程效果对比

五、对教师提出新的要求

新的教学模式将教学过程延伸到课外，对任课教师的工程背景和科研水平提出了更高的要求：（1）教师要主动参与实际工程项目，积累解决实际工程问题的经验，在教学过程中真正做到讲深﹑讲透实际工程案例。（2）教师必须扎实掌握本课程的理论知识，吃透本专业其他课程体系的相关内容，讲课时既能做到自如地从基础理论向工程实际案例的展开，又能从实际中准确回归理论。（3）教师要营造和谐互动的课堂氛围，引导学生思考与创造，同时对教学内容安排的深度和广度能自如把握，切不可偏离课程的理论导致学生无法领会重点。

结语

在新时代背景下，“机械振动”课程建立了课程教学与科研项目相结合的教学新模式，并构建了与之相适应的多元考核方式，注重学生科学素养和科学思维的培养。以研究轮式拖拉机振动的项目贯穿课程的始终，学生通过项目中的自主研究和探索，不仅掌握了振动系统数学模型的建模方法和系统响应的分析方法，加深了对所学理论的理解，还在潜移默化中增强了科学探究意识。改革后的教学模式提高了学生的综合能力和创新创业能力，为培养社会主义事业的合格建设者和可靠接班人，以及新农科与新工科融合的建设者提供了有益的探索。