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机械振动课程教学改革探究

摘要：文章从“机械振动”课程的内容体系与教学要求出发,分析了该课程在教学中存在的问题,并提出了以科学的知识表达方法来统一全课程的教学内容、运用面向功能的案例教学法以及与案例教学相呼应的案例型考核等措施,目的是增强学生对机械振动学知识体系的总体把握,培养和提升学生对振动课程的专业兴趣,并使得他们能够将这一专业基础课程与本专业的实际应用紧密关联起来,从而从根本上实现这一专业课程的人才培养目标.

关键词：机械振动；教学改革；高校

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2017）08-0021-02

“机械振动”课程是机械类专业的一门主干课程,深入理解和掌握机械振动的相关知识对于工科学生未来的专业相关性工作,有着毋庸置疑的重要意义.近年来,一些同行也针对这一课程的教学问题做了总结和探索,给出了不少建设性思路.如郭朋彦等提出了通过合理地设置授课内容[1]、加入实验课和引入计算机分析软件方法来激发学生的学习积极性；柳贡民等提倡重视培养学生解决实际工程问题的能力[2]、创新思维与团队合作精神的教学理念来改革实施的实践教学；李丽君等采用多种教学模式以拓宽学生的知识面[3],培养学生的工程意识与能力.这些方法都对课程的教学效果与人才培养起到了良好的促进作用.为了搞好本课程的教学工作,我们也对这一课程的特殊性和一直以来的传统教学方法进行了反思,提出了一些能够增强学生学习兴趣和学习效果的新思路,并付诸实际教学过程,收到了较好的效果.

一、“机械振动”课程教学现状

“机械振动”这门课程有其特殊性.从课程性质上说：一方面,某种意义上它就是一门力学课,其教学内容不可避免地会涉及诸多高等数学理论,其中主要是微分方程、傅里叶级数以及矩阵变换等；另一方面,由于是为机械类专业开设的,因此这门课程不能仅限于基本振动理论的讲授,必须与机械专业的培养目标相适应,其中的一个重要方面就是应当使学生在学习本课程之后能够初步解决机械领域类的一些实际振动问题.从课程安排来说,其授课对象是机械专业大三学生,由于距离高等数学学习的时间已经较远,因此大多数学生一时之间也确实是不易适应.

尽管“机械振动”课程自身的特殊性会导致部分学生有畏难情绪,影响到学习兴趣和学习效果,然而这不是主要因素,而且通过由教师提供的集中复习或合理指导还是可以在短时间内迅速克服的.我们认为,学生的学习效果如何,学习兴趣是否浓厚,以及本课程的专业培养目标能否实现,关键还是取决于教师的教学设计.通过反思历年来的“机械振动”实际教学工作,我们总结出三点不足.

首先,对教学内容缺乏合理的总体规划,导致学生很难从总体上把握振动理论知识体系.振动课程的内容比较繁杂而琐碎,为了在较短的课时内（哈尔滨工程大学为32学时）完成教学大纲规定的内容,以往的工作中我们更多地关注了如何将书本上给出的一条又一条知识不加遗漏地传达给学生,为此忽视了学生的总体知识体系的建立,这使得大多数学生在开始的几节课中还能跟上教师的节奏,然而随后由于不知“身处何处”而产生了迷失现象,进而失去了积极学习振动理论的兴趣,当然也就不可能有好的学习效果了.

其次,教学过程中未能脱离知识点的串行讲授,导致学生难以有效理解和掌握如何组合相关知识点来实现特定的功能.任何知识都是为应用服务的,反之,任何应用也必然建立在若干知识之上,这些知识应当紧紧围绕这些应用或功能并为其服务.显然,这些知识之间的并行性远重于串行.串行的讲解方式很省事,它源自教材内容的串行安排,表面上是十分自然的.然而以我们的经验来看,学生们心里是十分厌烦这种方式的,原因有二：其一在于他们很难直接而迅速地掌握这些知识的功能定位并解决某类实际问题,而这将直接影响到学习的积极性；其二,学生往往会感觉教师很无能,认为找本书来自学也是一样了,而这直接导致了相当部分的学生到课率递减.

最后,考核方式与内容不合理,导致学生实际问题的分析能力得不到恰当的考核.多年来,出于评价体系的标准性和公平性考虑,我们基本上采用了闭卷笔试方式来进行考核.在试卷的设计中,根据传统的考试观点,我们力图兼顾各章知识点的覆盖率和分值比例,分别设计相应的试题,由于章节较多,试题较为分散.显然,这种考核方式偏重的是知识点的掌握情况,而忽视了本课程的根本培养目标,即利用所学的振动基本理论知识来解决机械领域中的一些实际振动问题.很难想象,根据这种传统的考核方式,能够甄别出学生的运用和组合不同知识来解决问题的能力.

二、“机械振动”课程教学改革的对策

(一)优化教学内容

以科学的框架表示法来系统地归纳本课程所涉及的所有知识点,使得教学内容的各主要部分,如单自由度、二自由度、多自由度以及连续体振动等核心内容得以在一张纸上（或黑板上）以统一的方式简洁地组织起来.每个核心部分的知识点均以大体相同的形式列出,如问题模型、动力方程、振动解、响应特性（幅频响应和相频响应）、对应机械行业的应用实例.由此形成的知识框架不仅非常条理化,易于记忆,而且十分有助于学生随时随地感受到当前所处的位置,从而很好地避免了“迷失”现象.换言之,借助于对全课程内容的总体归纳和梳理,以科学的知识表达方法来统一全课程的教学内容,使得学生对所学内容有了前所未有的总体把握.

(二)运用案例教学法

这里的功能是指课程的某些知识内容经过合理组合后可以解决某些实际振动问题的能力.事实上,教材中每一部分的知识点一般是以串行方式给出的,它们往往只有以某种方式有机地组合到一起才能用于解决某个实际问题.如果能够跳出教材表述方式的限制,直接选择机械专业中比较恰当的应用实例作为分析对象,然后紧紧围绕一个问题展开与之相关的振动知识讲解,那么可以想象,学生不仅能立即体会到学以致用的好处,同时还能以这种简单的方式来组织和记忆相关内容,学习兴趣和效果也就会明显增强.不仅如此,在实际案例教学中,学生们往往还能够积极主动地提出很多本专业的一些独特问题和思路,这也是有利于带动其他专业课程的学习的.

以单自由度为例,我们在实例教学中,主要选择了机械隔振器这一重要应用实例作为主要抓手,分别从积极隔振和消极隔振两个侧面把以往的力激扰和支座激扰两大串行的知识点综合到一起.在具体的分析中,则又逐步细化到动力方程的建立与求解之中.虽然这些数学层面的分析令人乏味,但是由于十分清楚这些振动知识的功能定位,并且十分渴望能够自行设计极为有用的机械隔振器,因此学生们都能聚精会神地听讲,效果明显强于以往.类似,在二自由度和多自由度振动内容中,我们选择了动力吸振器和多层隔振系统作为主实例进行展开,使得与之相关的那些串行知识点绝大多数凝聚到了这两个实例周围.特别值得一提的是,由于机械专业的学生对于军事方面很感兴趣,我们也特意将上述吸振和隔振的应用介绍拓展到了潜艇减振领域,例如浮筏隔振技术介绍,这进一步提升了学生们学习“机械振动”的热情,同时也为后续的连续体振动做好了铺垫,因为浮筏隔振技术本就是多自由度与连续体两种体系的组合.

通过精心选择和安排的实例教学方法,学生们的热情和兴趣不仅得到了极大提高,而且普遍反映整个课程的学习并不枯燥了,更重要的是,这种方法在方便学生掌握和记忆繁杂而琐碎的振动知识的同时,还直接突出了这些知识的功能性,因而较好地实现了机械专业的根本培养目标.

(三)改变课程考核方式

由于哈尔滨工程大学的“机械振动”课程属于考试课,而不是一般的考查课,因而教学要求中列出的基本知识点是必须考查的科目.然而,正如前面所指出的,以往我们在命题时往往只注意这些知识范围的覆盖率,而忽视了掌握这些知识本质上是为了能运用它们来分析解决实际振动问题这一根本性目标.为了突出解决实际问题能力的考察,同时兼顾基本知识点的考核,我们在命题中摒弃了以往完全按知识点来考核的方式,而代之以实际振动问题的分析（而非纯计算题）,可以说是一种与实例教学对应的实例型考核.例如,针对各类机械装备中存在的典型振动超标问题,如何利用所学振动知识来加以认识和解决,这就是我们常用的一类分析题,显然,这是用于考察隔振器或吸振器的设计的,这不仅有具体的应用背景和意义,同时也与课程教学过程中的实例直接对应起来,学生们不会感到无从下手,根据各人的理解和认识深浅,总有话可说.此外,我们在设计这些分析题的评分标准时,仍然遵循了教学要求中规定的那些知识点考核要求,按照学生是否掌握这些知识点（即某个分析步骤是否完成）来给出相应的分值,事实上,这些分析题的解答过程中本身也就包含了这些重要的知识点,因为只有这些知识点都齐备了才能实现这一分析题的完整解决.当然,由于部分知识点如基本概念之类的,很难在分析题中加以考核,因此我们也有意识地留出了10—15分的填空或选择题来覆盖它们.

总之,“机械振动”是机械专业一门重要的力学课程,如何使学生能够摆脱学习的枯燥性,关键在于以合理的方式把振动知识传授给他们.我们所提出的以科学的知识表达方法来统一全课程的教学内容、面向功能的实例教学方法以及与实例教学相呼应的实例型考核,在教学实施过程中已经收到了成效.当然,我们也清醒地意识到,目前这些措施还不够成熟,还有诸多需要完善的地方,这些在我们今后的教学中将不断加以改进和提高.

参考文献：

[1]郭朋彦,高玉国.机械振动课程教学思考与教学改革探讨[J].中国教育技术装备,2012,（8）.

[2]柳贡民,李帅军.轮机工程专业《机械振动噪声学》课程实践教学初探[J].教育教学论坛,2012,（1）.

[3]李丽君,刚宪约,许英姿.机械振动与噪声的多模式教学实践[J].实验技术与管理,2010,（9）.

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