“機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容改革與實(shí)踐

姜偉++孫月華++侯清泉++徐鵬

摘要：對(duì)《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)手段的運(yùn)用和考核方式進(jìn)行初步改革，使枯燥、難學(xué)的課程變得生動(dòng)、簡(jiǎn)單。將工程應(yīng)用軟件MATLAB/Simulink與振動(dòng)理論相結(jié)合，改善實(shí)驗(yàn)條件的不足，提高教學(xué)質(zhì)量。讓學(xué)生運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬完成實(shí)踐報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的工程能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)；教學(xué)內(nèi)容；考核方式；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）06-0099-02

一、機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)及教學(xué)中存在的問(wèn)題

《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》課程是我院面向機(jī)械類本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)選修課，本課程是為解決機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題提供必要的基礎(chǔ)理論和方法的一門(mén)學(xué)科，它綜合應(yīng)用高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科知識(shí)，與工程實(shí)際問(wèn)題有著緊密的聯(lián)系[1-2]。

我院《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》課程理論教學(xué)僅有30學(xué)時(shí)，課程內(nèi)容較多而且抽象難懂，涉及到許多力學(xué)知識(shí)以及微分方程組與行列式和矩陣運(yùn)算。由于我院三本學(xué)生較多，先修的理論力學(xué)、材料力學(xué)和高等數(shù)學(xué)及線性代數(shù)等課程基礎(chǔ)薄弱，講授過(guò)程中，完全使學(xué)生的注意力陷入了復(fù)雜難懂的數(shù)學(xué)計(jì)算中，而忽略了對(duì)本課程內(nèi)容理論體系及重點(diǎn)、難點(diǎn)的把握，尤其在多自由度系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，隨著自由度數(shù)目的增加，微分方程數(shù)的增加，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的理論學(xué)習(xí)很迷茫，甚至逐漸喪失了學(xué)習(xí)的信心，更別說(shuō)能把這門(mén)課的知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問(wèn)題的能力了。由于師資力量、實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件等多方面原因，使教學(xué)質(zhì)量和效果受到嚴(yán)重制約。在多年的教學(xué)實(shí)踐中深深體會(huì)到采用常規(guī)的課堂、黑板的教學(xué)方法學(xué)生接受起來(lái)非常困難，盡管在教學(xué)中也進(jìn)行了多媒體課件和板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)方法，并收集了很多工程實(shí)例，但是，很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。

基于課程的獨(dú)特特點(diǎn)，將從教學(xué)內(nèi)容組織上、教學(xué)手段運(yùn)用上、學(xué)生實(shí)踐報(bào)告撰寫(xiě)上以及考核方式改革上采取一定的措施。采用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)仿真，以增加課程學(xué)習(xí)的趣味性，最大限度地提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足，還更好地培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)興趣和理論與工程實(shí)際相結(jié)合的能力。

二、教學(xué)改革的措施

針對(duì)以往“多媒體+板書(shū)、理論教學(xué)+課堂作業(yè)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，加上試驗(yàn)條件有限的因素，使學(xué)生不能很好地理解機(jī)械振動(dòng)的復(fù)雜概念和原理，也不能很好地將機(jī)械振動(dòng)理論與工程實(shí)際相結(jié)合。因此，在《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中，擬采取以下措施，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力。

1.精心組織教學(xué)內(nèi)容。在對(duì)各種振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行講授時(shí)，要注重物理模型的簡(jiǎn)化、振動(dòng)微分方程的建立過(guò)程和方法，并對(duì)求解結(jié)果分析其振動(dòng)特性以及求解結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用詳細(xì)講解，而對(duì)數(shù)學(xué)模型的求解過(guò)程只講求解思路和求解過(guò)程中的注意事項(xiàng)即可。既減少了數(shù)學(xué)計(jì)算在課堂的占用時(shí)間，同時(shí)削弱了課程的枯燥乏味性。在講授機(jī)械振動(dòng)的基本概念、基本理論時(shí)，簡(jiǎn)要介紹機(jī)械振動(dòng)學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史、機(jī)械振動(dòng)的廣泛應(yīng)用以及與其他學(xué)科的交叉關(guān)系、有關(guān)歷史事件和歷史人物，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在分析振動(dòng)系統(tǒng)特性時(shí)，多結(jié)合工程實(shí)例，并且多留課堂作業(yè)做練習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)。同時(shí)，也介紹一些振動(dòng)理論的最新發(fā)展和最新應(yīng)用，使學(xué)生更多地了解機(jī)械振動(dòng)理論和實(shí)際應(yīng)用的前沿知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。課后，讓學(xué)生自己收集一些機(jī)械振動(dòng)理論在工程中應(yīng)用的例子，并進(jìn)行課內(nèi)與課外的討論，使枯燥的理論與生動(dòng)的實(shí)例相結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生上課的積極性，讓學(xué)生們感到學(xué)有所用。

2.采取更多的教學(xué)手段——引入MATLAB/Simulink仿真軟件的仿真模擬。MATLAB語(yǔ)言是一款將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程特性以及圖形界面完美地結(jié)合到一起的工程應(yīng)用軟件。MATLAB語(yǔ)言的核心就是矩陣和數(shù)組，而機(jī)械振動(dòng)分析中多自由度系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型的求解正是需要矩陣進(jìn)行計(jì)算。因此，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB，可以使繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算變得簡(jiǎn)單，可以使教師和學(xué)生把注意力更多地放在機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)特性分析和實(shí)際應(yīng)用上。

Simulink是用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境，可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模。它把Matlab的許多功能都設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)直觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)需要的仿真功能了。

在課件制作過(guò)程中，采用MATLAB/Simulink仿真語(yǔ)言對(duì)單自由度系統(tǒng)的無(wú)阻尼、有阻尼和受迫振動(dòng)三種振動(dòng)條件下建立微分方程和求解振動(dòng)體的位移隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)Simulink中各種模塊的建立，用線連接各模塊，做好流程圖，設(shè)置好各模塊的參數(shù)后，再設(shè)置好系統(tǒng)環(huán)境變量，點(diǎn)擊運(yùn)行，通過(guò)示波器模塊就可以模擬出振動(dòng)體的物理量隨時(shí)間變化關(guān)系圖像曲線，從而分析出系統(tǒng)特性。這個(gè)過(guò)程可以在課堂上進(jìn)行，不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足，更好地與工程實(shí)際相結(jié)合，還可以為學(xué)生將來(lái)完成實(shí)踐報(bào)告打下良好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。同時(shí)，課件中增加色彩豐富的圖片和生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)與視頻以及大量的工程實(shí)例和練習(xí)，使抽象、晦澀、復(fù)雜和呆板的專業(yè)理論內(nèi)容變?yōu)榫唧w、清晰、簡(jiǎn)單和生動(dòng)的趣味教學(xué)，從而最大限度地提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。

3.安排學(xué)生撰寫(xiě)實(shí)踐報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。在《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》教學(xué)中，具體采取以下措施，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生合作精神、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。（1）讓學(xué)生自發(fā)組成5～6人一組的學(xué)習(xí)小組。首先，通過(guò)第二課堂指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)Matlab/Simulink軟件，達(dá)到一定熟練程度后，再對(duì)線性單自由度系統(tǒng)的無(wú)阻尼、有阻尼和受迫振動(dòng)三種振動(dòng)條件下進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立、求解和仿真模擬。這種以小組共同上機(jī)學(xué)習(xí)軟件的過(guò)程，不僅可以消除學(xué)生對(duì)本課程的迷茫，使學(xué)生抓住了本課程的學(xué)習(xí)要點(diǎn)，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性，還可以更好地將振動(dòng)理論與工程實(shí)際相結(jié)合。（2）振動(dòng)理論在工程和生活中應(yīng)用廣泛，在處理實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，必須根據(jù)所研究問(wèn)題的實(shí)際情況，抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，把復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化和抽象為合理的力學(xué)模型，并對(duì)產(chǎn)生振動(dòng)的力學(xué)模型即振動(dòng)系統(tǒng)受力分析、建立數(shù)學(xué)模型、求解，得出振動(dòng)體的物理量（如位移、速度和加速度）隨時(shí)間的變化規(guī)律。在Simulink環(huán)境中建好模型，設(shè)定振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如：質(zhì)量、剛度、阻尼、激振力、激振頻率、運(yùn)動(dòng)演示最大時(shí)間等。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，用圖形窗口實(shí)時(shí)演示振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)情況，即模擬出振動(dòng)體的物理量（如位移、速度和加速度）隨時(shí)間的變化曲線。模擬結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況作對(duì)比，從而確定仿真研究方法的可信度。把小組分析研究的結(jié)果，以實(shí)踐報(bào)告的形式上交。通過(guò)兩個(gè)步驟，培養(yǎng)了學(xué)生合作的精神，提高了實(shí)踐能力。endprint

4.改進(jìn)考核機(jī)制。為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及工程意識(shí)，采用多種形式的考核方式代替過(guò)去以課堂作業(yè)和卷面考核為主的考核機(jī)制。考核分值的設(shè)置為：平時(shí)作業(yè)20分+實(shí)踐報(bào)告20分+期末考試60分。平時(shí)作業(yè)一般為每個(gè)章節(jié)課后習(xí)題，重點(diǎn)考查學(xué)生是否掌握課堂知識(shí)點(diǎn)。實(shí)踐報(bào)告旨在激發(fā)學(xué)生的鉆研精神，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。期末考試的命題有客觀性和主觀性兩種。客觀性考題占60%，題目覆蓋面較廣，但難度和靈活性稍低，旨在考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，主觀性考題占40%，題型為計(jì)算題，涉及面廣、難度大、靈活性高。

三、教學(xué)改革的初步成果

本次改革對(duì)象為機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)和機(jī)械制造專業(yè)的本科生，兩屆共13個(gè)班級(jí)。無(wú)論是在教學(xué)效果上，還是學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)上，都有了很大進(jìn)步。

1.教學(xué)效果和質(zhì)量顯著提高。由于在課堂教學(xué)中，更新了教學(xué)內(nèi)容體系，使學(xué)生對(duì)明確了課程的要點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)，能正確處理本課程與相關(guān)課程之間的銜接，同時(shí)，對(duì)機(jī)械振動(dòng)最新研究成果有了初步認(rèn)識(shí)。將MATLAB/Simulink仿真軟件與振動(dòng)分析相結(jié)合調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，活躍了課堂教學(xué)氣氛，從而最大限度地提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。卷面考試命題中主觀題和客觀題相結(jié)合，使學(xué)生既注重了機(jī)械振動(dòng)基本概念的掌握，又注重了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的提高。通過(guò)新的考核機(jī)制，使學(xué)生既注重了對(duì)機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)概念的掌握，又提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。期末成績(jī)的優(yōu)良率明顯提高，也避免了大量的不及格人數(shù)過(guò)多現(xiàn)象。

2.學(xué)生實(shí)踐能力明顯增強(qiáng)。讓學(xué)生自發(fā)組成學(xué)習(xí)小組，選擇自己感興趣的題目，通過(guò)MATLAB/Simulink仿真軟件實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的過(guò)程，將模擬結(jié)果以實(shí)踐報(bào)告的形式上交，并計(jì)入考試成績(jī)中。既培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神和創(chuàng)新精神。

四、結(jié)論

本文針對(duì)學(xué)生普遍認(rèn)為該課程抽象、枯燥、難學(xué)和教師普遍認(rèn)為課時(shí)少、內(nèi)容多、難教的現(xiàn)象，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容體系的精心組織，多媒體課件中增加色彩豐富的圖片和生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)與視頻以及大量的工程實(shí)例和練習(xí)，運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真對(duì)單（多）自由度系統(tǒng)的仿真制作課件，不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足，還調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)。通過(guò)學(xué)生自由選題，運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件，分組完成實(shí)踐報(bào)告，培養(yǎng)了合作精神，提高了實(shí)踐能力。

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