基于創新能力培養的“振動力學”課程教學改革探索

李海艷 李延強 于衛霞 田瑞蘭

摘?要：培養創新型人才是高等教育的重要使命，教學內容的革新與優化是影響大學生創新能力培養的關鍵因素。本文基于“振動力學”課程，開展學生創新能力培養的教學內容改革探索。首先分析“振動力學”課程教學中存在的問題;然后通過引入最新工程實際案例、實驗方法、數值模擬等現代科學技術的新內容、新成果和新思想，更新課程內容;最后通過應用前后兩屆學生成績對比，驗證了應用效果。本文的探索培養了學生的創新思維能力，以及運用所學知識解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：振動力學;教學改革;應用效果;創新能力

中圖分類號：O32??文獻標識碼：A

當今世界正處在知識經濟時代，各行各業在激烈的競爭中，越來越依賴于人才的創新能力，創新已成為國家和民族興旺發達的動力之源。高等教育肩負著傳承知識、培養人才、推動社會進步和發展的重任，培養和造就推動社會發展和進步的具有創新精神和創新能力的創新型人才，是時代發展賦予高等教育的重大歷史使命[1]。課堂教學仍是目前我國高等教育的最主要形式，教學內容的質量直接影響著大學生創新能力的培養。因此，培養大學生的創新能力必須從課堂教學的教學內容改革入手。

本文基于“振動力學”課程，通過優化課程內容，進行學生創新能力培養和提高的探索實踐。“振動力學”通過數學、實驗和數值計算等方法，探討各種振動現象的機理，闡明振動的基本規律，為解決實踐中可能產生的振動問題提供理論依據。“振動力學”是力學專業本科生的主干課程之一，也是一門與機械、航空、航天、土木等工程密切聯系的技術基礎課。通過本課程的學習，學生不僅可以全面地認識工程結構的振動規律，而且有助于認識自然和工程中的振動現象，培養正確分析問題、解決問題的能力，有助于培養辯證唯物主義的世界觀和方法論，并為解決工程振動問題和從事科學研究工作打下堅實基礎[2]。

1?“振動力學”課程教學存在的問題

我校工程力學本科專業“振動力學”課程理論授課學時為48學時，主要授課內容包括單自由度系統的振動、多自由度系統的振動、振動問題的實用近似解法、連續系統的振動。單自由度體系的振動是多自由度體系振動和連續系統振動的基礎，多自由度體系振動的核心內容是振型的概念以及振型疊加法，連續系統的振動是多自由度系統振動的延伸。工程中多數振動問題可采用線性振動理論解決，所以，本科階段對“振動力學”知識的掌握對學生未來解決工程振動問題或從事科學研究意義十分重大。

“振動力學”課程理論繁雜，公式推導嚴謹，要求學生具有很好的數學和力學基礎。傳統的教學方法過于偏重理論知識的傳授，普遍存在以下幾方面的問題：（1）學生對于“振動力學”中大量的物理概念缺乏直觀、形象的認識，課堂講解缺乏實驗的參與，難以激發學生的學習熱情。（2）教學模式單一，理論與工程實踐聯系不夠緊密，缺少大量與實際工程相關的案例，因而無法激發學生在工程振動問題應用上的興趣。（3）“振動力學”學習過程中理論計算與數值模擬的對比分析不夠，學生利用大型有限元軟件分析解決“振動力學”問題的能力有待提高[3]。

針對上述問題，在“振動力學”課程教學中引入實驗方法、工程實際案例、數值模擬等現代科學技術的新成果、新思想和新手段，可有效提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，培養具有創新思維和創造能力的高素質創新型力學人才[4]。

2?“振動力學”課程教學改革

理論分析與實驗驗證、數值計算相結合，不但是力學發展的規律，也是增加學生學習興趣、提高教學效果的必然選擇。因此，“振動力學”教學內容有必要與實驗、工程實際及工程應用軟件相結合，充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的創新思維和創新能力[5]。

2.1?教學內容與實驗結合

“振動力學”課程工程背景強、物理意義明確，將理論講解與試驗教學相結合可以加深學生對知識點的理解，培養學生的動手能力以及獨立分析和解決問題的能力，為將來從事科學研究和工程服務奠定基礎[6]。

以單自由度系統受簡諧激勵的幅頻特性曲線及其特征為例。單自由度系統對簡諧激勵的穩態響應為頻率等同于激勵力頻率而相位滯后于激勵力的簡諧振動，其幅頻特性曲線反映了幅值隨激勵力頻率和阻尼比的變化規律，通過對曲線的分析可以確定系統的固有頻率和阻尼比。由于曲線反映的規律不易理解，講解本部分內容時，通過相應的實驗，讓學生動手測出系統的速度幅頻特性曲線，并引入“半功率點”法確定系統的固有頻率和阻尼比。結合實驗講解由幅頻特性曲線確定系統固有頻率和阻尼比的原理，學生易于接受，且對曲線變化規律的理解也更為深刻。通過實驗還可讓學生接觸到“振動力學”實驗相關的試驗儀器，比如振動實驗儀、激振器、拾振器等，掌握這些實驗設備的操作技能。

2.2?教學內容與工程實際結合

“振動力學”所討論的問題多數來源于工程實際，教學內容中適當引入工程案例的講解，引導學生進行思考和討論，有助于培養學生運用理論知識解決實際工程問題的能力，達到提高學生的創新能力培養的目的[7]。

以“減震與隔振”內容的講解為例。學生先要明確振動有其有利的一面，也有其有害的一面，為避免或減少振動的不利影響，工程上常采用隔振的方法，具體做法是在振動物體和研究對象間加入一些墊層，以使振動物體的運動不能完全傳遞到研究對象上。結合本部分內容，引入工程案例：某車間屋頂上裝有一臺通風機，如下圖1（a）所示，風機正常工作時振動強烈，電機多次燒毀、零部件損壞、廠房開裂、環境惡化。要求分析原因，并采取有效措施進行改善。

拋出問題后首先引導學生分析問題的癥結，即缺少相應的隔振措施。通過分組討論和提問的方式，讓學生各抒己見，發表個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：安裝公共機架，增加機架質量;用減振器支承機架，隔離機架與屋頂鋼架。改造后風機布置如圖1（b）所示。（1）改造后振幅減為原來的1/3;（2）零部件不再意外損壞;（3）振幅降低，耗電減為原來的70%;（4）由于添加了減震器，振動產生的噪聲明顯減小，環境大大改善。如此，可以有效激發學生的求知欲，讓學生明白利用所學知識可以切實解決現實工程中的問題，達到學以致用。

2.3?教學內容與工程軟件結合

目前，有限元軟件的應用已成為科學研究和工程計算的必要手段。Matlab和Ansys是我校工程力學專業本科生開設的兩門軟件必修課程，將“振動力學”中的知識點提取出來，讓學生用有限元軟件進行分析，并與理論結果進行對比，可以加深學生對知識點的領悟，對學生實際操作能力和創新能力的培養大有裨益。

以簡支梁固有頻率和模態計算為例。某簡支鋼梁計算跨度l=10m，截面為工字型，截面面積A=11.225×10-3m2，截面慣性矩I=4.5685×10-4m4，要求學生用“振動力學”知識計算該簡支梁的固有頻率和模態，同時采用有限元軟件進行建模計算，并將理論計算結果與軟件模擬結果進行對比分析。本題理論求解結果為：固有圓頻率表達式ωi=iπl2EIρA，模態函數φi（x）=siniπlx，其中，i=1，2，3…表示階數，E為鋼材彈性模量，ρ為鋼材密度。我校工程力學專業本科生多數同學選用Ansys進行建模，前四階固有頻率理論與模擬結果的對比見表1，有限元模擬的前四階模態見圖2。

本題有限元建模過程考察了學生對所學軟件的應用能力，同時通過圖2模態可以更直觀地了解簡支梁前四階模態形式。由表1對比分析發現，低階頻率誤差較小，高階頻率誤差較大，可見，對應于低階頻率，數值分析完全可以滿足精度的要求。

3?應用效果分析

“振動力學”課程教學結合實驗、工程實際案例和數值模擬在2017級1、2班共56名學生中進行了應用，得到了學生的認可。問卷調查得知：學生總體較滿意的比率占到了約90%;學生認為自己理論聯系實踐能力得到提高的比率為65.5%，分析解決問題能力得到提高的比率為776%，自主學習能力得到提高的比率為72.8%，團隊協作能力得到提高的比率為69.3%。將應用前后的2016級與2017級學生成績分析對比于表2。由表可知，2017級學生成績總體優秀率提高1%，良好率提高21.83%，中等率提高218%，不及格率下降10.72%，學生總體成績明顯提高。

可見，通過“振動力學”教學內容的革新與優化，可有效提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，充分調動學生學習的積極性與主動性，增加教師和學生間、學生和學生間的互動性，有效促進了學生發散思維能力和協作交流能力的培養，提高了教學質量，取得了良好的效果。

結語

教學改革是一個長期而艱巨的任務，一門課程教學內容的完善需要通過教學實踐不斷錘煉，應結合科學技術的發展，不斷增補新內容，敢于嘗試新方法。本文以學生創新能力培養為出發點，探索了我校工程力學專業“振動力學”課程教學內容的改革方法。將“振動力學”教學內容與實驗教學、工程實際及工程軟件相結合，有效地激發了學生的學習興趣，活躍了課堂氣氛，充分踐行了“以學生為中心”的教育理念，培養了學生的創新思維和實踐能力。但教學改革永遠在路上，有關“振動力學”教學內容、教學方法、教學手段等方面的改革探索仍需持續推進。

參考文獻：

[1]王章豹，張寶，陳翌慶.工程哲學視域下卓越工程人才培養體系的構建[J].中國大學教學，2019（05）：2933+42.

[2]于開平.振動力學相關課程設置及教材分析[J].力學與實踐，2017，39（02）：185191.

[3]陳立群.《趣味振動力學》評介[J].力學與實踐，2012，34（02）：104.

[4]林健.新工科專業課程體系改革和課程建設[J].高等工程教育研究，2020（01）：113+24.

[5]朱守芹，畢全超，趙文娟.應用型人才培養體系下的力學課程體系改革研究[J].教育與職業，2013（24）：142143.

[6]禹見達，張湘琦，彭劍.振動力學中工程案例模型化實驗教學的特點與實踐[J].當代教育理論與實踐，2017，9（12）：6669.

[7]孟昭霞.實驗教學在學生創新能力培養中的作用[J].現代大學教育，2018（05）：9297.

基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“面向工程基于創新能力與思政素質提升的基礎力學教學改革與實踐”（編號：2020GJJG170）;石家莊鐵道大學高等教育教學研究項目“‘一流專業’建設背景下一般院校工程力學專業改革與實踐”（編號：Y20202）;河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于創新能力培養的力學課程改革研究”

作者簡介：李海艷（1984—?），漢族，河南商丘人，工學博士，石家莊鐵道大學工程力學系副教授，教學副主任。