“機(jī)械振動(dòng)”課程教學(xué)改革探究

舒海生+史肖娜++趙磊

摘 要：文章從“機(jī)械振動(dòng)”課程的內(nèi)容體系與教學(xué)要求出發(fā)，分析了該課程在教學(xué)中存在的問(wèn)題，并提出了以科學(xué)的知識(shí)表達(dá)方法來(lái)統(tǒng)一全課程的教學(xué)內(nèi)容、運(yùn)用面向功能的案例教學(xué)法以及與案例教學(xué)相呼應(yīng)的案例型考核等措施，目的是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)械振動(dòng)學(xué)知識(shí)體系的總體把握，培養(yǎng)和提升學(xué)生對(duì)振動(dòng)課程的專(zhuān)業(yè)興趣，并使得他們能夠?qū)⑦@一專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程與本專(zhuān)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而從根本上實(shí)現(xiàn)這一專(zhuān)業(yè)課程的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)；教學(xué)改革；高校

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2017）08-0021-02

“機(jī)械振動(dòng)”課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干課程，深入理解和掌握機(jī)械振動(dòng)的相關(guān)知識(shí)對(duì)于工科學(xué)生未來(lái)的專(zhuān)業(yè)相關(guān)性工作，有著毋庸置疑的重要意義。近年來(lái)，一些同行也針對(duì)這一課程的教學(xué)問(wèn)題做了總結(jié)和探索，給出了不少建設(shè)性思路。如郭朋彥等提出了通過(guò)合理地設(shè)置授課內(nèi)容[1]、加入實(shí)驗(yàn)課和引入計(jì)算機(jī)分析軟件方法來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；柳貢民等提倡重視培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[2]、創(chuàng)新思維與團(tuán)隊(duì)合作精神的教學(xué)理念來(lái)改革實(shí)施的實(shí)踐教學(xué)；李麗君等采用多種教學(xué)模式以拓寬學(xué)生的知識(shí)面[3]，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)與能力。這些方法都對(duì)課程的教學(xué)效果與人才培養(yǎng)起到了良好的促進(jìn)作用。為了搞好本課程的教學(xué)工作，我們也對(duì)這一課程的特殊性和一直以來(lái)的傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行了反思，提出了一些能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果的新思路，并付諸實(shí)際教學(xué)過(guò)程，收到了較好的效果。

一、“機(jī)械振動(dòng)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“機(jī)械振動(dòng)”這門(mén)課程有其特殊性。從課程性質(zhì)上說(shuō)：一方面，某種意義上它就是一門(mén)力學(xué)課，其教學(xué)內(nèi)容不可避免地會(huì)涉及諸多高等數(shù)學(xué)理論，其中主要是微分方程、傅里葉級(jí)數(shù)以及矩陣變換等；另一方面，由于是為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的，因此這門(mén)課程不能僅限于基本振動(dòng)理論的講授，必須與機(jī)械專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)，其中的一個(gè)重要方面就是應(yīng)當(dāng)使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之后能夠初步解決機(jī)械領(lǐng)域類(lèi)的一些實(shí)際振動(dòng)問(wèn)題。從課程安排來(lái)說(shuō)，其授課對(duì)象是機(jī)械專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生，由于距離高等數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的時(shí)間已經(jīng)較遠(yuǎn)，因此大多數(shù)學(xué)生一時(shí)之間也確實(shí)是不易適應(yīng)。

盡管“機(jī)械振動(dòng)”課程自身的特殊性會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生有畏難情緒，影響到學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，然而這不是主要因素，而且通過(guò)由教師提供的集中復(fù)習(xí)或合理指導(dǎo)還是可以在短時(shí)間內(nèi)迅速克服的。我們認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果如何，學(xué)習(xí)興趣是否濃厚，以及本課程的專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵還是取決于教師的教學(xué)設(shè)計(jì)。通過(guò)反思?xì)v年來(lái)的“機(jī)械振動(dòng)”實(shí)際教學(xué)工作，我們總結(jié)出三點(diǎn)不足。

首先，對(duì)教學(xué)內(nèi)容缺乏合理的總體規(guī)劃，導(dǎo)致學(xué)生很難從總體上把握振動(dòng)理論知識(shí)體系。振動(dòng)課程的內(nèi)容比較繁雜而瑣碎，為了在較短的課時(shí)內(nèi)（哈爾濱工程大學(xué)為32學(xué)時(shí)）完成教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容，以往的工作中我們更多地關(guān)注了如何將書(shū)本上給出的一條又一條知識(shí)不加遺漏地傳達(dá)給學(xué)生，為此忽視了學(xué)生的總體知識(shí)體系的建立，這使得大多數(shù)學(xué)生在開(kāi)始的幾節(jié)課中還能跟上教師的節(jié)奏，然而隨后由于不知“身處何處”而產(chǎn)生了迷失現(xiàn)象，進(jìn)而失去了積極學(xué)習(xí)振動(dòng)理論的興趣，當(dāng)然也就不可能有好的學(xué)習(xí)效果了。

其次，教學(xué)過(guò)程中未能脫離知識(shí)點(diǎn)的串行講授，導(dǎo)致學(xué)生難以有效理解和掌握如何組合相關(guān)知識(shí)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。任何知識(shí)都是為應(yīng)用服務(wù)的，反之，任何應(yīng)用也必然建立在若干知識(shí)之上，這些知識(shí)應(yīng)當(dāng)緊緊圍繞這些應(yīng)用或功能并為其服務(wù)。顯然，這些知識(shí)之間的并行性遠(yuǎn)重于串行。串行的講解方式很省事，它源自教材內(nèi)容的串行安排，表面上是十分自然的。然而以我們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，學(xué)生們心里是十分厭煩這種方式的，原因有二：其一在于他們很難直接而迅速地掌握這些知識(shí)的功能定位并解決某類(lèi)實(shí)際問(wèn)題，而這將直接影響到學(xué)習(xí)的積極性；其二，學(xué)生往往會(huì)感覺(jué)教師很無(wú)能，認(rèn)為找本書(shū)來(lái)自學(xué)也是一樣了，而這直接導(dǎo)致了相當(dāng)部分的學(xué)生到課率遞減。

最后，考核方式與內(nèi)容不合理，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際問(wèn)題的分析能力得不到恰當(dāng)?shù)目己?。多年?lái)，出于評(píng)價(jià)體系的標(biāo)準(zhǔn)性和公平性考慮，我們基本上采用了閉卷筆試方式來(lái)進(jìn)行考核。在試卷的設(shè)計(jì)中，根據(jù)傳統(tǒng)的考試觀點(diǎn)，我們力圖兼顧各章知識(shí)點(diǎn)的覆蓋率和分值比例，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的試題，由于章節(jié)較多，試題較為分散。顯然，這種考核方式偏重的是知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，而忽視了本課程的根本培養(yǎng)目標(biāo)，即利用所學(xué)的振動(dòng)基本理論知識(shí)來(lái)解決機(jī)械領(lǐng)域中的一些實(shí)際振動(dòng)問(wèn)題。很難想象，根據(jù)這種傳統(tǒng)的考核方式，能夠甄別出學(xué)生的運(yùn)用和組合不同知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題的能力。

二、“機(jī)械振動(dòng)”課程教學(xué)改革的對(duì)策

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

以科學(xué)的框架表示法來(lái)系統(tǒng)地歸納本課程所涉及的所有知識(shí)點(diǎn)，使得教學(xué)內(nèi)容的各主要部分，如單自由度、二自由度、多自由度以及連續(xù)體振動(dòng)等核心內(nèi)容得以在一張紙上（或黑板上）以統(tǒng)一的方式簡(jiǎn)潔地組織起來(lái)。每個(gè)核心部分的知識(shí)點(diǎn)均以大體相同的形式列出，如問(wèn)題模型、動(dòng)力方程、振動(dòng)解、響應(yīng)特性（幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)）、對(duì)應(yīng)機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例。由此形成的知識(shí)框架不僅非常條理化，易于記憶，而且十分有助于學(xué)生隨時(shí)隨地感受到當(dāng)前所處的位置，從而很好地避免了“迷失”現(xiàn)象。換言之，借助于對(duì)全課程內(nèi)容的總體歸納和梳理，以科學(xué)的知識(shí)表達(dá)方法來(lái)統(tǒng)一全課程的教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容有了前所未有的總體把握。

（二）運(yùn)用案例教學(xué)法

這里的功能是指課程的某些知識(shí)內(nèi)容經(jīng)過(guò)合理組合后可以解決某些實(shí)際振動(dòng)問(wèn)題的能力。事實(shí)上，教材中每一部分的知識(shí)點(diǎn)一般是以串行方式給出的，它們往往只有以某種方式有機(jī)地組合到一起才能用于解決某個(gè)實(shí)際問(wèn)題。如果能夠跳出教材表述方式的限制，直接選擇機(jī)械專(zhuān)業(yè)中比較恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用實(shí)例作為分析對(duì)象，然后緊緊圍繞一個(gè)問(wèn)題展開(kāi)與之相關(guān)的振動(dòng)知識(shí)講解，那么可以想象，學(xué)生不僅能立即體會(huì)到學(xué)以致用的好處，同時(shí)還能以這種簡(jiǎn)單的方式來(lái)組織和記憶相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)興趣和效果也就會(huì)明顯增強(qiáng)。不僅如此，在實(shí)際案例教學(xué)中，學(xué)生們往往還能夠積極主動(dòng)地提出很多本專(zhuān)業(yè)的一些獨(dú)特問(wèn)題和思路，這也是有利于帶動(dòng)其他專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)的。

以單自由度為例，我們?cè)趯?shí)例教學(xué)中，主要選擇了機(jī)械隔振器這一重要應(yīng)用實(shí)例作為主要抓手，分別從積極隔振和消極隔振兩個(gè)側(cè)面把以往的力激擾和支座激擾兩大串行的知識(shí)點(diǎn)綜合到一起。在具體的分析中，則又逐步細(xì)化到動(dòng)力方程的建立與求解之中。雖然這些數(shù)學(xué)層面的分析令人乏味，但是由于十分清楚這些振動(dòng)知識(shí)的功能定位，并且十分渴望能夠自行設(shè)計(jì)極為有用的機(jī)械隔振器，因此學(xué)生們都能聚精會(huì)神地聽(tīng)講，效果明顯強(qiáng)于以往。類(lèi)似，在二自由度和多自由度振動(dòng)內(nèi)容中，我們選擇了動(dòng)力吸振器和多層隔振系統(tǒng)作為主實(shí)例進(jìn)行展開(kāi)，使得與之相關(guān)的那些串行知識(shí)點(diǎn)絕大多數(shù)凝聚到了這兩個(gè)實(shí)例周?chē)Ｌ貏e值得一提的是，由于機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)于軍事方面很感興趣，我們也特意將上述吸振和隔振的應(yīng)用介紹拓展到了潛艇減振領(lǐng)域，例如浮筏隔振技術(shù)介紹，這進(jìn)一步提升了學(xué)生們學(xué)習(xí)“機(jī)械振動(dòng)”的熱情，同時(shí)也為后續(xù)的連續(xù)體振動(dòng)做好了鋪墊，因?yàn)楦》じ粽窦夹g(shù)本就是多自由度與連續(xù)體兩種體系的組合。

通過(guò)精心選擇和安排的實(shí)例教學(xué)方法，學(xué)生們的熱情和興趣不僅得到了極大提高，而且普遍反映整個(gè)課程的學(xué)習(xí)并不枯燥了，更重要的是，這種方法在方便學(xué)生掌握和記憶繁雜而瑣碎的振動(dòng)知識(shí)的同時(shí)，還直接突出了這些知識(shí)的功能性，因而較好地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械專(zhuān)業(yè)的根本培養(yǎng)目標(biāo)。

（三）改變課程考核方式

由于哈爾濱工程大學(xué)的“機(jī)械振動(dòng)”課程屬于考試課，而不是一般的考查課，因而教學(xué)要求中列出的基本知識(shí)點(diǎn)是必須考查的科目。然而，正如前面所指出的，以往我們?cè)诿}時(shí)往往只注意這些知識(shí)范圍的覆蓋率，而忽視了掌握這些知識(shí)本質(zhì)上是為了能運(yùn)用它們來(lái)分析解決實(shí)際振動(dòng)問(wèn)題這一根本性目標(biāo)。為了突出解決實(shí)際問(wèn)題能力的考察，同時(shí)兼顧基本知識(shí)點(diǎn)的考核，我們?cè)诿}中摒棄了以往完全按知識(shí)點(diǎn)來(lái)考核的方式，而代之以實(shí)際振動(dòng)問(wèn)題的分析（而非純計(jì)算題），可以說(shuō)是一種與實(shí)例教學(xué)對(duì)應(yīng)的實(shí)例型考核。例如，針對(duì)各類(lèi)機(jī)械裝備中存在的典型振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，如何利用所學(xué)振動(dòng)知識(shí)來(lái)加以認(rèn)識(shí)和解決，這就是我們常用的一類(lèi)分析題，顯然，這是用于考察隔振器或吸振器的設(shè)計(jì)的，這不僅有具體的應(yīng)用背景和意義，同時(shí)也與課程教學(xué)過(guò)程中的實(shí)例直接對(duì)應(yīng)起來(lái)，學(xué)生們不會(huì)感到無(wú)從下手，根據(jù)各人的理解和認(rèn)識(shí)深淺，總有話可說(shuō)。此外，我們?cè)谠O(shè)計(jì)這些分析題的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，仍然遵循了教學(xué)要求中規(guī)定的那些知識(shí)點(diǎn)考核要求，按照學(xué)生是否掌握這些知識(shí)點(diǎn)（即某個(gè)分析步驟是否完成）來(lái)給出相應(yīng)的分值，事實(shí)上，這些分析題的解答過(guò)程中本身也就包含了這些重要的知識(shí)點(diǎn)，因?yàn)橹挥羞@些知識(shí)點(diǎn)都齊備了才能實(shí)現(xiàn)這一分析題的完整解決。當(dāng)然，由于部分知識(shí)點(diǎn)如基本概念之類(lèi)的，很難在分析題中加以考核，因此我們也有意識(shí)地留出了10—15分的填空或選擇題來(lái)覆蓋它們。

總之，“機(jī)械振動(dòng)”是機(jī)械專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的力學(xué)課程，如何使學(xué)生能夠擺脫學(xué)習(xí)的枯燥性，關(guān)鍵在于以合理的方式把振動(dòng)知識(shí)傳授給他們。我們所提出的以科學(xué)的知識(shí)表達(dá)方法來(lái)統(tǒng)一全課程的教學(xué)內(nèi)容、面向功能的實(shí)例教學(xué)方法以及與實(shí)例教學(xué)相呼應(yīng)的實(shí)例型考核，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中已經(jīng)收到了成效。當(dāng)然，我們也清醒地意識(shí)到，目前這些措施還不夠成熟，還有諸多需要完善的地方，這些在我們今后的教學(xué)中將不斷加以改進(jìn)和提高。

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