機(jī)輛工程專業(yè)《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》本科課程教學(xué)實(shí)踐與思考

【摘要】針對(duì)本院機(jī)輛工程專業(yè)的相關(guān)課程設(shè)置，論證了《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》課程開設(shè)的必要性，探討了課程設(shè)置的基本思路。通過教學(xué)實(shí)踐，分析了存在的問題及今后教學(xué)需要修正的地方。

【關(guān)鍵詞】機(jī)輛工程 機(jī)械振動(dòng) 本科教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）34-0225-02

一、引言

近些年來，我國高速鐵路、城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)人才市場(chǎng)缺口巨大。上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)（原上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院）前瞻全球低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，審視上海及周邊地區(qū)軌道交通快速發(fā)展的形勢(shì)，瞄準(zhǔn)我國新型工業(yè)化對(duì)優(yōu)秀工程類人才的大量需求，在前期詳細(xì)調(diào)研論證基礎(chǔ)上，于2009年成立了軌道交通學(xué)院，建設(shè)初期下設(shè)三個(gè)本科專業(yè)：電子信息工程（軌道通號(hào)技術(shù)）、械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（機(jī)輛工程）、土木工程（軌道工程），其中機(jī)輛工程專業(yè)被寄予最有突破性的厚望。

我校以建設(shè)“高水平、應(yīng)用型、以工為主、特色鮮明的多科性本科院校，培養(yǎng)一線工程師的搖籃”為辦學(xué)目標(biāo)。一直致力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的、具有國際視野的、一線工程師為主的高質(zhì)量應(yīng)用技術(shù)人才。軌道交通學(xué)院立足于學(xué)校發(fā)展定位，突出辦學(xué)特色，提升學(xué)院綜合競(jìng)爭(zhēng)力，從與兄弟院校錯(cuò)位發(fā)展思路出發(fā)，院領(lǐng)導(dǎo)提出了以“站后”為目標(biāo)的辦學(xué)方針，并逐步形成科研、教學(xué)協(xié)調(diào)、雙贏的發(fā)展模式。

作為一所地方應(yīng)用型本科院校興辦機(jī)輛工程專業(yè)，作者在文獻(xiàn)[1]中對(duì)其培養(yǎng)計(jì)劃、目標(biāo)與模式等七大關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述。通過七年來不斷的努力、探索與實(shí)踐，機(jī)輛工程專業(yè)的培養(yǎng)方案得到逐步的優(yōu)化，在學(xué)科建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、人才建設(shè)等方面取得了一定的成效，學(xué)生就業(yè)率一直保持在領(lǐng)先位置。不過，在培養(yǎng)計(jì)劃方面，通過教學(xué)和學(xué)生反饋來看，還有需要不斷完善和優(yōu)化的地方，比如，開設(shè)了《機(jī)車動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)》和《動(dòng)車組檢測(cè)與故障診斷》兩門課程，對(duì)于沒有機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)的學(xué)生來講，其理解、接受起來存在一定的困難。針對(duì)這一問題，在培養(yǎng)計(jì)劃中增設(shè)了《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》這一課程。

二、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置基本思路

《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》是在工科院校機(jī)械專業(yè)廣泛開設(shè)的一門課程[2-4]，其主要目的在于為解決機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)問題提供必要的理論和方法。需要先修的基礎(chǔ)課程包括《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《高等數(shù)學(xué)》、《線性代數(shù)》等。該課程依據(jù)各院校各專業(yè)方向需求和培養(yǎng)目標(biāo)的不同，設(shè)置的學(xué)時(shí)、內(nèi)容也相差迥異。

我們學(xué)校雖然是一所二本院校，但由于整體氛圍注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐應(yīng)用能力，所以，在基礎(chǔ)課尤其是理論性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課方面比較薄弱。另外，學(xué)校近兩年一直在對(duì)培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行減學(xué)分調(diào)整。因此，《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》課程開設(shè)的基本思路如下：

1.小學(xué)時(shí)：課程總體的課時(shí)量設(shè)置為32學(xué)時(shí)的小學(xué)時(shí)。主要目標(biāo)在于，讓學(xué)生理解振動(dòng)的基本概念和在工程中的基本應(yīng)用，為后續(xù)課程進(jìn)行直接的服務(wù)。重點(diǎn)放在振動(dòng)的基本概念和單自由度振動(dòng)系統(tǒng)及其工程應(yīng)用上，而對(duì)于多自由系統(tǒng)，以最簡(jiǎn)單的兩自由度系統(tǒng)進(jìn)行核心概念的講解。

2.輕理論、重實(shí)踐：在共32學(xué)時(shí)中，設(shè)置8個(gè)課時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)振動(dòng)概念的直觀認(rèn)識(shí)，理解振動(dòng)理論在工程中的應(yīng)用，掌握振動(dòng)信號(hào)測(cè)試的基本架構(gòu)和一般過程。

三、教學(xué)實(shí)踐與思考

根據(jù)課時(shí)量對(duì)《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》的教學(xué)內(nèi)容的初步安排如下：

1.緒論，2學(xué)時(shí)：主要結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活和工程講解振動(dòng)的基本概念和應(yīng)用領(lǐng)域。

2.單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，10學(xué)時(shí)，包括：?jiǎn)巫杂啥鹊淖杂烧駝?dòng)（無阻尼和有阻尼自由振動(dòng)）、單自由度的強(qiáng)迫（簡(jiǎn)諧激振力、周期激振力和任意激振力下的強(qiáng)迫振動(dòng)以及強(qiáng)迫振動(dòng)的工程應(yīng)用）。

3.兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)，8學(xué)時(shí)，包括：無阻尼自由振動(dòng)、無阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)、無阻尼減振器、有阻尼振動(dòng)、有阻尼減振器。

4.機(jī)械振動(dòng)測(cè)試，2學(xué)時(shí)：主要講解進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)測(cè)試的物理量、傳感器、采集卡、采集程序等。

5.課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，8學(xué)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——轉(zhuǎn)子振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)置四個(gè)實(shí)驗(yàn)：①轉(zhuǎn)子的徑向和軸向振動(dòng)測(cè)量，主要為了讓學(xué)生直觀的看到振動(dòng)及采集到的振動(dòng)信號(hào)，了解機(jī)械振動(dòng)測(cè)試的硬件組成等；②轉(zhuǎn)子的臨界速度測(cè)試，主要是為了讓學(xué)生觀察轉(zhuǎn)子通過臨界速度附近的現(xiàn)象，了解判斷轉(zhuǎn)子臨界速度的常用方法；③結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)臨界速度的影響，主要是為了讓學(xué)生直觀理解結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子臨界速度的影響，從而和理論學(xué)習(xí)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合；④轉(zhuǎn)子軸心軌跡的合成，主要是通過實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，讓學(xué)生理解為什么會(huì)有軸心軌跡的概念，如何測(cè)量與合成。

6.習(xí)題課，2學(xué)時(shí)。

雖然上述教學(xué)計(jì)劃只包括了《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》中最基本也是相對(duì)較簡(jiǎn)單的內(nèi)容，但在教學(xué)實(shí)踐中，由于課時(shí)和學(xué)生實(shí)際的接受能力等原因，對(duì)講授內(nèi)容適時(shí)進(jìn)行了調(diào)整：

1.單自由度振動(dòng)系統(tǒng)：簡(jiǎn)諧激振力下的強(qiáng)迫振動(dòng)中只詳細(xì)講了其穩(wěn)態(tài)解；由于學(xué)生對(duì)傅里葉變換知識(shí)的欠缺，周期激振力下的強(qiáng)迫振動(dòng)只是一帶而過；由于考慮到杜哈梅積分比較難理解，任意激振力下的強(qiáng)迫振動(dòng)這部分就沒有講。

2.兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)：這部分變動(dòng)較大，只講解了兩自由振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程的建立、剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、固有頻率、主振型（由此引申了多自由度系統(tǒng)的主振型）、坐標(biāo)耦合等基本概念及其求解問題。

3.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生把理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有機(jī)結(jié)合起來，還存在一定的難度，如結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)臨界速度的影響問題。

盡管在教學(xué)實(shí)踐中，只抽取了《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》中的核心概念和較簡(jiǎn)單的理論及應(yīng)用部分進(jìn)行講授，并對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了反復(fù)強(qiáng)調(diào)和講解，但在課程考核中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)一些核心概念及應(yīng)用的掌握還存在很多問題：

1.關(guān)于系統(tǒng)輸入、輸出與微分方程中相關(guān)參數(shù)的對(duì)應(yīng)聯(lián)系還不能很好的建立，如針對(duì)單自由度有阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)的微分方程m■+c■+kx=F0ei？棕t，相當(dāng)部分學(xué)生不能理解什么是系統(tǒng)輸入（激勵(lì)），什么是系統(tǒng)輸出（響應(yīng)），盡管這個(gè)問題在課堂中進(jìn)行了反復(fù)講解和強(qiáng)調(diào)。從這個(gè)細(xì)節(jié)問題，其實(shí)也反映出了，對(duì)于像《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》這種本身理論性較強(qiáng)的課程，學(xué)生不太善于跳出理論數(shù)學(xué)式子與實(shí)際工程現(xiàn)象或術(shù)語進(jìn)行有機(jī)聯(lián)系，而這一點(diǎn)往往又是理論知識(shí)應(yīng)用于工程最基本的環(huán)節(jié)。endprint

2.一些基本概念掌握不夠牢固，如線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)在微分方程形式上的差異、自由度概念的實(shí)質(zhì)理解、阻尼在微分方程中的表現(xiàn)等。

3.簡(jiǎn)諧激振力下的強(qiáng)迫振動(dòng)求解問題的應(yīng)用：作為機(jī)輛工程專業(yè)的學(xué)生，在后續(xù)課程中會(huì)涉及到一個(gè)很重要的問題，即軌道激擾下車輛系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的問題，結(jié)合這一專業(yè)實(shí)際問題，課堂上在簡(jiǎn)諧慣性力激勵(lì)下系統(tǒng)響應(yīng)這節(jié)中，以車輛系統(tǒng)為例進(jìn)行了詳細(xì)的講解，但考試中相當(dāng)一部分同學(xué)仍存在很多問題。究其原因，可能還在于從理論推導(dǎo)到實(shí)際應(yīng)用還沒有很好的銜接。

綜合上述授課計(jì)劃、實(shí)際授課變動(dòng)和課程考核等過程中體現(xiàn)的問題，在今后的教學(xué)中應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)課程進(jìn)行優(yōu)化，包括：

1.理論授課內(nèi)容的進(jìn)一步優(yōu)選，尤其是加強(qiáng)數(shù)學(xué)方程與核心概念、概念與工程實(shí)際的聯(lián)系，這可能需要從補(bǔ)充、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段等多方面入手。

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)化與補(bǔ)充：本次教學(xué)實(shí)踐中由于實(shí)驗(yàn)條件有限，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，這雖然有助于后續(xù)課程《動(dòng)車組檢測(cè)與故障診斷》中相關(guān)概念的理解，但對(duì)《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》中的基礎(chǔ)概念如剛度、阻尼的理解涉及較少，后續(xù)教學(xué)中，應(yīng)該創(chuàng)造相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，加強(qiáng)基礎(chǔ)概念理解這一環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

四、結(jié)語

《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》在機(jī)輛工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，起到了一定的承上啟下的作用，有助于學(xué)生理解車輛中的相關(guān)振動(dòng)問題，也為相關(guān)動(dòng)手實(shí)踐內(nèi)容提供了支撐。在綜合考慮專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)分限制等因素下，通過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐總結(jié)與思考，更為清晰的了解了學(xué)生對(duì)本課程學(xué)習(xí)的特點(diǎn)以及今后教學(xué)中需要修正與改進(jìn)的地方，包括理論授課內(nèi)容的優(yōu)選、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的再優(yōu)化與補(bǔ)充、豐富教學(xué)手段、提高課堂教學(xué)的趣味性等多個(gè)方面。

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