新工科背景下的機械動力學課程教學新模式

黃毅 唐宏賓 何志勇 周振華

[關鍵詞]新工科;機械動力學課程;教學模式;課程改革

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設。該計劃一經(jīng)提出，立即引起全社會的廣泛關注。目前各行各業(yè)都在思考如何圍繞新工科建設的內涵要求，推動新工科人才的培養(yǎng)。教育行業(yè)也在積極探索。張安富等探討了在“中國制造2025”背景下如何建設新工科的問題。劉吉臻等通過解析新工科和新工科建設的內涵，探討了行業(yè)特色型大學的新工科建設。李波貝等撰文探討了新工科背景下地方高校應用型人才培養(yǎng)模式。張孟玫等以工程制圖課程為例，提出了以問題驅動新工科教學改革。羅忠以東北大學機械工程專業(yè)培養(yǎng)體系改革為例，對國內外開有機械工程專業(yè)的主要知名院校的主導研究方向和主干課程設置等情況進行對比分析，提出了新工科背景下機械工程專業(yè)培養(yǎng)體系改革的體會。尤佳等基于新工科建設的要求，在數(shù)字電子技術課程中進行了教學模式的探索。吳濤等通過分析新工科背景下的機電專業(yè)特點與實踐教學理念轉變，探索了新工科背景下的機電專業(yè)實踐教學改革的新思路和新方法。王偉等探討了采用理論、實驗和科研相融合的分析方法對提高機械動力學教學質量、提升學生動手能力、發(fā)展科研探索的價值。華秀梅從學理和實踐兩個維度出發(fā)，開展了大思政視域下高校思政課理論教學與實踐教學協(xié)同融合研究。王文東等重點研究了新工科背景下基礎實驗教學模式的改革方案，提出了綜合創(chuàng)新實驗體系建設的實施方式。

筆者具有多年從事機械動力學課程教學和工程項目研究的工作經(jīng)驗，近年來結合新工科背景要求，對機械動力學課程的教學模式進行了深入的思考，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學課程教學過程中的若干環(huán)節(jié)，大大提升了課程教學效果。

一、傳統(tǒng)課程的特點及存在問題

（一）特點

現(xiàn)代機械不斷向高速、輕質、高精度、高效率、智能化方向發(fā)展，對機械系統(tǒng)動力學性能提出了更高的要求。對機械類專業(yè)學生而言，機械動力學是一門非常重要的專業(yè)課程，以往是工科碩士生學習的課程，現(xiàn)在許多高校已將其作為本科生課程。

機械動力學課程具有以下特點：（1）課程所涉及的基礎理論知識非常寬泛，其大量的理論來源于理論力學、材料力學、結構力學、高等數(shù)學、線性代數(shù)等基礎課程。（2）課程所包含的知識點與機械設計、機械原理和現(xiàn)代制造方法等專業(yè)課程有交集。（3）這是一門具有很強工程應用背景的技術基礎課程。對于本科生而言，這些特點會帶來學生聽課似懂非懂，知其然而不知其所以然，不能把這門課的知識轉化為解決實際問題的能力等一系列問題。除此之外，長沙理工大學機械設計方向是以工程機械為特色的，工程機械中各種柔性承力結構、動力傳動結構等關鍵零部件的動態(tài)特性，對復雜工況下工程機械的振動、噪聲、使用壽命都有重要影響。因此，學生無論是在學習過程中，還是在今后的工作實踐中，對工程機械的動力學分析及應用都是必不可少的，有著舉足輕重的作用。

（二）存在問題

目前，國內高校機械類本科教育中開設的機械動力學課程存在以下共性問題：（1）教學內容沒有緊扣工程應用，缺乏通過工程實例進行講解，使學生難以理解課程內容的工程背景和目標。學生由于長期習慣進行理性思維和嚴密的理論推導，同時缺乏工程實際經(jīng)驗和形象思維訓練，因此不能充分理解解決工程問題的直接目標，抓不住要領。（2）由于機械動力學課程內容具有較深的理論深度，教師在進行課堂教學中，主要采用大量的數(shù)學公式進行推導，較少采用基于現(xiàn)代仿真工具的更為直觀的動畫仿真結果，更少結合直觀實體模型和實驗結果來對比說明，這就使得課程內容抽象、深奧晦澀，學生學習的動力明顯不足。（3）傳統(tǒng)教學對專業(yè)課的理解和認知囿于片面化，側重于一板一眼的說教，滿足于對冗長深奧理論的復述，課堂往往流于機械化、刻板化，沒有將專業(yè)知識與思政元素緊密結合起來，沒有用生動的工程經(jīng)驗和實踐案例來進行闡發(fā)。以這種方式授課，難以調動學生的學習積極性，無法取得令人滿意的教學效果。由于上述課程特點和存在問題，授課教師覺得“難講”，學生更是覺得“難瞳、難理解、難以應用”。所以，探索能夠激發(fā)學生興趣、具有工程特色、適應學生學習特點的教學新模式，是機械動力學課程建設的目標。

二、新工科背景下的教學新模式探索實踐

在新工科背景下，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學課堂教學過程中的若干環(huán)節(jié)，能使學生處于“主動、開放、較自由的狀態(tài)”。這種主動、開放、自由的狀態(tài)體現(xiàn)了學生的主體地位，學生在這種狀態(tài)下進行學習，積極性將得到很大的提升。本文以機械動力學課程中的動力減振原理為例，詳細闡述該教學新模式的應用實踐。

（一）結合工程案例啟發(fā)

很多日常自然現(xiàn)象和工程實踐都滲透著機械動力學的知識，可以充分利用這一特點，將世界上一些著名的工程和現(xiàn)象展現(xiàn)給學生，以激發(fā)學生學習的興趣，增強學生學習動力，啟發(fā)學生進行思考，為后續(xù)理論課程的教學奠定基礎。

教師上課前可通過雨課堂平臺向學生推送相關工程案例背景資料（圖1），上課時首先展示“地震時的高層建筑”視頻材料，讓學生身臨其境地感受到地震對高層建筑破壞的嚴重性，順勢向學生提出如何解決高層建筑的抗震問題。接著，展示“臺北101大樓減震器”相關新聞報道的視頻、文字材料，啟發(fā)學生從工程問題中思考其中運用的動力學原理，讓學生帶著疑問走進課堂。

（二）豐富課堂教學內容

充分利用各種教學資源的優(yōu)勢，將其靈活引入課堂教學環(huán)節(jié)中，形成包括工程需求、理論分析、仿真分析、實驗驗證、工程應用等模塊的閉環(huán)教學內容模式，以豐富的教學內容激發(fā)學生的學習興趣，加深學生的理解。

課前推送工程案例材料，引導學生對工程需求進行深入分析，從工程問題里提出科學問題。結合動畫等形式，對研究對象進行模型簡化，并考慮動力減振方案，開展動力減振原理的理論分析。基于理論分析結果，使用動力學仿真軟件AMDAS搭建動力學仿真模型，在課堂上開展動力減振原理的演示并分析仿真結果，加深學生對理論知識的理解。借助制作好的高層建筑模型（柔性框架模型）和動力減振裝置（單擺裝置）等簡易實驗裝置，從直觀實驗角度對動力減振原理進行驗證，通過對比實驗的振動曲線清晰、直觀地展示“動力減振”裝置的效果。最后，將課堂講授的理論回歸到實際的工程應用，完成動力減振原理的閉環(huán)教學。

（三）融入課堂思政教育

教師在課堂上除了講授專業(yè)知識，更重要的是培養(yǎng)學生的自主學習能力與專業(yè)素養(yǎng)。這些能力的養(yǎng)成并不是思政教育或者專業(yè)課程能夠單獨實現(xiàn)的，而是需要學生在潛移默化中逐漸養(yǎng)成。在專業(yè)課課堂上有效開展思政教育，必然能夠實現(xiàn)思政教育和專業(yè)技能培養(yǎng)的雙贏。

教師通過講述摩天大樓發(fā)展歷史，告訴學生我國摩天大樓從無到有再到"2018年48%的世界摩天大樓在中國”的故事，這些成績離不開廣大機械動力學科研工作者的不懈努力，然后引出我國工程院院士、著名工程非線性動力學專家陳予恕在解決工程振動中的故事，并通過介紹他在機械動力學中的重要貢獻和寄語來激勵學生。

（四）注重學習整體效果

課堂提問是學生向教師反饋學習效果、教師對教學效果自我認知的主要方式。通過隨機抽樣的方式來開展課堂提問在一定程度上能夠客觀反映學生知識吸收的情況。但是，抽樣的數(shù)量有限決定了其研究結果無法全面、客觀反饋實際情況。樣本數(shù)過少，個例難以代表整體情況;樣本數(shù)過多，影響課堂教學進度，耽誤教學時間。課堂提問無法面面俱到的缺點，難以讓所有學生全身心投入師生的互動中。

教師利用雨課堂平臺，將需要隨堂測試的題目設置在教學PPT中。教師在課堂教學過程中，根據(jù)知識點的講解情況，可以選擇將題目發(fā)送給學生，學生在手機上即可查看并在規(guī)定的時間內解答、提交答案。教師可隨時查看學生答題的情況，并將答題的結果在PPT上顯示，還可以附上答案解析，以備學生課后復習鞏固查看。教師根據(jù)答題情況，可針對性地對學生掌握知識的情況進一步進行糾正和總結。這樣可以做到實時、整體把握課堂教學效果，及時進行教學進度和內容的調整，同時也提高了全體學生參與課堂答題的熱情。

（五）強化師生互動交流

新媒體為我們提供了公共交流平臺，學生可以不受時間和空間的限制，有任何問題都可以隨時隨地地和授課教師進行互動交流，這就很好地輔助了課堂教學，將其從課堂延伸到課外。同時，新媒體平臺也是反饋平臺，授課教師能夠從中了解學生對課程知識的掌握情況，學生可以通過平臺向授課教師提出建議，從而促進課堂教學。

三、新工科背景下教學新模式探索實踐的效果

在新工科背景下，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學課程課堂教學過程中的關鍵環(huán)節(jié)，極大地提高了課程與工程的緊密聯(lián)系程度。該教學新模式自從2018年開始在長沙理工大學機械類本科教學班級進行嘗試。學生在接受調查時普遍反映這種教學模式激發(fā)了他們的學習興趣，學習效果有了較大提升。對比長沙理工大學教務系統(tǒng)關于選修該課程的學生對該課程的評價數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學生對該教學新模式的滿意度比傳統(tǒng)教學模式有了較明顯的提高，“很滿意”評價占比從15.2%上升到33.82%，“滿意”評價占比從46.79%上升到60.26%。

新模式的實施使學生對動力學理論知識的工程應用認知水平、實踐能力有了明顯的提升。這些在機械類本科學生的課外科技創(chuàng)新活動中有所體現(xiàn)，其科技作品中加入機械動力學的內容占比明顯增多，作品的質量也得到提升。在第八屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽、第十三屆全國大學生智能汽車競賽、第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽、第十六屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中，長沙理工大學所取得的成績有明顯進步。實踐表明，新工科背景下的機械動力學教學新模式探索取得了良好的效果。

四、結語

機械動力學對機械類專業(yè)學生而言是一門非常重要的專業(yè)課程。針對這門課程的教學存在的工程實際應用聯(lián)系不緊密、學生學習積極主動性不夠、思政教育與專業(yè)教育脫節(jié)等問題，長沙理工大學汽車與機械工程學院近年來大大加強了對這門本科生課程的改革。在新工科背景下，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學課程課堂教學過程中的關鍵環(huán)節(jié)，開展了以結合工程案例啟發(fā)、豐富課堂教學內容、融入課堂思政教育、注重學習整體效果、強化師生互動交流為特色的教學新模式的應用實踐探索，有效地提升了課程的教學效果。