基于應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的 “機(jī)車車輛振動(dòng)基礎(chǔ)” 課程教學(xué)改革

李婭娜，謝素明，齊鯤鵬

（大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院 遼寧 大連 116028）

培養(yǎng)高素質(zhì)人才是各個(gè)高校教學(xué)改革的基本取向，是高校人才培養(yǎng)的核心任務(wù)。本科教育主要是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，應(yīng)用型創(chuàng)新人才則屬于應(yīng)用型人才中的特殊類型。為了應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革挑戰(zhàn)，支撐 “創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)” “新工科要求” “中國制造2025” 和 “中國教育現(xiàn)代化2035” 等一系列國家戰(zhàn)略[1-4]，必須對(duì)傳統(tǒng)的工程教育進(jìn)行深化改革和創(chuàng)新，從培養(yǎng)應(yīng)用型人才向培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才轉(zhuǎn)變，為國家培養(yǎng)更多知識(shí)儲(chǔ)備扎實(shí)、具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的 “應(yīng)用型創(chuàng)新人才” 。

各高校對(duì)振動(dòng)理論相關(guān)課程和實(shí)踐培訓(xùn)進(jìn)行了相關(guān)研究。2012年開始，同濟(jì)大學(xué)的郭榮等人對(duì) “機(jī)械振動(dòng)學(xué)” 課程進(jìn)行了改革探索，采取理論講授、電算教學(xué)和綜合性實(shí)驗(yàn)等多種教學(xué)模式，改變以試卷評(píng)價(jià)為主的單一形式，將綜合能力和人格養(yǎng)成作為評(píng)價(jià)內(nèi)容[5]。2016年海軍航空工程學(xué)院韓維等人對(duì) “機(jī)械振動(dòng)” 課程在課程內(nèi)容體系、教學(xué)方法、教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面進(jìn)行了較為完整的探索研究和實(shí)踐，尤其是在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，采用帶實(shí)際裝備背景的問題式教學(xué)方式，將學(xué)生論文選題中涉及振動(dòng)和動(dòng)力學(xué)研究方面的題目作為課堂教學(xué)、課后研究的延伸，以實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的完美結(jié)合[6]。2017年上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)潘玉娜對(duì) “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[7]。北京科技大學(xué)的郜志英等用數(shù)值仿真處理機(jī)械振動(dòng)課程若干教學(xué)難點(diǎn)，使得抽象問題形象化，理論問題趣味化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律的深入理解和應(yīng)用，強(qiáng)化學(xué)生在工程實(shí)踐中分析問題和解決問題的能力[8]。2019年江蘇大學(xué)的王勇等人分析 “機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)” 課程教學(xué)中存在的問題，通過將現(xiàn)代教育理念及模式與教學(xué)相融合、密切結(jié)合理論教學(xué)與實(shí)際工程、將仿真軟件融入教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實(shí)際問題的能力，提高教學(xué)質(zhì)量[9]。沈陽航空航天大學(xué)潘五九等人，在 “中國制造2025” 戰(zhàn)略下對(duì)機(jī)械振動(dòng)學(xué)進(jìn)行教學(xué)研究，對(duì)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了改革，加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

為了大連交通大學(xué)車輛工程專業(yè)工程認(rèn)證和一流專業(yè)的建設(shè)，需要對(duì) “機(jī)車車輛振動(dòng)基礎(chǔ)” 課程進(jìn)行改革，讓學(xué)生能夠充分掌握理論知識(shí)，在滿足工程教育應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

1 課程現(xiàn)狀

以學(xué)生為中心，從學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、學(xué)生學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)生對(duì)這門課的期望度等方面進(jìn)行分析，原有的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式不再適用，問題在教學(xué)中逐漸浮現(xiàn)，具體表現(xiàn)在四個(gè)方面：

第一，基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)，缺少連貫性，存在原有知識(shí)與新知識(shí)相互脫節(jié)的問題。 “機(jī)車車輛振動(dòng)基礎(chǔ)” 課程學(xué)習(xí)需要大量數(shù)學(xué)和力學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，如果基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握不扎實(shí)，不能融入新的課程中，就使得新舊知識(shí)嚴(yán)重脫節(jié)，如果不能用力學(xué)知識(shí)建立振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，就不能合理地使用高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)來求解振動(dòng)規(guī)律，不具備解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題的思維能力。

第二，學(xué)習(xí)興趣不高，不喜歡主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考。信息化時(shí)代，教學(xué)內(nèi)容更新速度很快，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段很難適應(yīng)新時(shí)代學(xué)生的需求，如果不能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就不能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，更不能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新性思維能力。

第三，理論學(xué)習(xí)多，實(shí)踐應(yīng)用少。原有課程具有教學(xué)內(nèi)容多、課時(shí)少、概念復(fù)雜、難度較高等特點(diǎn)，偏重理論學(xué)習(xí)，缺少相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)，更沒有相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足線上教學(xué)的條件。不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力。

第四，學(xué)習(xí)知識(shí)多，思政教育少。理工科類專業(yè)課程不同于人文社科專業(yè)課程，課程教學(xué)中如何把思政落到實(shí)處比較難，如果不能根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)、課程性質(zhì)提煉思政元素，就不能把振動(dòng)專業(yè)課知識(shí)的科學(xué)價(jià)值精髓傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生理解科學(xué)理論價(jià)值與中國軌道車輛發(fā)展的時(shí)代意義，更不能培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)、責(zé)任感的高級(jí)工程技術(shù)人才。

2 改革措施

2.1 基于思維導(dǎo)圖的課程內(nèi)容的三維重構(gòu)

在掌握大量數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，用各種振動(dòng)方法理論思想，借助傳統(tǒng)力學(xué)公式建立各種系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)進(jìn)行求解分析，從縱向（簡單到復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)）、橫向（單一自由度振動(dòng)形式）和垂向（各種求解方法）三個(gè)維度，用思維導(dǎo)圖串聯(lián)新舊知識(shí)，了解和掌握知識(shí)層面的信息，建立各種自由度振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.2 基于混合教學(xué)模式的多種形式教學(xué)方法和教學(xué)手段的再造

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富并創(chuàng)新課程形式，采用課堂+線上+線下+實(shí)踐相結(jié)合的多種形式教學(xué)方法。伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等技術(shù)快速發(fā)展，除傳統(tǒng)教學(xué)手段（課堂講授、多媒體案例分析、分組討論）等，開發(fā)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)、移動(dòng)終端的學(xué)習(xí)通和手機(jī)公眾號(hào)學(xué)習(xí)。

2.3 基于虛/實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程的二維開發(fā)

在線下物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一和缺乏線上虛擬振動(dòng)系統(tǒng)軟件的情況下，一方面積極開發(fā)多種物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，另一方面指導(dǎo)學(xué)生使用flash，C++、Matlabd等軟件及語言團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)各種振動(dòng)仿真模型，并在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的支持下，自主開發(fā)線上虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，把課程中涉及的各主要章節(jié)的理論知識(shí)和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)條件缺乏的情況下，完成網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。

2.4 基于案例設(shè)計(jì)的三階段思政教育提煉

基于案例設(shè)計(jì)，分階段進(jìn)行思政教育，課程前期，通過文獻(xiàn)綜述查閱古今中外振動(dòng)有利有弊的案例，引導(dǎo)學(xué)生思考振動(dòng)對(duì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要性；課程當(dāng)中，融入最新工程案例講解和分析，引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)出平穩(wěn)、安全的軌道車輛，樹立歷史責(zé)任感；課程后期，通過物理實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等創(chuàng)新能力培養(yǎng)，為學(xué)生進(jìn)行振動(dòng)案例設(shè)計(jì)、研發(fā)和軟件開發(fā)的職業(yè)規(guī)劃方面奠定基礎(chǔ)。

3 改革效果

3.1 學(xué)而有用

學(xué)生按照課程模塊學(xué)習(xí)，從三個(gè)維度出發(fā)，從簡單到復(fù)雜，建立單自由度振動(dòng)、兩自由度振動(dòng)、多自由度振動(dòng)和到彈性體振動(dòng)，并把各種求解方法（牛頓第二定律、虛功原理、哈密爾頓原理、第二類拉格朗日方程及能力法等）串聯(lián)起來，建立了各個(gè)模塊的思維導(dǎo)圖，有理論為主的思維導(dǎo)圖，有公式為主的思維導(dǎo)圖，同時(shí)把冰冷的數(shù)學(xué)公式用不同顏色、不同形狀的動(dòng)圖表現(xiàn)出來，形象生動(dòng)地完成了新舊知識(shí)的銜接，使學(xué)生了解數(shù)學(xué)、力學(xué)和振動(dòng)課程學(xué)習(xí)都是有用的。

3.2 學(xué)而有趣

伴隨著5G時(shí)代的來臨以及越來越廣泛普及及應(yīng)用的移動(dòng)智能終端設(shè)備及微信等應(yīng)用軟件的發(fā)展，教學(xué)方法和教學(xué)手段不斷更新，每次上課都要進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂講授（課堂）：針對(duì)課程重點(diǎn)內(nèi)容知識(shí)，老師進(jìn)行集中授課，讓同學(xué)們?cè)谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)掌握主要的知識(shí)內(nèi)容，老師是主體，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力；教學(xué)案例（線下）：授課教師利用科研團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大的工程項(xiàng)目背景，開發(fā)了二十多種適合振動(dòng)理論研究的案例，比如城軌、動(dòng)車、高鐵及懸掛設(shè)備等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，通過案例分析，一方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面讓學(xué)生了解我國軌道車輛安全運(yùn)行存在的隱患，加強(qiáng)改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性的歷史責(zé)任感；分組討論與參與互動(dòng)（線下+線上）：在學(xué)習(xí)通和手機(jī)移動(dòng)公眾號(hào)發(fā)布互動(dòng)問題，每組4―6人以小組討論形式完成，進(jìn)行老師評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)和組內(nèi)成員互評(píng)，老師從旁協(xié)助，學(xué)生為主體，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力；移動(dòng)終端學(xué)習(xí)（學(xué)習(xí)通和手機(jī)公眾號(hào)）（線上）：逐步搭建了網(wǎng)上學(xué)習(xí)通平臺(tái)，包括PPT文檔，文獻(xiàn)查閱、作業(yè)習(xí)題、問題討論等，同時(shí)開發(fā)了手機(jī)移動(dòng)端公眾號(hào)，通過微信平臺(tái)功能，學(xué)生除了可以查看上課的學(xué)習(xí)資料外，還可以與老師進(jìn)行互動(dòng)交流。

3.3 學(xué)而有變

根據(jù)工程認(rèn)證和一流專業(yè)建設(shè)需求購買8個(gè)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，開發(fā)多種與實(shí)際工程案例相結(jié)合的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如簡支梁和車體一階垂彎物理實(shí)驗(yàn)與仿真模擬的對(duì)比。學(xué)生在基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，學(xué)會(huì)了數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)整理及報(bào)告撰寫的能力。同時(shí)針對(duì)疫情變化，在老師指導(dǎo)下，經(jīng)過幾屆學(xué)生的共同努力，開發(fā)了虛擬振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括單自由度各種形式的振動(dòng)曲線模擬、多自由無阻尼振動(dòng)模擬、簡支梁不同支撐條件的計(jì)算模態(tài)與仿真模態(tài)對(duì)比，復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)計(jì)算等。學(xué)生通過公眾號(hào)了解實(shí)驗(yàn)安排和觀看實(shí)驗(yàn)操作視頻，并通過平臺(tái)找到虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的連接接口，根據(jù)興趣完成多個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得大學(xué)生創(chuàng)新大賽優(yōu)秀獎(jiǎng)項(xiàng)并申請(qǐng)了軟件登記。使學(xué)生認(rèn)識(shí)本課程學(xué)習(xí)可以有多種變化形式：理論基礎(chǔ)+物理實(shí)驗(yàn)+虛擬實(shí)驗(yàn)。

3.4 學(xué)而有思

進(jìn)行學(xué)情分析，了解學(xué)生性格特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，在授課當(dāng)中進(jìn)行創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，讓學(xué)生在討論問題的過程中，逐步把學(xué)到的基本知識(shí)和理論轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)人的想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，申請(qǐng)軟件專利等實(shí)踐能力。通過思政教育，把最新的科研成果帶入課堂，開闊了視野，促進(jìn)了學(xué)生的健康成長。使學(xué)生思考未來的學(xué)習(xí)和職業(yè)規(guī)劃：有的學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中繼續(xù)選擇振動(dòng)方面的研究并發(fā)表論文；有的學(xué)生堅(jiān)定考研決心，進(jìn)一步進(jìn)行軌道車輛結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究；有的發(fā)展個(gè)人編程興趣愛好，選擇軟件工程師工作。

4 結(jié)語

本文針對(duì) “機(jī)車車輛振動(dòng)基礎(chǔ)” 課程特點(diǎn)及課程中存在的問題，從思維導(dǎo)圖、混合教學(xué)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和思政教育四個(gè)方面，進(jìn)行課程創(chuàng)新改革，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，獲得了良好的教學(xué)效果。