注重培養(yǎng)學(xué)生建立力學(xué)模型的能力——談?wù)劇皺C(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的教學(xué)

岳曉麗，陳慧敏

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

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注重培養(yǎng)學(xué)生建立力學(xué)模型的能力
——談?wù)劇皺C(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的教學(xué)

岳曉麗，陳慧敏

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

摘要：立足“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的特點(diǎn)及教學(xué)過程中存在的問題，探索適合課程及學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的教學(xué)體系和教學(xué)方法。在教學(xué)體系中，注重實(shí)際問題與理論內(nèi)容的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的物理模型建立力學(xué)模型能力的培養(yǎng)。在教學(xué)實(shí)踐中，提出教師講授與學(xué)生分組討論相結(jié)合、教案與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源相結(jié)合、理論計(jì)算與軟件分析相結(jié)合等多種教學(xué)方式，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性及參與度，提高“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機(jī)械動(dòng)力學(xué)；力學(xué)模型；教學(xué)體系；教學(xué)方法

一、 “機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的特點(diǎn)

隨著機(jī)械裝備向高速化、大型化、精細(xì)化方向發(fā)展，從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行，動(dòng)力學(xué)問題會(huì)伴隨著機(jī)械系統(tǒng)的整個(gè)生命周期。對(duì)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生而言，“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”是一門非常重要的專業(yè)課程，以往是工科碩士生學(xué)習(xí)的課程，現(xiàn)在在許多高校已作為本科生學(xué)習(xí)的課程。

“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程具有如下特點(diǎn)：首先，課程所涉及的基礎(chǔ)理論知識(shí)非常寬泛，其大量的理論來源于理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等基礎(chǔ)課程；其次，課程所包含的知識(shí)點(diǎn)又與機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理和現(xiàn)代制造方法等專業(yè)課程有交集；再次，它是一門具有很強(qiáng)工程背景的技術(shù)基礎(chǔ)課程。這些特點(diǎn)對(duì)于本科生學(xué)習(xí)“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”而言，帶來了聽課似懂非懂，知其然而不知其所以然，不能把這門課的知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力等一系列問題。這些問題也是國內(nèi)外高校機(jī)械類本科教育中開設(shè)“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程遇到的共性問題[2-4]。除此之外，我校(東華大學(xué))機(jī)械設(shè)計(jì)方向是以紡織機(jī)械為特色的，紡織機(jī)械中各種機(jī)械的主軸、紡紗錠子等關(guān)鍵零部件的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)機(jī)器的振動(dòng)、噪聲、使用壽命、工作環(huán)境及織物最終質(zhì)量都有重要影響[5-8]。因此，學(xué)生無論是在學(xué)習(xí)過程中，還是在今后的工作實(shí)踐中，對(duì)紡織機(jī)械的動(dòng)力學(xué)分析及應(yīng)用都是必不可少的，有著舉足輕重的作用。

正是由于上述課程特點(diǎn)，授課教師覺得“難講”，學(xué)生更是覺得“難懂、難理解、難以應(yīng)用”。所以，探索激發(fā)學(xué)生興趣、具有專業(yè)特色、適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的知識(shí)體系及授課方式，是“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程建設(shè)的目標(biāo)。

二、 “機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)改革的實(shí)踐

我校在“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程建設(shè)過程中，立足于專業(yè)及課程特點(diǎn)，采用物理模型與力學(xué)模型相互轉(zhuǎn)化、工程實(shí)例與習(xí)題相互結(jié)合、理論計(jì)算與軟件分析相互輔助、課堂講解與小組討論相互結(jié)合等教學(xué)方式，探索教學(xué)規(guī)律，以期達(dá)到教學(xué)目標(biāo)和要求，使學(xué)生真正受益于該課程。

1. 以機(jī)械系統(tǒng)的物理模型為基礎(chǔ)，注重建立振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型能力的培養(yǎng)

在課程教學(xué)中，先回顧“材料力學(xué)”以桿、梁類結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，“理論力學(xué)”以質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體等為研究對(duì)象，然后引入“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”以機(jī)械系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究力與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于有相關(guān)力學(xué)理論的基礎(chǔ)，學(xué)生更習(xí)慣于求解已經(jīng)轉(zhuǎn)化后的機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型。但當(dāng)問題以機(jī)械系統(tǒng)的物理模型呈現(xiàn)時(shí)，學(xué)生往往會(huì)無從下手，更談不上后續(xù)的求解及分析。所以，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)各組成部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料性能，如何將系統(tǒng)的物理模型抽象成用于分析的力學(xué)模型尤為必要。可以從以下三個(gè)方面著手：

(1) 根據(jù)工程應(yīng)用精度要求，確定自由度的數(shù)目。機(jī)械系統(tǒng)中的絕大多數(shù)零部件、機(jī)構(gòu)都是復(fù)雜的、有無限多自由度的彈性系統(tǒng)，在將無限多自由度系統(tǒng)(連續(xù)系統(tǒng))離散為有限多自由度系統(tǒng)(離散系統(tǒng))時(shí)，通過大量的實(shí)例，讓學(xué)生體會(huì)如何既滿足工程精度要求，又能使問題切實(shí)可解。在這樣兩個(gè)前提下，確定自由度的數(shù)目，建立近似的力學(xué)模型。

(2) 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能，建立振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型。在建立力學(xué)模型的過程中，確定復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)中哪些結(jié)構(gòu)可簡化為質(zhì)量塊、哪些結(jié)構(gòu)可簡化為彈簧是教學(xué)重點(diǎn)。首先將“機(jī)械原理”與“理論力學(xué)”的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行平行展開和回顧；其次，針對(duì)具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析哪些構(gòu)件有較大的慣性和剛度，可處理為質(zhì)量塊，哪些構(gòu)件慣性較小，柔度較大，可處理成無質(zhì)量的彈簧；最后，對(duì)一些典型的系統(tǒng)進(jìn)行分析和歸納。如齒輪軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪具有較大的慣性，可視為集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而軸則可視為無質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)彈簧。

(3) 根據(jù)模型簡圖，集中推導(dǎo)出不同結(jié)構(gòu)的等效剛度。在教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度沒有較深入的認(rèn)識(shí)。通過選擇典型結(jié)構(gòu)，與學(xué)生一起求解等效剛度，使學(xué)生逐步掌握這一重要性能指標(biāo)與材料、載荷條件的關(guān)系。

通過上述三方面內(nèi)容的重點(diǎn)講授與練習(xí)，使學(xué)生能夠比較深入地了解建立力學(xué)模型的一般規(guī)律，提高應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

2. 分門別類建立并求解運(yùn)動(dòng)微分方程

在確定機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型之后，如何建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程并進(jìn)行求解，是學(xué)生面臨的又一難點(diǎn)。以多自由度系統(tǒng)為例，有多種建立運(yùn)動(dòng)微分方程的方法。集中梳理最常用的根據(jù)牛頓定律、動(dòng)量矩定律建立振動(dòng)方程的方法，用拉格朗日方程來導(dǎo)出振動(dòng)方程的方法及影響系數(shù)法等。在此過程中，盡可能讓學(xué)生采用不同的方法建立運(yùn)動(dòng)微分方程，從中體會(huì)不同方法的各自優(yōu)勢。通過歸納高等數(shù)學(xué)及線性代數(shù)求解微分方程(組)的不同方法，使學(xué)生對(duì)求解運(yùn)動(dòng)方程(組)有完整、清晰的思路。

3. 引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出解決實(shí)際問題的方案

與以往學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”“理論力學(xué)”不同的是，在學(xué)習(xí)“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”過程中，要培養(yǎng)學(xué)生有意識(shí)地分析求解的結(jié)果，能夠讀懂各種頻譜、相譜曲線，學(xué)會(huì)分析共振問題、隔振問題。從而學(xué)習(xí)在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中如何減小振動(dòng)或利用振動(dòng)。在這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)里，盡可能選擇各類紡織機(jī)械作為實(shí)例，使學(xué)生更容易建立理論知識(shí)與實(shí)際問題的聯(lián)系。同時(shí)，利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室相關(guān)樣機(jī)、試驗(yàn)裝置，使學(xué)生能夠更直觀地了解設(shè)備設(shè)計(jì)、使用過程中對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求。

4. 采用多種教學(xué)方法相結(jié)合，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)的參與度

除合理設(shè)置課程體系、有效調(diào)整教學(xué)內(nèi)容外，還要有機(jī)協(xié)調(diào)多種教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其積極投入到課程學(xué)習(xí)過程中。在連續(xù)四年的教學(xué)過程中，筆者主要采用了以下幾種教學(xué)方式：

(1) 課堂講授與學(xué)生分組討論相結(jié)合。由于“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”是理論性比較強(qiáng)的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的疑點(diǎn)和困惑很多，如果只是采用傳統(tǒng)的教師主講的教學(xué)模式，有的學(xué)生會(huì)放棄課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此，在教學(xué)過程中，針對(duì)某些章節(jié)內(nèi)容，先列舉問題，然后學(xué)生分組進(jìn)行專題討論，最后進(jìn)行講解。這樣的教學(xué)方式可以大大提高學(xué)生的參與度，在這種講授與學(xué)生分組討論相結(jié)合的教學(xué)模式下，學(xué)生通過思維交鋒、暢所欲言，對(duì)相關(guān)知識(shí)有了更深入的理解。

(2) 教案與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源相結(jié)合。“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”也是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，學(xué)生由于缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作原理、使用情況不熟悉，甚至很陌生，在學(xué)習(xí)過程中也會(huì)產(chǎn)生一些疑點(diǎn)和困惑?，F(xiàn)在有一些企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用三維模型或?qū)嵨镎故咀约旱臋C(jī)械產(chǎn)品，將這部分資源充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，無疑是一個(gè)很好的方法。通過形象、具體、生動(dòng)的圖片、視頻，縮短了學(xué)生所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際案例的距離，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能“感知”相關(guān)知識(shí)。同時(shí)，充分利用機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室、工程中心的現(xiàn)有儀器設(shè)備，使學(xué)生能將理論知識(shí)與機(jī)械結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，避免出現(xiàn)“紙上談兵”的現(xiàn)象。

(3) 理論計(jì)算與軟件分析相結(jié)合。在對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，求解運(yùn)動(dòng)微分方程(組)一直是學(xué)生的一個(gè)學(xué)習(xí)難點(diǎn)。除典型問題有方法可循外，絕大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題都難于求解，這就制約了學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的動(dòng)力學(xué)分析。目前有很多計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，可以很好地完成動(dòng)力學(xué)計(jì)算、圖表顯示等，這樣可以使學(xué)生將更多的精力用于建立運(yùn)動(dòng)微分方程、結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué)分析等方面，使學(xué)生能夠深層次掌握機(jī)械動(dòng)力學(xué)的理論，并學(xué)會(huì)將其應(yīng)用于實(shí)際問題。

三、 結(jié)語

從分析“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的特點(diǎn)及教學(xué)過程中存在的問題入手，經(jīng)過幾年的探索及教學(xué)實(shí)踐，尋找適合課程及當(dāng)前學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的教學(xué)體系和教學(xué)方法。在教學(xué)體系中，注重實(shí)際問題與理論學(xué)習(xí)的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)根據(jù)機(jī)械物理結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型能力的培養(yǎng)。在教學(xué)實(shí)踐中，提出課堂講授與學(xué)生分組討論相結(jié)合、教案與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源相結(jié)合、理論計(jì)算與軟件分析相結(jié)合等多種教學(xué)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性、參與度及興趣，以期提高“機(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量。

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新書介紹

書名： 《品牌女裝設(shè)計(jì)與技術(shù)》

作者： 卓開霞 定價(jià)： 58.00元 書號(hào)： 9787566908087

開本： 16開

簡介： 紡織服裝高等教育“十二五”部委級(jí)規(guī)劃教材；浙江省示范性高等職業(yè)院校建設(shè)教材；服裝職業(yè)教育項(xiàng)目課程系列教材。

該書是在《女時(shí)裝設(shè)計(jì)與技術(shù)》的基礎(chǔ)上編寫的?！杜畷r(shí)裝設(shè)計(jì)與技術(shù)》一書于2008年出版，書稿問世以來受到很多同類院校的好評(píng)，為專業(yè)教學(xué)改革提供了參考資料。該書為作者致力于項(xiàng)目化教學(xué)數(shù)載的總結(jié)，在結(jié)合同行建議和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，以構(gòu)建“以能力為本位”教學(xué)理念為指引，其中不僅根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程重新梳理了教材內(nèi)容，而且還補(bǔ)充了必要的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識(shí)和職業(yè)技能的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

[資料來源：東華大學(xué)出版社，2016-02-22]

中圖分類號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-3860(2016)01-0057-03

作者簡介：岳曉麗(1968—)，女，吉林松原人，教授，博士，研究方向?yàn)榘鍘к垯C(jī)板形控制理論及應(yīng)用技術(shù)、染整機(jī)械及過程控制模型應(yīng)用技術(shù)。 E-mail：xlyue@dhu.edu.cn

基金項(xiàng)目：東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院課程建設(shè)項(xiàng)目