基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“振動力學(xué)”課程教學(xué)改革探索

李海艷 李延強(qiáng) 于衛(wèi)霞 田瑞蘭

摘?要：培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高等教育的重要使命，教學(xué)內(nèi)容的革新與優(yōu)化是影響大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵因素。本文基于“振動力學(xué)”課程，開展學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容改革探索。首先分析“振動力學(xué)”課程教學(xué)中存在的問題;然后通過引入最新工程實際案例、實驗方法、數(shù)值模擬等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新內(nèi)容、新成果和新思想，更新課程內(nèi)容;最后通過應(yīng)用前后兩屆學(xué)生成績對比，驗證了應(yīng)用效果。本文的探索培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，以及運(yùn)用所學(xué)知識解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：振動力學(xué);教學(xué)改革;應(yīng)用效果;創(chuàng)新能力

中圖分類號：O32??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

當(dāng)今世界正處在知識經(jīng)濟(jì)時代，各行各業(yè)在激烈的競爭中，越來越依賴于人才的創(chuàng)新能力，創(chuàng)新已成為國家和民族興旺發(fā)達(dá)的動力之源。高等教育肩負(fù)著傳承知識、培養(yǎng)人才、推動社會進(jìn)步和發(fā)展的重任，培養(yǎng)和造就推動社會發(fā)展和進(jìn)步的具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型人才，是時代發(fā)展賦予高等教育的重大歷史使命[1]。課堂教學(xué)仍是目前我國高等教育的最主要形式，教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)量直接影響著大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力必須從課堂教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容改革入手。

本文基于“振動力學(xué)”課程，通過優(yōu)化課程內(nèi)容，進(jìn)行學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和提高的探索實踐。“振動力學(xué)”通過數(shù)學(xué)、實驗和數(shù)值計算等方法，探討各種振動現(xiàn)象的機(jī)理，闡明振動的基本規(guī)律，為解決實踐中可能產(chǎn)生的振動問題提供理論依據(jù)?！罢駝恿W(xué)”是力學(xué)專業(yè)本科生的主干課程之一，也是一門與機(jī)械、航空、航天、土木等工程密切聯(lián)系的技術(shù)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以全面地認(rèn)識工程結(jié)構(gòu)的振動規(guī)律，而且有助于認(rèn)識自然和工程中的振動現(xiàn)象，培養(yǎng)正確分析問題、解決問題的能力，有助于培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀和方法論，并為解決工程振動問題和從事科學(xué)研究工作打下堅實基礎(chǔ)[2]。

1?“振動力學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

我校工程力學(xué)本科專業(yè)“振動力學(xué)”課程理論授課學(xué)時為48學(xué)時，主要授課內(nèi)容包括單自由度系統(tǒng)的振動、多自由度系統(tǒng)的振動、振動問題的實用近似解法、連續(xù)系統(tǒng)的振動。單自由度體系的振動是多自由度體系振動和連續(xù)系統(tǒng)振動的基礎(chǔ)，多自由度體系振動的核心內(nèi)容是振型的概念以及振型疊加法，連續(xù)系統(tǒng)的振動是多自由度系統(tǒng)振動的延伸。工程中多數(shù)振動問題可采用線性振動理論解決，所以，本科階段對“振動力學(xué)”知識的掌握對學(xué)生未來解決工程振動問題或從事科學(xué)研究意義十分重大。

“振動力學(xué)”課程理論繁雜，公式推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，要求學(xué)生具有很好的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法過于偏重理論知識的傳授，普遍存在以下幾方面的問題：（1）學(xué)生對于“振動力學(xué)”中大量的物理概念缺乏直觀、形象的認(rèn)識，課堂講解缺乏實驗的參與，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。（2）教學(xué)模式單一，理論與工程實踐聯(lián)系不夠緊密，缺少大量與實際工程相關(guān)的案例，因而無法激發(fā)學(xué)生在工程振動問題應(yīng)用上的興趣。（3）“振動力學(xué)”學(xué)習(xí)過程中理論計算與數(shù)值模擬的對比分析不夠，學(xué)生利用大型有限元軟件分析解決“振動力學(xué)”問題的能力有待提高[3]。

針對上述問題，在“振動力學(xué)”課程教學(xué)中引入實驗方法、工程實際案例、數(shù)值模擬等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新成果、新思想和新手段，可有效提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力的高素質(zhì)創(chuàng)新型力學(xué)人才[4]。

2?“振動力學(xué)”課程教學(xué)改革

理論分析與實驗驗證、數(shù)值計算相結(jié)合，不但是力學(xué)發(fā)展的規(guī)律，也是增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果的必然選擇。因此，“振動力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容有必要與實驗、工程實際及工程應(yīng)用軟件相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[5]。

2.1?教學(xué)內(nèi)容與實驗結(jié)合

“振動力學(xué)”課程工程背景強(qiáng)、物理意義明確，將理論講解與試驗教學(xué)相結(jié)合可以加深學(xué)生對知識點的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及獨(dú)立分析和解決問題的能力，為將來從事科學(xué)研究和工程服務(wù)奠定基礎(chǔ)[6]。

以單自由度系統(tǒng)受簡諧激勵的幅頻特性曲線及其特征為例。單自由度系統(tǒng)對簡諧激勵的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為頻率等同于激勵力頻率而相位滯后于激勵力的簡諧振動，其幅頻特性曲線反映了幅值隨激勵力頻率和阻尼比的變化規(guī)律，通過對曲線的分析可以確定系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。由于曲線反映的規(guī)律不易理解，講解本部分內(nèi)容時，通過相應(yīng)的實驗，讓學(xué)生動手測出系統(tǒng)的速度幅頻特性曲線，并引入“半功率點”法確定系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。結(jié)合實驗講解由幅頻特性曲線確定系統(tǒng)固有頻率和阻尼比的原理，學(xué)生易于接受，且對曲線變化規(guī)律的理解也更為深刻。通過實驗還可讓學(xué)生接觸到“振動力學(xué)”實驗相關(guān)的試驗儀器，比如振動實驗儀、激振器、拾振器等，掌握這些實驗設(shè)備的操作技能。

2.2?教學(xué)內(nèi)容與工程實際結(jié)合

“振動力學(xué)”所討論的問題多數(shù)來源于工程實際，教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)引入工程案例的講解，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和討論，有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實際工程問題的能力，達(dá)到提高學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的[7]。

以“減震與隔振”內(nèi)容的講解為例。學(xué)生先要明確振動有其有利的一面，也有其有害的一面，為避免或減少振動的不利影響，工程上常采用隔振的方法，具體做法是在振動物體和研究對象間加入一些墊層，以使振動物體的運(yùn)動不能完全傳遞到研究對象上。結(jié)合本部分內(nèi)容，引入工程案例：某車間屋頂上裝有一臺通風(fēng)機(jī)，如下圖1（a）所示，風(fēng)機(jī)正常工作時振動強(qiáng)烈，電機(jī)多次燒毀、零部件損壞、廠房開裂、環(huán)境惡化。要求分析原因，并采取有效措施進(jìn)行改善。

拋出問題后首先引導(dǎo)學(xué)生分析問題的癥結(jié)，即缺少相應(yīng)的隔振措施。通過分組討論和提問的方式，讓學(xué)生各抒己見，發(fā)表個人的看法并制定可行的改善措施。最后公布案例采用的方案：安裝公共機(jī)架，增加機(jī)架質(zhì)量;用減振器支承機(jī)架，隔離機(jī)架與屋頂鋼架。改造后風(fēng)機(jī)布置如圖1（b）所示。（1）改造后振幅減為原來的1/3;（2）零部件不再意外損壞;（3）振幅降低，耗電減為原來的70%;（4）由于添加了減震器，振動產(chǎn)生的噪聲明顯減小，環(huán)境大大改善。如此，可以有效激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生明白利用所學(xué)知識可以切實解決現(xiàn)實工程中的問題，達(dá)到學(xué)以致用。

2.3?教學(xué)內(nèi)容與工程軟件結(jié)合

目前，有限元軟件的應(yīng)用已成為科學(xué)研究和工程計算的必要手段。Matlab和Ansys是我校工程力學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的兩門軟件必修課程，將“振動力學(xué)”中的知識點提取出來，讓學(xué)生用有限元軟件進(jìn)行分析，并與理論結(jié)果進(jìn)行對比，可以加深學(xué)生對知識點的領(lǐng)悟，對學(xué)生實際操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)大有裨益。

以簡支梁固有頻率和模態(tài)計算為例。某簡支鋼梁計算跨度l=10m，截面為工字型，截面面積A=11.225×10-3m2，截面慣性矩I=4.5685×10-4m4，要求學(xué)生用“振動力學(xué)”知識計算該簡支梁的固有頻率和模態(tài)，同時采用有限元軟件進(jìn)行建模計算，并將理論計算結(jié)果與軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。本題理論求解結(jié)果為：固有圓頻率表達(dá)式ωi=iπl(wèi)2EIρA，模態(tài)函數(shù)φi（x）=siniπl(wèi)x，其中，i=1，2，3…表示階數(shù)，E為鋼材彈性模量，ρ為鋼材密度。我校工程力學(xué)專業(yè)本科生多數(shù)同學(xué)選用Ansys進(jìn)行建模，前四階固有頻率理論與模擬結(jié)果的對比見表1，有限元模擬的前四階模態(tài)見圖2。

本題有限元建模過程考察了學(xué)生對所學(xué)軟件的應(yīng)用能力，同時通過圖2模態(tài)可以更直觀地了解簡支梁前四階模態(tài)形式。由表1對比分析發(fā)現(xiàn)，低階頻率誤差較小，高階頻率誤差較大，可見，對應(yīng)于低階頻率，數(shù)值分析完全可以滿足精度的要求。

3?應(yīng)用效果分析

“振動力學(xué)”課程教學(xué)結(jié)合實驗、工程實際案例和數(shù)值模擬在2017級1、2班共56名學(xué)生中進(jìn)行了應(yīng)用，得到了學(xué)生的認(rèn)可。問卷調(diào)查得知：學(xué)生總體較滿意的比率占到了約90%;學(xué)生認(rèn)為自己理論聯(lián)系實踐能力得到提高的比率為65.5%，分析解決問題能力得到提高的比率為776%，自主學(xué)習(xí)能力得到提高的比率為72.8%，團(tuán)隊協(xié)作能力得到提高的比率為69.3%。將應(yīng)用前后的2016級與2017級學(xué)生成績分析對比于表2。由表可知，2017級學(xué)生成績總體優(yōu)秀率提高1%，良好率提高21.83%，中等率提高218%，不及格率下降10.72%，學(xué)生總體成績明顯提高。

可見，通過“振動力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的革新與優(yōu)化，可有效提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，增加教師和學(xué)生間、學(xué)生和學(xué)生間的互動性，有效促進(jìn)了學(xué)生發(fā)散思維能力和協(xié)作交流能力的培養(yǎng)，提高了教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的效果。

結(jié)語

教學(xué)改革是一個長期而艱巨的任務(wù)，一門課程教學(xué)內(nèi)容的完善需要通過教學(xué)實踐不斷錘煉，應(yīng)結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷增補(bǔ)新內(nèi)容，敢于嘗試新方法。本文以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為出發(fā)點，探索了我校工程力學(xué)專業(yè)“振動力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容的改革方法。將“振動力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容與實驗教學(xué)、工程實際及工程軟件相結(jié)合，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了課堂氣氛，充分踐行了“以學(xué)生為中心”的教育理念，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。但教學(xué)改革永遠(yuǎn)在路上，有關(guān)“振動力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的改革探索仍需持續(xù)推進(jìn)。

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基金項目：河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“面向工程基于創(chuàng)新能力與思政素質(zhì)提升的基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革與實踐”（編號：2020GJJG170）;石家莊鐵道大學(xué)高等教育教學(xué)研究項目“‘一流專業(yè)’建設(shè)背景下一般院校工程力學(xué)專業(yè)改革與實踐”（編號：Y20202）;河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的力學(xué)課程改革研究”

作者簡介：李海艷（1984—?），漢族，河南商丘人，工學(xué)博士，石家莊鐵道大學(xué)工程力學(xué)系副教授，教學(xué)副主任。