郭朋彥 高玉國(guó)

作者：郭朋彥，博士，講師，主要從事車輛、機(jī)械的教學(xué)與設(shè)計(jì)研究。

針對(duì)機(jī)械振動(dòng)課程的枯燥、乏味、抽象特點(diǎn)和學(xué)生到課率低、聽(tīng)課質(zhì)量不高的問(wèn)題，通過(guò)參加教育部組織的“國(guó)家精品課程師資培訓(xùn)項(xiàng)目”，并結(jié)合近年來(lái)的教學(xué)體會(huì)，進(jìn)行思考和總結(jié)，提出激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的若干方法，并討論基于本課程的學(xué)生科研與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的方法。

機(jī)械振動(dòng)是機(jī)械類專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它綜合高等數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、矩陣?yán)碚摗⑿盘?hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科知識(shí)，是一門(mén)理論性強(qiáng)、內(nèi)容相當(dāng)廣泛的課程[1]。該課程涉及到歐拉公式、復(fù)變量指數(shù)、頻譜分析、行列式和微分方程組與各種矩陣方程，計(jì)算和求解過(guò)程較為復(fù)雜；且該課程主要講授經(jīng)簡(jiǎn)化、抽象后的質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)，學(xué)生普遍覺(jué)得枯燥、乏味、抽象，聽(tīng)不太懂，到課率較低。然而，這門(mén)課程又非常重要，它注重對(duì)隱藏于結(jié)構(gòu)表層下面的本質(zhì)規(guī)律的總結(jié)和歸納，這些規(guī)律是在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須遵守的。同時(shí)，該課程還是ANSYS、ADAMS等主流計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的理論依據(jù)，學(xué)生將這門(mén)課學(xué)習(xí)透徹后，就會(huì)對(duì)這些軟件及其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有深刻的認(rèn)識(shí)，這樣就便于培養(yǎng)學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力，使學(xué)生在畢業(yè)后能夠盡快適應(yīng)工作崗位。

如何將這門(mén)枯燥、乏味、抽象的課程變得生動(dòng)、有趣、直觀，并培養(yǎng)學(xué)生的科研與 創(chuàng)新能力，是筆者一直在思考的問(wèn)題。今年筆者有幸參加了“國(guó)家精品課程師資培訓(xùn)項(xiàng)目”，學(xué)習(xí)了天津大學(xué)劉習(xí)軍老師主講的機(jī)械振動(dòng)精品課程，受益匪淺。筆者嘗試?yán)么舜螌W(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和近年來(lái)的教學(xué)體會(huì)總結(jié)方法來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并采取措施將這門(mén)課和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的科研與創(chuàng)新能力。

1 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性方法探討

提高學(xué)生對(duì)這門(mén)涉及數(shù)學(xué)、物理比較多的課程的學(xué)習(xí)興趣，從以下幾個(gè)方面著手將會(huì)獲得較好的效果。

1）課程案例與應(yīng)用等內(nèi)容盡量與學(xué)生的專業(yè)貼近，使學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的應(yīng)用有明確認(rèn)識(shí)，以使本課程變得生動(dòng)、形象，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和積極性。如在課程開(kāi)始，給車輛工程專業(yè)的學(xué)生作《機(jī)械振動(dòng)在汽車性能開(kāi)發(fā)上的應(yīng)用——NVH》專題報(bào)告，講解本門(mén)課程在汽車開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用；上課時(shí)盡量結(jié)合學(xué)生比較熟悉的汽車的相關(guān)部分（如汽車懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、排氣管布置等）進(jìn)行講解；將壓路機(jī)、振動(dòng)式攤鋪機(jī)等與重型車輛有關(guān)的案例引入課程案例中。

2）注重重點(diǎn)內(nèi)容講解，弱化不重要的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程講解，以減少數(shù)學(xué)計(jì)算在課堂的占用時(shí)間，弱化課程的枯燥乏味性。如在對(duì)各種振動(dòng)系統(tǒng)（如位移干擾引起的受迫振動(dòng)）進(jìn)行講解時(shí)，對(duì)物理模型的簡(jiǎn)化、運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程的建立過(guò)程和方法、求解結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義詳細(xì)講解，而對(duì)數(shù)學(xué)模型的求解過(guò)程只講求解思路和求解過(guò)程中的注意點(diǎn)。

3）制作效果良好的多媒體課件，以提高授課的直觀性和趣味性。該課程之前課時(shí)較長(zhǎng)，采用板書(shū)形式授課，注重求解過(guò)程和演算思路。近年來(lái)的情況是：由于課時(shí)縮短，板書(shū)上課時(shí)速度較快，這更加劇了課程的枯燥性。此次通過(guò)培訓(xùn)發(fā)現(xiàn)：采用含有大量的實(shí)物圖片、實(shí)體模型、講解視頻和利用軟件求得的陣型動(dòng)畫(huà)等內(nèi)容的多媒體課件，可使本課程更加生動(dòng)、形象和容易理解，同時(shí)可以加快授課進(jìn)度，節(jié)約課時(shí)。

4）加入合適的實(shí)驗(yàn)課程，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維及動(dòng)手能力[2]。該門(mén)課程以前采用理論授課方式，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。此次通過(guò)培訓(xùn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)課在調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性方面具有關(guān)鍵性作用，所以計(jì)劃在該門(mén)課程中引入兼具趣味性與科學(xué)性的龍洗、編鐘等實(shí)驗(yàn)課，使學(xué)生能夠直觀、趣味地學(xué)習(xí)課程的內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

5）引入計(jì)算機(jī)輔助軟件來(lái)分析、求解和解釋本課程的問(wèn)題，賦予課程時(shí)代感，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)手解決問(wèn)題的興趣[1]。學(xué)生普遍覺(jué)得本課程內(nèi)容傳統(tǒng)、陳舊，有學(xué)習(xí)抵觸情緒；在本門(mén)課程中引入現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。如通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)課教會(huì)學(xué)生用ANSYS軟件求解車架的模態(tài)、主頻率和主陣型，進(jìn)而討論發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車架模態(tài)、汽車懸架在車輛設(shè)計(jì)時(shí)的相互關(guān)系；在多自由度系統(tǒng)求解上，通過(guò)上機(jī)課教會(huì)學(xué)生用MATLAB軟件求解列出的動(dòng)力學(xué)方程，用ADAMS軟件求解問(wèn)題，并對(duì)比二者的結(jié)果。

2 基于該門(mén)課程的學(xué)生科研與創(chuàng)新能力培養(yǎng)

培養(yǎng)大學(xué)生的科研與創(chuàng)新能力是本科教育的根本目的之一[3-4]，故該門(mén)課程也需培養(yǎng)學(xué)生的這種能力。設(shè)備或結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的振動(dòng)與噪聲是客觀存在的，并且遵循一定的規(guī)律；而該課程正是討論和總結(jié)這些本質(zhì)規(guī)律，認(rèn)識(shí)并遵循這些規(guī)律能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，并能提高學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的總體分析能力。本課程內(nèi)容還是ANSYS、ADAMS等現(xiàn)在主流的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的理論依據(jù)，學(xué)生掌握這門(mén)課后，就會(huì)對(duì)這些輔助軟件及其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有深刻的認(rèn)識(shí)，這便于培養(yǎng)學(xué)生科研和創(chuàng)新能力。通過(guò)前面的方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性后，可以通過(guò)下列方法和程序培養(yǎng)學(xué)生的科研與創(chuàng)新能力。

2.1 具有課程特色的分組大作業(yè)

本課程開(kāi)設(shè)在大三下學(xué)期，授課對(duì)象為車輛工程專業(yè)學(xué)生，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)修完了機(jī)械和車輛的大部分專業(yè)課，本課程又是ANSYS等現(xiàn)代主流計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的理論依據(jù)，所以在單自由度系統(tǒng)講解時(shí)就引入這些軟件，使學(xué)生能夠用手工和軟件兩種方法計(jì)算系統(tǒng)的固有頻率和振動(dòng)動(dòng)畫(huà)；在多自由度部分，要求學(xué)生利用ANSYS和ADAMS等輔助軟件來(lái)求解，并鼓勵(lì)其運(yùn)用MATLAB軟件來(lái)求解列出的矩陣方程。分組時(shí)，將學(xué)生分成5～8人的小組，以組為單位單獨(dú)布置、完成作業(yè)。作業(yè)的檢查形式為：每次從各組中任意抽取一名學(xué)生講解求解思路、求解過(guò)程和求解方法。這樣，經(jīng)過(guò)6～8次課程作業(yè)的練習(xí)，學(xué)生便可熟練地應(yīng)用這些軟件來(lái)分析和求解問(wèn)題了。

2.2 采用課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生科研與創(chuàng)新能力

課程設(shè)計(jì)可使學(xué)生將本課程內(nèi)容與其他課程知識(shí)綜合起來(lái)，提高其知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。該課程開(kāi)設(shè)時(shí)，學(xué)生的大部分課程已經(jīng)完成，具有進(jìn)行較為綜合類課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件。同時(shí)，該課程討論系統(tǒng)的本質(zhì)規(guī)律，而這些規(guī)律便于學(xué)生從總體上把握結(jié)構(gòu)的特性；且該課程是幾款主流的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的理論基礎(chǔ)，在問(wèn)題求解時(shí)又用到MATLAB這一重要軟件，所以開(kāi)設(shè)基于該課程的綜合性課程設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生總體設(shè)計(jì)能力的形成、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用和學(xué)生科研與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都將起到重要的作用。根據(jù)近年來(lái)的授課經(jīng)驗(yàn)、課后與學(xué)生交流的體會(huì)，制定課程設(shè)計(jì)題目：1）輕型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2）麥弗遜獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)；3）10米客車空氣彈簧懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)；4）重型牽引車駕駛室懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)；5）振動(dòng)式壓路機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；6）振動(dòng)式打樁機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；7）振動(dòng)式破碎錘振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；8）振動(dòng)篩振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在課程結(jié)束后，學(xué)生分組進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，每組從上述題目中選擇一個(gè)進(jìn)行為期一個(gè)月的設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中著重培養(yǎng)本科生的科研與創(chuàng)新能力，所以要求其第一周與研究生一起查資料、復(fù)習(xí)相關(guān)課程，以掌握做科研的基本方法，后3周時(shí)間由組內(nèi)成員討論完成。在設(shè)計(jì)中要求采用三維軟件進(jìn)行建模，利用ANSYS或ADAMS軟件進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)仿真，采用振動(dòng)理論列出研究問(wèn)題矩陣方程，并盡量采用MATLAB軟件求解。設(shè)計(jì)完成后，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果按實(shí)體模型、論文和PPT答辯3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定。

2.3 基于畢業(yè)設(shè)計(jì)的科研與創(chuàng)新能力培養(yǎng)與提高

前面的分組大作業(yè)和課程設(shè)計(jì)使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和流程有了較為清楚的認(rèn)識(shí)，并具備了一定的科研與創(chuàng)新能力。但由于是按組進(jìn)行，單一學(xué)生的這種能力可能不太高，而畢業(yè)設(shè)計(jì)是一人一題，單獨(dú)進(jìn)行，所以此時(shí)根據(jù)學(xué)生的興趣，開(kāi)展基于該課程的畢業(yè)設(shè)計(jì)可有效地提高這些學(xué)生的科研與創(chuàng)新能力。此時(shí)一般是大三即將放暑假，也是學(xué)生即將開(kāi)始畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，所以從時(shí)間上開(kāi)展基于該課程的畢業(yè)設(shè)計(jì)也是可行的。畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目應(yīng)圍繞一臺(tái)整車（如前后懸架、懸置等）進(jìn)行，以保證畢設(shè)結(jié)束時(shí)能夠組合成一臺(tái)整車，這樣提高了學(xué)生的科研與創(chuàng)新能力，還提高了學(xué)生完成實(shí)際設(shè)計(jì)的信心，使他們畢業(yè)后能盡快適應(yīng)工作崗位。

3 總結(jié)

本文針對(duì)學(xué)生普遍認(rèn)為該課程抽象、枯燥、乏味和學(xué)生到課率低、聽(tīng)課質(zhì)量不高的現(xiàn)象，提出通過(guò)合理設(shè)置授課內(nèi)容、設(shè)計(jì)多媒體課件、加入富有趣味性的實(shí)驗(yàn)課和引入現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件與計(jì)算方法來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。并結(jié)合該課程是諸多計(jì)算機(jī)輔助軟件的理論基礎(chǔ)和其問(wèn)題求解過(guò)程需采用MATLAB這一軟件的特點(diǎn)，討論采用具有課程特色的分組作業(yè)、分組課程設(shè)計(jì)和緊隨其后的畢業(yè)設(shè)計(jì)來(lái)培養(yǎng)和提高學(xué)生科研與創(chuàng)新能力，并提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和完成科研任務(wù)的信心。

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