姜偉++孫月華++侯清泉++徐鵬

摘要：對《機(jī)械振動基礎(chǔ)》課程的教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)手段的運(yùn)用和考核方式進(jìn)行初步改革，使枯燥、難學(xué)的課程變得生動、簡單。將工程應(yīng)用軟件MATLAB/Simulink與振動理論相結(jié)合，改善實(shí)驗(yàn)條件的不足，提高教學(xué)質(zhì)量。讓學(xué)生運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件對實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬完成實(shí)踐報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的工程能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動；教學(xué)內(nèi)容；考核方式；實(shí)踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）06-0099-02

一、機(jī)械振動基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)及教學(xué)中存在的問題

《機(jī)械振動基礎(chǔ)》課程是我院面向機(jī)械類本科生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，本課程是為解決機(jī)械系統(tǒng)的振動問題提供必要的基礎(chǔ)理論和方法的一門學(xué)科，它綜合應(yīng)用高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、信號分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科知識，與工程實(shí)際問題有著緊密的聯(lián)系[1-2]。

我院《機(jī)械振動基礎(chǔ)》課程理論教學(xué)僅有30學(xué)時(shí)，課程內(nèi)容較多而且抽象難懂，涉及到許多力學(xué)知識以及微分方程組與行列式和矩陣運(yùn)算。由于我院三本學(xué)生較多，先修的理論力學(xué)、材料力學(xué)和高等數(shù)學(xué)及線性代數(shù)等課程基礎(chǔ)薄弱，講授過程中，完全使學(xué)生的注意力陷入了復(fù)雜難懂的數(shù)學(xué)計(jì)算中，而忽略了對本課程內(nèi)容理論體系及重點(diǎn)、難點(diǎn)的把握，尤其在多自由度系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，隨著自由度數(shù)目的增加，微分方程數(shù)的增加，導(dǎo)致學(xué)生對這門課程的理論學(xué)習(xí)很迷茫，甚至逐漸喪失了學(xué)習(xí)的信心，更別說能把這門課的知識轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力了。由于師資力量、實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件等多方面原因，使教學(xué)質(zhì)量和效果受到嚴(yán)重制約。在多年的教學(xué)實(shí)踐中深深體會到采用常規(guī)的課堂、黑板的教學(xué)方法學(xué)生接受起來非常困難，盡管在教學(xué)中也進(jìn)行了多媒體課件和板書相結(jié)合的教學(xué)方法，并收集了很多工程實(shí)例，但是，很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。

基于課程的獨(dú)特特點(diǎn)，將從教學(xué)內(nèi)容組織上、教學(xué)手段運(yùn)用上、學(xué)生實(shí)踐報(bào)告撰寫上以及考核方式改革上采取一定的措施。采用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行機(jī)械振動系統(tǒng)仿真，以增加課程學(xué)習(xí)的趣味性，最大限度地提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足，還更好地培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)興趣和理論與工程實(shí)際相結(jié)合的能力。

二、教學(xué)改革的措施

針對以往“多媒體+板書、理論教學(xué)+課堂作業(yè)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，加上試驗(yàn)條件有限的因素，使學(xué)生不能很好地理解機(jī)械振動的復(fù)雜概念和原理，也不能很好地將機(jī)械振動理論與工程實(shí)際相結(jié)合。因此，在《機(jī)械振動基礎(chǔ)》課程教學(xué)中，擬采取以下措施，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力。

1.精心組織教學(xué)內(nèi)容。在對各種振動系統(tǒng)進(jìn)行講授時(shí)，要注重物理模型的簡化、振動微分方程的建立過程和方法，并對求解結(jié)果分析其振動特性以及求解結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用詳細(xì)講解，而對數(shù)學(xué)模型的求解過程只講求解思路和求解過程中的注意事項(xiàng)即可。既減少了數(shù)學(xué)計(jì)算在課堂的占用時(shí)間，同時(shí)削弱了課程的枯燥乏味性。在講授機(jī)械振動的基本概念、基本理論時(shí)，簡要介紹機(jī)械振動學(xué)的發(fā)展簡史、機(jī)械振動的廣泛應(yīng)用以及與其他學(xué)科的交叉關(guān)系、有關(guān)歷史事件和歷史人物，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在分析振動系統(tǒng)特性時(shí)，多結(jié)合工程實(shí)例，并且多留課堂作業(yè)做練習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識。同時(shí)，也介紹一些振動理論的最新發(fā)展和最新應(yīng)用，使學(xué)生更多地了解機(jī)械振動理論和實(shí)際應(yīng)用的前沿知識，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。課后，讓學(xué)生自己收集一些機(jī)械振動理論在工程中應(yīng)用的例子，并進(jìn)行課內(nèi)與課外的討論，使枯燥的理論與生動的實(shí)例相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生上課的積極性，讓學(xué)生們感到學(xué)有所用。

2.采取更多的教學(xué)手段——引入MATLAB/Simulink仿真軟件的仿真模擬。MATLAB語言是一款將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程特性以及圖形界面完美地結(jié)合到一起的工程應(yīng)用軟件。MATLAB語言的核心就是矩陣和數(shù)組，而機(jī)械振動分析中多自由度系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型的求解正是需要矩陣進(jìn)行計(jì)算。因此，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB，可以使繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算變得簡單，可以使教師和學(xué)生把注意力更多地放在機(jī)械振動系統(tǒng)特性分析和實(shí)際應(yīng)用上。

Simulink是用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模。它把Matlab的許多功能都設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)直觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來就可以實(shí)現(xiàn)需要的仿真功能了。

在課件制作過程中，采用MATLAB/Simulink仿真語言對單自由度系統(tǒng)的無阻尼、有阻尼和受迫振動三種振動條件下建立微分方程和求解振動體的位移隨時(shí)間的運(yùn)動規(guī)律。通過Simulink中各種模塊的建立，用線連接各模塊，做好流程圖，設(shè)置好各模塊的參數(shù)后，再設(shè)置好系統(tǒng)環(huán)境變量，點(diǎn)擊運(yùn)行，通過示波器模塊就可以模擬出振動體的物理量隨時(shí)間變化關(guān)系圖像曲線，從而分析出系統(tǒng)特性。這個(gè)過程可以在課堂上進(jìn)行，不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足，更好地與工程實(shí)際相結(jié)合，還可以為學(xué)生將來完成實(shí)踐報(bào)告打下良好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。同時(shí)，課件中增加色彩豐富的圖片和生動的動畫與視頻以及大量的工程實(shí)例和練習(xí)，使抽象、晦澀、復(fù)雜和呆板的專業(yè)理論內(nèi)容變?yōu)榫唧w、清晰、簡單和生動的趣味教學(xué)，從而最大限度地提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。

3.安排學(xué)生撰寫實(shí)踐報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。在《機(jī)械振動基礎(chǔ)》教學(xué)中，具體采取以下措施，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生合作精神、創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。（1）讓學(xué)生自發(fā)組成5～6人一組的學(xué)習(xí)小組。首先，通過第二課堂指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)Matlab/Simulink軟件，達(dá)到一定熟練程度后，再對線性單自由度系統(tǒng)的無阻尼、有阻尼和受迫振動三種振動條件下進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立、求解和仿真模擬。這種以小組共同上機(jī)學(xué)習(xí)軟件的過程，不僅可以消除學(xué)生對本課程的迷茫，使學(xué)生抓住了本課程的學(xué)習(xí)要點(diǎn)，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性，還可以更好地將振動理論與工程實(shí)際相結(jié)合。（2）振動理論在工程和生活中應(yīng)用廣泛，在處理實(shí)際工程問題時(shí)，必須根據(jù)所研究問題的實(shí)際情況，抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，把復(fù)雜的振動系統(tǒng)簡化和抽象為合理的力學(xué)模型，并對產(chǎn)生振動的力學(xué)模型即振動系統(tǒng)受力分析、建立數(shù)學(xué)模型、求解，得出振動體的物理量（如位移、速度和加速度）隨時(shí)間的變化規(guī)律。在Simulink環(huán)境中建好模型，設(shè)定振動體的運(yùn)動參數(shù)如：質(zhì)量、剛度、阻尼、激振力、激振頻率、運(yùn)動演示最大時(shí)間等。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，用圖形窗口實(shí)時(shí)演示振動體的運(yùn)動情況，即模擬出振動體的物理量（如位移、速度和加速度）隨時(shí)間的變化曲線。模擬結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的運(yùn)動情況作對比，從而確定仿真研究方法的可信度。把小組分析研究的結(jié)果，以實(shí)踐報(bào)告的形式上交。通過兩個(gè)步驟，培養(yǎng)了學(xué)生合作的精神，提高了實(shí)踐能力。endprint

4.改進(jìn)考核機(jī)制。為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及工程意識，采用多種形式的考核方式代替過去以課堂作業(yè)和卷面考核為主的考核機(jī)制?？己朔种档脑O(shè)置為：平時(shí)作業(yè)20分+實(shí)踐報(bào)告20分+期末考試60分。平時(shí)作業(yè)一般為每個(gè)章節(jié)課后習(xí)題，重點(diǎn)考查學(xué)生是否掌握課堂知識點(diǎn)。實(shí)踐報(bào)告旨在激發(fā)學(xué)生的鉆研精神，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。期末考試的命題有客觀性和主觀性兩種?？陀^性考題占60%，題目覆蓋面較廣，但難度和靈活性稍低，旨在考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度，主觀性考題占40%，題型為計(jì)算題，涉及面廣、難度大、靈活性高。

三、教學(xué)改革的初步成果

本次改革對象為機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)和機(jī)械制造專業(yè)的本科生，兩屆共13個(gè)班級。無論是在教學(xué)效果上，還是學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)上，都有了很大進(jìn)步。

1.教學(xué)效果和質(zhì)量顯著提高。由于在課堂教學(xué)中，更新了教學(xué)內(nèi)容體系，使學(xué)生對明確了課程的要點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)，能正確處理本課程與相關(guān)課程之間的銜接，同時(shí)，對機(jī)械振動最新研究成果有了初步認(rèn)識。將MATLAB/Simulink仿真軟件與振動分析相結(jié)合調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，活躍了課堂教學(xué)氣氛，從而最大限度地提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。卷面考試命題中主觀題和客觀題相結(jié)合，使學(xué)生既注重了機(jī)械振動基本概念的掌握，又注重了分析問題和解決問題能力的提高。通過新的考核機(jī)制，使學(xué)生既注重了對機(jī)械振動基礎(chǔ)概念的掌握，又提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。期末成績的優(yōu)良率明顯提高，也避免了大量的不及格人數(shù)過多現(xiàn)象。

2.學(xué)生實(shí)踐能力明顯增強(qiáng)。讓學(xué)生自發(fā)組成學(xué)習(xí)小組，選擇自己感興趣的題目，通過MATLAB/Simulink仿真軟件實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的過程，將模擬結(jié)果以實(shí)踐報(bào)告的形式上交，并計(jì)入考試成績中。既培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神和創(chuàng)新精神。

四、結(jié)論

本文針對學(xué)生普遍認(rèn)為該課程抽象、枯燥、難學(xué)和教師普遍認(rèn)為課時(shí)少、內(nèi)容多、難教的現(xiàn)象，通過教學(xué)內(nèi)容體系的精心組織，多媒體課件中增加色彩豐富的圖片和生動的動畫與視頻以及大量的工程實(shí)例和練習(xí)，運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真對單（多）自由度系統(tǒng)的仿真制作課件，不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足，還調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識。通過學(xué)生自由選題，運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件，分組完成實(shí)踐報(bào)告，培養(yǎng)了合作精神，提高了實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔志琴，景銀萍.《機(jī)械振動學(xué)》課程教學(xué)改革初探[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（4）：86-87.

[2]郭榮，張敏，張立軍，等.《機(jī)械振動學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容、模式及考評方式改革探索[J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，（9）：140-141.

[3]王彪.《機(jī)械振動》課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].華東冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，（6）：86-87.endprint