黃毅 唐宏賓 何志勇 周振華

[關(guān)鍵詞]新工科;機械動力學(xué)課程;教學(xué)模式;課程改革

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)。該計劃一經(jīng)提出，立即引起全社會的廣泛關(guān)注。目前各行各業(yè)都在思考如何圍繞新工科建設(shè)的內(nèi)涵要求，推動新工科人才的培養(yǎng)。教育行業(yè)也在積極探索。張安富等探討了在“中國制造2025”背景下如何建設(shè)新工科的問題。劉吉臻等通過解析新工科和新工科建設(shè)的內(nèi)涵，探討了行業(yè)特色型大學(xué)的新工科建設(shè)。李波貝等撰文探討了新工科背景下地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。張孟玫等以工程制圖課程為例，提出了以問題驅(qū)動新工科教學(xué)改革。羅忠以東北大學(xué)機械工程專業(yè)培養(yǎng)體系改革為例，對國內(nèi)外開有機械工程專業(yè)的主要知名院校的主導(dǎo)研究方向和主干課程設(shè)置等情況進行對比分析，提出了新工科背景下機械工程專業(yè)培養(yǎng)體系改革的體會。尤佳等基于新工科建設(shè)的要求，在數(shù)字電子技術(shù)課程中進行了教學(xué)模式的探索。吳濤等通過分析新工科背景下的機電專業(yè)特點與實踐教學(xué)理念轉(zhuǎn)變，探索了新工科背景下的機電專業(yè)實踐教學(xué)改革的新思路和新方法。王偉等探討了采用理論、實驗和科研相融合的分析方法對提高機械動力學(xué)教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)生動手能力、發(fā)展科研探索的價值。華秀梅從學(xué)理和實踐兩個維度出發(fā)，開展了大思政視域下高校思政課理論教學(xué)與實踐教學(xué)協(xié)同融合研究。王文東等重點研究了新工科背景下基礎(chǔ)實驗教學(xué)模式的改革方案，提出了綜合創(chuàng)新實驗體系建設(shè)的實施方式。

筆者具有多年從事機械動力學(xué)課程教學(xué)和工程項目研究的工作經(jīng)驗，近年來結(jié)合新工科背景要求，對機械動力學(xué)課程的教學(xué)模式進行了深入的思考，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學(xué)課程教學(xué)過程中的若干環(huán)節(jié)，大大提升了課程教學(xué)效果。

一、傳統(tǒng)課程的特點及存在問題

（一）特點

現(xiàn)代機械不斷向高速、輕質(zhì)、高精度、高效率、智能化方向發(fā)展，對機械系統(tǒng)動力學(xué)性能提出了更高的要求。對機械類專業(yè)學(xué)生而言，機械動力學(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)在許多高校已將其作為本科生課程。

機械動力學(xué)課程具有以下特點：（1）課程所涉及的基礎(chǔ)理論知識非常寬泛，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。（2）課程所包含的知識點與機械設(shè)計、機械原理和現(xiàn)代制造方法等專業(yè)課程有交集。（3）這是一門具有很強工程應(yīng)用背景的技術(shù)基礎(chǔ)課程。對于本科生而言，這些特點會帶來學(xué)生聽課似懂非懂，知其然而不知其所以然，不能把這門課的知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力等一系列問題。除此之外，長沙理工大學(xué)機械設(shè)計方向是以工程機械為特色的，工程機械中各種柔性承力結(jié)構(gòu)、動力傳動結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵零部件的動態(tài)特性，對復(fù)雜工況下工程機械的振動、噪聲、使用壽命都有重要影響。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踐中，對工程機械的動力學(xué)分析及應(yīng)用都是必不可少的，有著舉足輕重的作用。

（二）存在問題

目前，國內(nèi)高校機械類本科教育中開設(shè)的機械動力學(xué)課程存在以下共性問題：（1）教學(xué)內(nèi)容沒有緊扣工程應(yīng)用，缺乏通過工程實例進行講解，使學(xué)生難以理解課程內(nèi)容的工程背景和目標。學(xué)生由于長期習(xí)慣進行理性思維和嚴密的理論推導(dǎo)，同時缺乏工程實際經(jīng)驗和形象思維訓(xùn)練，因此不能充分理解解決工程問題的直接目標，抓不住要領(lǐng)。（2）由于機械動力學(xué)課程內(nèi)容具有較深的理論深度，教師在進行課堂教學(xué)中，主要采用大量的數(shù)學(xué)公式進行推導(dǎo)，較少采用基于現(xiàn)代仿真工具的更為直觀的動畫仿真結(jié)果，更少結(jié)合直觀實體模型和實驗結(jié)果來對比說明，這就使得課程內(nèi)容抽象、深奧晦澀，學(xué)生學(xué)習(xí)的動力明顯不足。（3）傳統(tǒng)教學(xué)對專業(yè)課的理解和認知囿于片面化，側(cè)重于一板一眼的說教，滿足于對冗長深奧理論的復(fù)述，課堂往往流于機械化、刻板化，沒有將專業(yè)知識與思政元素緊密結(jié)合起來，沒有用生動的工程經(jīng)驗和實踐案例來進行闡發(fā)。以這種方式授課，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，無法取得令人滿意的教學(xué)效果。由于上述課程特點和存在問題，授課教師覺得“難講”，學(xué)生更是覺得“難瞳、難理解、難以應(yīng)用”。所以，探索能夠激發(fā)學(xué)生興趣、具有工程特色、適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)特點的教學(xué)新模式，是機械動力學(xué)課程建設(shè)的目標。

二、新工科背景下的教學(xué)新模式探索實踐

在新工科背景下，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學(xué)課堂教學(xué)過程中的若干環(huán)節(jié)，能使學(xué)生處于“主動、開放、較自由的狀態(tài)”。這種主動、開放、自由的狀態(tài)體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，學(xué)生在這種狀態(tài)下進行學(xué)習(xí)，積極性將得到很大的提升。本文以機械動力學(xué)課程中的動力減振原理為例，詳細闡述該教學(xué)新模式的應(yīng)用實踐。

（一）結(jié)合工程案例啟發(fā)

很多日常自然現(xiàn)象和工程實踐都滲透著機械動力學(xué)的知識，可以充分利用這一特點，將世界上一些著名的工程和現(xiàn)象展現(xiàn)給學(xué)生，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強學(xué)生學(xué)習(xí)動力，啟發(fā)學(xué)生進行思考，為后續(xù)理論課程的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

教師上課前可通過雨課堂平臺向?qū)W生推送相關(guān)工程案例背景資料（圖1），上課時首先展示“地震時的高層建筑”視頻材料，讓學(xué)生身臨其境地感受到地震對高層建筑破壞的嚴重性，順勢向?qū)W生提出如何解決高層建筑的抗震問題。接著，展示“臺北101大樓減震器”相關(guān)新聞報道的視頻、文字材料，啟發(fā)學(xué)生從工程問題中思考其中運用的動力學(xué)原理，讓學(xué)生帶著疑問走進課堂。

（二）豐富課堂教學(xué)內(nèi)容

充分利用各種教學(xué)資源的優(yōu)勢，將其靈活引入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，形成包括工程需求、理論分析、仿真分析、實驗驗證、工程應(yīng)用等模塊的閉環(huán)教學(xué)內(nèi)容模式，以豐富的教學(xué)內(nèi)容激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生的理解。

課前推送工程案例材料，引導(dǎo)學(xué)生對工程需求進行深入分析，從工程問題里提出科學(xué)問題。結(jié)合動畫等形式，對研究對象進行模型簡化，并考慮動力減振方案，開展動力減振原理的理論分析?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，使用動力學(xué)仿真軟件AMDAS搭建動力學(xué)仿真模型，在課堂上開展動力減振原理的演示并分析仿真結(jié)果，加深學(xué)生對理論知識的理解。借助制作好的高層建筑模型（柔性框架模型）和動力減振裝置（單擺裝置）等簡易實驗裝置，從直觀實驗角度對動力減振原理進行驗證，通過對比實驗的振動曲線清晰、直觀地展示“動力減振”裝置的效果。最后，將課堂講授的理論回歸到實際的工程應(yīng)用，完成動力減振原理的閉環(huán)教學(xué)。

（三）融入課堂思政教育

教師在課堂上除了講授專業(yè)知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與專業(yè)素養(yǎng)。這些能力的養(yǎng)成并不是思政教育或者專業(yè)課程能夠單獨實現(xiàn)的，而是需要學(xué)生在潛移默化中逐漸養(yǎng)成。在專業(yè)課課堂上有效開展思政教育，必然能夠?qū)崿F(xiàn)思政教育和專業(yè)技能培養(yǎng)的雙贏。

教師通過講述摩天大樓發(fā)展歷史，告訴學(xué)生我國摩天大樓從無到有再到"2018年48%的世界摩天大樓在中國”的故事，這些成績離不開廣大機械動力學(xué)科研工作者的不懈努力，然后引出我國工程院院士、著名工程非線性動力學(xué)專家陳予恕在解決工程振動中的故事，并通過介紹他在機械動力學(xué)中的重要貢獻和寄語來激勵學(xué)生。

（四）注重學(xué)習(xí)整體效果

課堂提問是學(xué)生向教師反饋學(xué)習(xí)效果、教師對教學(xué)效果自我認知的主要方式。通過隨機抽樣的方式來開展課堂提問在一定程度上能夠客觀反映學(xué)生知識吸收的情況。但是，抽樣的數(shù)量有限決定了其研究結(jié)果無法全面、客觀反饋實際情況。樣本數(shù)過少，個例難以代表整體情況;樣本數(shù)過多，影響課堂教學(xué)進度，耽誤教學(xué)時間。課堂提問無法面面俱到的缺點，難以讓所有學(xué)生全身心投入師生的互動中。

教師利用雨課堂平臺，將需要隨堂測試的題目設(shè)置在教學(xué)PPT中。教師在課堂教學(xué)過程中，根據(jù)知識點的講解情況，可以選擇將題目發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生在手機上即可查看并在規(guī)定的時間內(nèi)解答、提交答案。教師可隨時查看學(xué)生答題的情況，并將答題的結(jié)果在PPT上顯示，還可以附上答案解析，以備學(xué)生課后復(fù)習(xí)鞏固查看。教師根據(jù)答題情況，可針對性地對學(xué)生掌握知識的情況進一步進行糾正和總結(jié)。這樣可以做到實時、整體把握課堂教學(xué)效果，及時進行教學(xué)進度和內(nèi)容的調(diào)整，同時也提高了全體學(xué)生參與課堂答題的熱情。

（五）強化師生互動交流

新媒體為我們提供了公共交流平臺，學(xué)生可以不受時間和空間的限制，有任何問題都可以隨時隨地地和授課教師進行互動交流，這就很好地輔助了課堂教學(xué)，將其從課堂延伸到課外。同時，新媒體平臺也是反饋平臺，授課教師能夠從中了解學(xué)生對課程知識的掌握情況，學(xué)生可以通過平臺向授課教師提出建議，從而促進課堂教學(xué)。

三、新工科背景下教學(xué)新模式探索實踐的效果

在新工科背景下，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學(xué)課程課堂教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，極大地提高了課程與工程的緊密聯(lián)系程度。該教學(xué)新模式自從2018年開始在長沙理工大學(xué)機械類本科教學(xué)班級進行嘗試。學(xué)生在接受調(diào)查時普遍反映這種教學(xué)模式激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果有了較大提升。對比長沙理工大學(xué)教務(wù)系統(tǒng)關(guān)于選修該課程的學(xué)生對該課程的評價數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對該教學(xué)新模式的滿意度比傳統(tǒng)教學(xué)模式有了較明顯的提高，“很滿意”評價占比從15.2%上升到33.82%，“滿意”評價占比從46.79%上升到60.26%。

新模式的實施使學(xué)生對動力學(xué)理論知識的工程應(yīng)用認知水平、實踐能力有了明顯的提升。這些在機械類本科學(xué)生的課外科技創(chuàng)新活動中有所體現(xiàn)，其科技作品中加入機械動力學(xué)的內(nèi)容占比明顯增多，作品的質(zhì)量也得到提升。在第八屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、第十三屆全國大學(xué)生智能汽車競賽、第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽、第十六屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中，長沙理工大學(xué)所取得的成績有明顯進步。實踐表明，新工科背景下的機械動力學(xué)教學(xué)新模式探索取得了良好的效果。

四、結(jié)語

機械動力學(xué)對機械類專業(yè)學(xué)生而言是一門非常重要的專業(yè)課程。針對這門課程的教學(xué)存在的工程實際應(yīng)用聯(lián)系不緊密、學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動性不夠、思政教育與專業(yè)教育脫節(jié)等問題，長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院近年來大大加強了對這門本科生課程的改革。在新工科背景下，將新媒體平臺、新工程案例資源有機嵌入機械動力學(xué)課程課堂教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展了以結(jié)合工程案例啟發(fā)、豐富課堂教學(xué)內(nèi)容、融入課堂思政教育、注重學(xué)習(xí)整體效果、強化師生互動交流為特色的教學(xué)新模式的應(yīng)用實踐探索，有效地提升了課程的教學(xué)效果。