思政元素有机融入“机械振动学”课程教学方法探索_郭辉.pdf

基金项目：2021 年陕西省新工科研究与实践项目“融入智能制造大类、面向领军人才培养的传统机械专业改造升级探索和实践”。作者简介：郭辉（1978），男，博士，西北工业大学机电学院博士生导师，副教授，研究方向为齿轮传动技术、CAD/CAE 与机械动力学等；曹蕾蕾（1983），女，博士，长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室研究生导师，副教授，研究方向为机械优化设计方面的教学。思政元素有机融入“机械振动学”课程教学方法探索郭辉1，曹蕾蕾2（1.西北工业大学 机电学院，陕西 西安 710072；2.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）摘要：在机械和工程结构设计中考虑振动因素对结构和设备的安全性具有重要意义，因而“机械振动学”是机械类和结构力学类专业的重要课程。机械振动学与机械动力学、机械系统动力学、结构动力学、振动力学等课程性质相同，从形式上看具有公式繁多、理论抽象的特点，掌握难度大，因而不易调动学生的学习兴趣。文章分别从时事热点、历史故事、人物事迹、哲学思辨和工科审美等五方面梳理了“机械振动学”课程的思政元素，增加课程讲解内容的吸引力和感染力，为新工科背景下课程思政实践提供参考。关键词：机械振动学；思政元素；机械专业；有机融合中图分类号：TH132.4文献标识码：A文章编号：1673-7164（2023）15-0161-04“机械振动学”作为机械工程专业的一门基础类课程，系统地阐述了振动理论的基本方法，所涉及的内容广而多1-3。该课程自身具有理论抽象、逻辑严谨、公式繁多等特点，学生在学习过程中，普遍感觉知识抽象、难懂，学习难度大。有必要在“机械振动学”课程教学中挖掘、融入思政元素，使原本枯燥乏味的课堂变得生动有趣，有利于活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣，实现知识传授与价值引领相结合。应真正做到“深入梳理专业课教学内容，结合不同课程特点、思维方法和价值理念，深入挖掘课程思政元素，有机融入课程教学，达到润物无声的育人效果。”4如何将思政的点点滴滴潜移默化地融入该课程教学过程中？本文将从五个角度来介绍思政要素的挖掘和融入方法，为机械振动学相关的教学科研人员提供思路。一、思政元素融入机械振动学的重要性机械振动学主要涉及单自由度和多自由度动力系统的基本原理、减振隔振知识以及常见机械系统的振动分析方法等。该课程的研究对象涵盖了国民经济的各个领域，大到大型运载火箭、大飞机结构、精密机床、高铁车厢和桥梁建筑物等；小到加湿器振动发生器、心脏起搏器、耳机的振动。振动会影响精密仪器设备的功能，还可能引起结构的大变形破坏。所以，该课程具有很强的专业性和社会服务性。该课程属于工程教育范畴，长期以来人们将其定位为培养工程技术人员，在专业培养方案的制订中，对于工程技术的熟练掌握和应用的要求往往高于科学精神、人文素养和思想道德情操，在某种程度上限制了学科的发展和专业育人的效果。高等教育要培养中国特色社会主义接班人，为党育人，为国育才。为此，在专业课程的教学中，需要充分考虑人文素养、学术视野、爱国情怀等思政要素，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，顺应历史潮流，适应新时代要求，引导学生将实现个人价值与国家发展、民族复课程思政1612023年第15期总第597期U ni versi t y兴、人类福祉紧密相连，让学生融入国家建设和实现伟大复兴中国梦的奋斗中。二、思政元素的课堂融入策略（一）结合时事热点，激发学习兴趣绪论部分作为整个课程的导入，能总领“机械振动学”课程团队结合课程大纲中的教学目标，对教学内容进行重新梳理，将知识点与其涉及的时事热点、历史故事、人物事迹、哲学思辨和工科审美等不同角度相结合，挖掘其中所蕴含的思政元素，设计思政教学案例，达到育教同行、润物细无声的效果。大局观的作用，具有很强的思想性、趣味性，但又不乏学术性。教师在讲这部分内容时，为了让学生认识到振动在指导实际工程中的重要作用，课程团队老师结合热点事件“2020 年 5 月 5 日下午，一段 广东虎门大桥波浪式起伏 的视频”（见图 1），引起大家的普遍关注，说明工程中振动问题无处不在，并引导学生思考，一座好的大桥怎样才不会成为一架“秋千”？该事件通过拆除沿桥跨护栏的水马得以快速解决，并未对交通和安全造成影响。大桥波动问题的顺利解决离不开无数专家团队踏实严谨的学术研究，让学生从中领悟工程技术人员的责任、担当和严谨细致作风的重要性。通过对该事件解决专家葛耀君及其所在的同济大学桥梁团队故事的讲解，说明学术传承精神。讲解中国桥梁工程界力求自主，与日本、英国竞争的故事，说明从虎门大桥开始，中国的桥梁不问出处，所有都是由我们自己、由中国人设计和施工的，增强民族自信心和自豪感5。图 1广东虎门大桥波浪式起伏事件（二）结合历史故事，构建正确价值观“机械振动学”课程涉及大量理论建模和推导，在讲授建模和推导过程时，还可以介绍公式的来源和其背后的历史故事。如在介绍简谐振动物体运动微分方程的建立时，用到牛顿第二定律和胡克定律，可引入科学史上的著名公案，例如“胡克和牛顿之争”。使学生意识到在大科学家胡克和牛顿所在的时代，科学还不成体系，完善的学术规范还未形成，因而自然会经常出现优先权的争执。作为今夕比较，教师可以向学生介绍，当前学术和科研领域推行的规则是谁先公开发表谁就有优先权，大家都认同和遵守这个原则，这在很大程度上避免了知识产权的归属之争。由此告诫学生，学术规范化和学术研究本身同等重要。由这件事情还可以引申到现代的国际大企业的竞争问题，强势企业注重发明创新和知识产权，在研发新产品和形成产品的设计研制规范方面上投入了大量的人力、物力，一方面提高了市场竞争力，另一方面通过国际和国家相关标准规范的建立，可使企业处于行业领导地位。“机械振动学”课程是与工程实际密切结合的课程，这就要求学生在学习过程中培养专注、耐心、细致、严谨的工作态度和工作作风。课程团队教师在授课过程中，应借助历史上典型的失败工程案例分析来引导学生认识和思考工程事故责任的严重性，从内心深处树立起职业敬畏感，从而形成严谨科学的工作态度。如在介绍系统和结构的受迫振动理论问题时，涉及结构共振的概念。历史上有一次世界著名的因共振引发的事故1940 年美国塔科马（tokoma）悬索桥风毁垮塌事件（见图 2）。按照当地政府规划，位于塔科马海峡吊峡的 tokoma 大桥工程于 1938 年开始启动，耗时两年建成通车。塔科马悬索桥身总长度 1524 米，宽度 11.9 米，在当时属于世界第三大悬索桥，仅投资就花费高达 640 万美元，是举世瞩目并且重金打造的项目，然而让人意想不到的是大桥建成后四个月就发生了坍塌。经过周密的事故调查研究，最后科学家对此给出了官方解释：此桥的设计没有充分考虑到空气动力学的影响。空气动力学研究发现，在一定的风速范围内，平稳的风在穿过大桥的气流会产生两串平162行的反向漩涡（见图 2 中的漩涡），这些漩涡会发生周期性的作用力。如果这个作用力和大桥的某些固有频率相接近，那么将诱发共振，且频率越接近，造成的气动压力也会越大，最终桥梁结构像麻花一样被彻底扭曲了。大桥的设计工程师为了追求桥梁的美感，将桥面设计得很纤细，2.4 米高的钢板梁不能提供足够高的刚度，使得桥梁的上下振动和扭转振动频率偏低，最终导致了在风速很低的情况下诱发了共振破坏。通过该事件，根据动力学知识来分析事故发生的原因，让学生从中领悟工程技术人员的责任、担当和作风严谨细致的重要性。图 2美国塔科马海峡吊桥垮塌及涡流模拟图（三）结合人物事迹，树立学习榜样在以往机械振动的教学中，学生容易对老师或书本所讲授的知识存在依赖情绪，不善于自己提出问题。团队老师在平时讲课的过程中，结合知识点适时引入典型科学家的事迹和精神，培养学生相信自己、勇于质疑、用事实说话、坚持真理的精神6。例如在介绍系统对周期激励的响应时，用到傅里叶级数展开。傅里叶级数展开是由法国数学家、物理学家傅里叶在1807 年提出的。在最初提出该理论时，很多权威专家都反对他，其中包括拉格朗日、拉普拉斯等数学大家，使得法国科学学会屈服于拉格朗日的威望，拒绝了傅里叶的工作。直到一百年后，他的论著才被重视起来。通过傅里叶的事迹可教育学生不要迷信权威，科学就是要打破迷信。科学的精神就是从事物的本质出发，研究万物的规律。让学生意识到工科学习不能只停留在公式阶段，要向傅里叶学习，去了解它从真实物理世界的提炼过程，这样才能从本质上理解，才有可能应用它解决实际问题。（四）结合课程内容，培养哲学思辨“机械振动学”课程中包含人们在长期实践中总结的原理和规律，其中蕴含着很多哲学思想，课程团队老师结合具体授课内容，引导学生思考、发现课程中的工程哲学。如在介绍隔振和减振原理时，通过介绍该问题的产生背景，即机器运转时由于各种外界和内部激励因素的存在，振动不可避免，这种振动会造成机器运转过程中的不平衡，产生噪音、影响设备的正常工作，造成机器过大的磨损或者疲劳失效，影响其安全性和可靠性，使机床的加工精度、精密仪器的灵敏度下降、使机械设备的使用寿命缩短等，因此需要进行有效隔振。因此，精密机械加工机床在地基周围要填埋隔振阻尼材料（见图 3），以降低环境振动对其的影响。还可以引入齿轮传动系统的振动，齿轮箱在运转时会有振动噪音，其原因有轮齿误差、变形和啮合冲击、支撑系统变形等，需要通过齿面修形、润滑等方式降低噪音；还有公司在研制的航空高速弧齿锥齿轮一端安装阻尼环，用来抑制振动噪音。从另一个角度看，让学生思考振动是不是存在有利的一面，如利用振动的原理本质来设计制造装置和通讯仪器仪表等，例如振动筛选机、振动打桩机、振动球磨机、振动采油技术、收音机、振子示波器等7。让学生认识到事物的两面性，引导学生领悟辩证唯物主义方法论中关于矛盾对立统一的哲学。凡事都充满了两面性，它是事物的普遍性规律，只看事物的一面而忽视另一面都是偏颇的。教师应引导学生思考该如何看待科技，科技是把双刃剑，科技本身没有好坏的属性，科技的好坏决定于掌握科技的人。由此教育学生不仅要专注于知识和技能的学习，还要有正确的发展方向，科技创新的目的是造福于民。课程思政1632023年第15期总第597期U ni versi t y图 3精密加工机床的隔振地基（五）从课程中发现美，培养工科审美审美是一种世界观，也是一种方法论。随着国家新工科培养计划和课程思政的深入发展对“机械振动学”这种工程技术专业知识为主的课程来说，不仅是传授学生科学知识，也应该注重人文素养和情操的培养，将科学与美学、艺术与技术相结合，使未来的科学家和工程师兼有良好的艺术修养。培养学生发现美的能力，可以增强人的幸福感，这是社会主义核心价值观所提倡的。例如在绪论一章中介绍振动的应用时，可以引用一种能够观察声音“形状”的技术CY-MATICS。声音本质上是一种振动，是空气的振动，利用测试和模拟技术可以观察到不同的声音在空间中的强度分布情况。通过实验还可以获得与在大自然中常见的雪花形状极为相似的一种声音，让人领会到工程研究与艺术在某种角度是相通的，美无所不在。另一方面，由于机械振动中的公式繁多，课程团队老师在教学过程中可引导学生发现公式之美。例如，通过对单自由度、两自由度和多自由度振动系统运动微分方程的对比可以看出，它们在形式上具有相似性，物理本质是相通的，具有系统性，让学生体会正确的数学模型应在形式上是简洁而优美的，所谓“大道至简”，在科学研究中，要善于发现科学之美，这样才能学得系统、学得轻松。在介绍随机振动的实例时，讲解地震载荷作用下的建筑物，通过分析故宫建筑在10 级大地震实验中依然屹立不倒原因，在讲解斗栱、榫卯、柱础和大屋顶时，让学生领略中国古建筑之美，体会中国古代劳动人民的智慧，激发学生的民族自豪感和文化认同感。三、结语本文分别从时事热点、历史故事、人物事迹、哲学思辨和工科审美等五个方面梳理了“机械振动学”课程的思政元素，为新时代背景下的课程思政实践提供参考。“机械振动学”专业教师在授课中可以根据授课内容，灵活地将以上思政元素融入课堂，更新教学体系、丰富课堂内容、做好教学设计，实现“立德树人，润物无声”的教学目标。参考文献：1陈兵，王文瑞，郜志英.机械动力学课程教学改革 J.中国冶金教育，2011（04）：16-18.2赵倩，袁静，蒋会明，等.工科高校机械类课程思政教育：以“机械动力学”课程为例 J.科教导刊，2020（34）：108-109.3黄毅，唐宏宾，何志勇.新工科背景下的机械动力学课程教学新模式 J.大学教育，2020（07）：71-73.4习近平在全国高校思想政治工作会议上强调：把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面 N.人民日报，2016-12-09（01）5黎书文.“机械原理”课程思政元素的设计与教学融入研究 J.机械设计与制造工程，2021，50（08）：86-88.6高佳丽.工科专业课堂与课程思政德智融合路径初探：以“机械工程材料基础”为例 J.教育教学论坛，2020（30）：67-68.7蔡敢为.机械振动学 M.武汉：华中科技大学出版社，2012.（责任编辑：罗欣）164