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专业课中“五育并举”的实施案例分析 ——以《工程振动与测试(振动力学)》课程为例
发布时间:2014年06月12日 09:46 点击: 36 发布:天津大学机械工程学院力学系
专业课中“五育并举”的实施案例分析
——以《工程振动与测试(振动力学)》课程为例
张素侠*,刘习军 
(天津大学机械工程学院力学系 天津 300354)
摘要:本文以《工程振动与测试(振动力学)》课程为例,探讨满足专业课程的培养目标和“三全育人,五育并举”要求的教学手段,给出具体的实施案例。针对疫情期间学生居家学习不具备实验教学条件的情况,根据课堂教学内容和学生提议,因地制宜设置符合课程要求的作业,将振动力学教学中将理论分析与实践相结合,将培养学生解决实际问题的能力与培养学生热爱劳动和勇于创新相结合,完成振动力学课程中贯彻“三全育人,五育并举”的典型案例,为专业课能力、素质和品质教育的融合提供参考。
关键词:五育并举;振动力学;教学案例;居家学习
中图分类号:G642.0    文献标志码:A
[基金项目]2019年天津市线上线下混合式一流建设课程项目“工程振动与测试(振动力学)”;2014年国家自然科学基金项目“考虑松弛-张紧效应时深海系缆-平台耦合运动及稳定性研究”(51479136),2018年天津市自然科学基金项目“细长柔性体畸变模型的非线性修正规律研究”(JCYBJC18700).
作者简介:张素侠(1978-),女(汉族),河北秦皇岛人,工学博士,天津大学机械工程学院副教授(通信作者),博士生导师,主要从事非线性振动、动力学与控制领域的教学与科研工作;刘习军(1956-),男,汉族,河北定州人,本科,天津大学机械工程学院教授,博士生导师,主要从事非线性振动,动力学与控制领域课程与教育教学研究。

 


一、问题的背景
“工程振动与测试(振动力学)”课程是工程力学专业学生的必修课(专业课),是机械、土木、化机等专业的选修课。课程内容包括单自由度系统振动、多自由度系统振动、连续体振动、振动的数值计算方法和振动控制等内容,课程目标是使学生掌握振动的基本概念、原理和方法,培养学生求真务实的天大品格;将振动理论与前沿技术相联系,获得振动规律和特性,形成恰当解决方案,使学生具有解决复杂振动问题的综合能力和高级思维并为国家强盛和民族复兴服务,培养具有创新和挑战精神、专业素养、家国情怀和责任担当的振动领域专业技术人才。
在全国教育大会上,习近平总书记提出:“培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人,加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育”,培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人,要求学生价值观端正、知识丰富、能力全面。价值观端正,就是要学好知识,同时要用好知识,为社会和国家建设服务;知识丰富,就是要掌握基本理论,并能够动手实践,将理论知识应用到实际的生活中。教育部部长陈宝生也表示,教育战线将坚持“新、高、实、深”四个基本要求,坚持高标准、严要求、有特色,坚持狠抓落实、务求实效,将立德树人和劳动教育贯穿人才培养全过程同时与学校教育教学体系深度融合,全面落实习近平新时代中国特色社会主义思想进课程教材要求,构建体现时代特征的劳动教育体系,加强和改进新时代体育、美育工作,构建与时代发展相适应的语言发展规划,培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。对于《工程振动与测试(振动力学)》课程来说,就是将课程内容中的振动理论与工程实践相结合,将课本知识与动手能力培养相结合,教学中融入劳动教育,同时将学生解决复杂工程问题的能力在工程中有所体现,在生活中有所体现。
在《工程振动与测试(振动力学)》课程的教学中,我们对以上问题进行了探讨和尝试。特别是2020年由于疫情的影响,学生整个学期都在家中上课,正常情况下的振动力学实验室实验无法开展。如何在家中进行振动理论的应用,提高学生的实战性,成为该课程要探讨的主要问题。
二、实践问题的提出
在上课过程中,我们主要通过学生查阅文献的方式,来扩展相关知识。通过让学生寻找自己感兴趣的工程实例,经过背景调研、模型简化、方程建立、求解分析和对标实际等方式,来锻炼学生解决复杂问题的实践能力。在讲到相关知识点时,一方面通过学生的观察和联想生活中见到的工程结构来进行扩展,另一方面通过补充前沿工程结构和工程问题来实现内容的扩展。例如,在讲到振动控制技术的实例时,讲到发现凡是有动力的地方,就都有可能存在振动问题。于是有学生立刻回复到,家里的洗衣机、冰箱、抽油烟机、排风扇,所有的电器都可能存在振动。有的同学就回复说,我们可以尝试进行减振控制了。于是我们布置了作业:要求学生选择家里的一样电器,通过使用、观察,发现其中的问题,并利用所学的振动理论,进行减振。对比结果,说明方法的有效性;用视频的形式拍摄下来,作为我们的大作业,也作为这一章内容的考核方式。
这个作业内容的提出,实际上已经包含了学生的思考,以及学生希望利用所学知识解决实际问题的愿望,作为教师就是抓住这个小火苗,点燃学生的求知欲。
三、学生提交的解决方案—作业结果
在交来的作业中,有电风扇的减振,排风扇的减振,鱼缸过滤器的减振、抽油烟机的减振、洗衣机的减振等等,体现出学生兴趣的差异性和水平的各异性。
以鱼缸过滤器的减振为例,在鱼缸外面时,噪音很大;放到水里以后,噪音有所减小,是因为水的作用,相当于增加了阻尼;将过滤器固定到鱼缸壁上,相当于增加了过滤器的质量,使固有频率降低,远离了激振力频率,所以用两种减振方法完美解释了为什么过滤器的噪音降低的问题。在这个作业中,学生通过动手实验看到了具体的结果和明显的变化,同时将实际中的水与阻尼相联系、考虑缸壁的刚度和质量等因素的影响分析固有频率的变化,很好的实现了振动理论的概念在实际中的应用,是一个非常好的应用实例。
   
图1 鱼缸过滤器减振作业图
对于洗衣机的减振例子更多,一是因为洗衣机在同学家里更常见,二是因为洗衣机的振动,特别是在甩干时候的振动特别剧烈,更容易出现问题,现象特别明显。有的同学减小激振力的幅值——将衣服摊开放均匀,有的在洗衣机里面直接加入阻尼材料,比如洗碗用的新的海绵,消耗振动能量;有的进行隔振处理,例如在洗衣机的下方和侧面增加弹性和阻尼——在洗衣机下垫泡沫;有的增加洗衣机的质量,例如上面压上一箱牛奶,来改变系统的固有频率;有的干脆就消极隔振,盖上棉被,甚至有的干脆就关上房门——噪音立刻小多了。方法很简单,效果很明显,但是原理没错—我们的很多机器的外包装不就是有这样的作用么?所以学生基本上把我们的课程内容进行了完美的应用。
   
图2 洗衣机减振作业
在振动作业的展示中,我还发现了学生的一些特殊想法。例如,有的学生选择洗衣机的振动问题,但是可能洗衣机本身的振动就很小,再减振的话效果很难用肉眼观察。有的学生采用一些结构,比如水瓶里的水的振动,来表现洗衣机的振动,起到一个将实验现象放大的效果,利于观察;有的同学在洗衣机上放一张纸,看纸的运动情况来比较振动幅度的大小。有的同学采用手机拍照的方式获得一系列照片,通过图片处理得到振动信息,这与目前非接触式测量的“图像重构技术”原理一致。有的同学利用光学的方法来进行振动的放大,例如电风扇的振动,用一束光进行照射,通过测量电风扇影子振幅和光影之间的关系,反过来计算得到电风扇的振动幅度,从而说明减振效果。这些解决问题的想法和原理,与目前先进测试技术的基本原理不谋而合,这种动手实践类的开放作业培养了学生的创新思维,为未来创新人才培养奠定了坚实的基础。
 
 
 
 
 
 
四、案例的成效分析
学生的成果出乎意料,他们能把所学的所有的减振方式,都进行考虑,并且在家中找到合适的替代品进行实践,效果非常明显,甚至有的家长在帮忙拍摄视频时,会情不自禁的说“哎,振动这么小了?”满满的惊讶,对学生也是一种鼓励。
这种作业方式,一方面避免了书本上作业的枯燥,让振动问题具体化,形象化,让振动理论在眼前完美呈现;另一方面,也锻炼了学生的动手能力,理论与实践相结合。实际上能将实际问题解释清楚的,理论概念更是十分清楚,尽管没有直接的要求,但在作业中表现明显。同时,通过学生的动手实验遇到的新的问题并进行解决,学生的创新思维得到培养。
在这次作业中,我们从最基本的要求出发进行设计,课程内容和作业的完成为最高的目标,具体的内容如下:
第一,学生要完成布置的作业,首先要了解家里的生活情况,我们到底有哪些振动的机械,冰箱,洗衣机,排风扇,空调,吸尘器,鱼缸等等,所以至少可以关注一下家里的状况;
第二、如果要找到问题,必须在使用的过程中做深入的研究,从而完成大部分家务劳动,即使减振不成功,但至少可以实现劳动教育,也能总结不成功的原因和要素;
第三、将理论与实际的生活相结合,让所学内容具体化,在劳动中使理论深化—从枯燥的想象到摸得着、见得到的具体事情,使学生具有成就感。学生可以用自己手头能够实现的材料、工具和手段,与所学理论相联系并实现理论目标。
我们一直在倡导“三全育人,五育并举”,强调学生的动手能力的提升、解决实际工程问题能力的提升。一方面要学习、上网课、理论与实践相结合;另一方面要劳动、要热爱家庭;第三方面,完美利用了学生疫情期间在家里的环境因素,实现学生的动手操作。振动控制作业的布置,将这三者进行了有效的结合。
五、教学感悟
教学互长,有时候学生的思维活跃,想法很多很好,我们能在教学中感受到学生很多好的想法。
此次是由于疫情的影响,学生在家里这个特殊的时期和特殊的环境,我们将不能进入学校实验室的不利条件,转换为在各自家里可以实现多样化的有利条件,将课程理论内容和实验与家庭条件相联系,完成课程目标,实现课程理论与生活实际的联系。同时更多的与家人联系,让家人了解自己所学专业和应用场景,在小范围内有获得感。
学生通过动手实践,发现了其中的问题并通过思考进行解决,其中还反应出学生的创新思维,也说明了劳动教育和动手实验在专业课程教学中的重要性。在今后的教学中,根据具体的环境和条件,因地制宜的设置开放性动手作业的方式,可以在其他的课程中进行推广和应用。
 
参考文献
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[8]易湘斌, 贾海深, 杨嘉悦等. “三全育人”背景下《金属切削加工及机床》“课程思政”教学模式的实践探索[J]. 创新创业理论研究与实践, 2020, 3(04): 119-120+139.
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A case study of “three all-round education, five education simultaneously” in specialized course
—based on the course “Engineering Vibration and Testing (Vibration Mechanics)”
ZHANG Su-xia*, LIU Xi-jun,
(Department of Mechanics, School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300354, China)
Abstract: In this paper, the teaching methods to meet the training objectives of professional courses and the requirements of "three complete education, five education simultaneously" is discussed, and the specific implementation case is given based on the course of engineering vibration and testing (vibration mechanics). In view of the situation that the students do not have the experimental teaching conditions for home-based learning during the epidemic period, the homework assignments are set up according to the classroom teaching content, students' suggestions in line with the requirements of the course. the vibration mechanics teaching combines theoretical analysis with practice, and cultivate the students' ability to solve practical problems with the cultivation of students' love for labor and innovation, so as to complete the course of vibration mechanics The typical cases of "three complete education, five education simultaneously" provide reference for the integration of professional course ability, quality and quality education.
Keywords: five education simultaneously; vibration mechanics; teaching case; home study
 
 

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