《机械振动与噪声控制》课程线上线下教学设计与优化.pdf

张泽，陈馨，蔡家斌：机械振动与噪声控制课程线上线下教学设计与优化181机械振动与噪声控制课程线上线下教学设计与优化张泽，陈馨，蔡家斌（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）摘要：线上线下的混合式教学方式能够充分利用网络和课堂优势，有效增强知识点记忆的广度和深度，为机械振动与噪声控制课程教学提供了新的契机。通过分析本课程的知识点，合理安排线上和线下的教学内容，在此基础上开展混合式教学改革。以线上学习通平台、独立网站等方式结合传统线下课堂教学，运用翻转课堂、软件工具、科研应用等，合理设置线上线下考核方式并结合教学反思，优化线上线下混合教学体系。经过两个完整的教学周期，学生学习效果得到了改善，教学设计的合理性得到了验证。关键词：线上线下；翻转课堂；课程优化；学习通平台基金项目：贵州大学省级本科教学工程项目“机械振动与噪声控制课程混合教学改革研究”（2020012）。作者简介：张泽，男，侗族，博士，贵州大学机械工程学院讲师。陈馨，女，贵州大学机械工程学院教务科科长。蔡家斌，男，贵州大学机械工程学院副教授。机械振动与噪声控制是贵州大学机械设计制造及其自动化专业的选修课，在大三以上的高年级阶段开设。课程主要以线性离散系统振动微分方程的建立与求解、系统固有特性分析及近似方法、振动控制、声学基本概念及噪声控制为主要授课内容1，要求学生掌握理论力学、线性代数、高等数学、复变函数、控制理论和计算机技术等多种学科的知识，具有教学内容多、理论深、应用性强等特点。在课182 Academic and Practise 学术与实践时数较少的课堂教学中，要让基础不同的学生均较好地掌握核心内容，有一定的难度。近年来，国内外在机械振动与噪声相关课程的教学内容、教学方法、教学手段、教材和实验室建设等方面进行了大量的探索和改革，比如增加问题引导、融入仿真软件工具、紧密结合实际工程等2-5，具有很好的参考意义。在“互联网+”时代背景下，可以通过线上网络平台实现多种类型的学习，课程不再是单纯线下课堂式的教师讲授、学生学习的方式，而是运用多种教学手段、时间安排自由且学生学习自主性强的方式6-8。但是，现阶段的大学课程不能完全脱离课堂，单一线上教学会带来无法约束学生听课状态、难以及时发现教学问题以及互动效果差等问题。因此，本课程从线上线下相结合的混合式教学方式出发，对课程原有知识体系进行梳理、整合与重构，进而有效增强学生学习课程的深度和广度，解决机械振动与噪声控制教学过程中的难点问题。一、线上线下教学内容分配根据不同章节内容的特点，对具体的课程知识点进行线上和线下的分类，挑选线上教学内容，强化线下教学安排。以这几年的教学经验来看，机械振动与噪声控制课程适合进行线上教学的内容包括：单自由度振动微分方程建立的基本原理、牛顿第二定律、动量矩定理、达朗贝尔原理和能量法等内容的补充例题；多自由度振动微分方程建立的例题讲解；无阻尼系统自由振动、黏性阻尼和库伦阻尼系统的自由振动与仿真分析；二自由度系统振动特性与仿真；多自由度系统振动特性与基频估计；受迫振动控制仿真；振动主动控制和相关的项目研究实例以及机械噪声与控制的理论分析等。相对于线上教学，线下教学采用传统的课堂教学方式但进行一定程度的教学形式升级与创新。线下教学内容包括以下部分：绪论部分的机械振动概述、振动运动学与机械噪声概述；系统的离散化、自由度与广义坐标；动力学基本原理；等效系统分析；多自由度振动微分方程建立的视察法、刚度法、柔度法和拉格朗日方法的理论讲解；非齐次微分方程与简谐激励响应；实际阻尼、周期与瞬态激励及系统传递函数；二自由度系统与多自由度系统的受迫振动；阻尼比和固有频率的确定与转动平衡问题；隔振原理；动力吸振器与主动振动抑制；声学基本原理等。张泽，陈馨，蔡家斌：机械振动与噪声控制课程线上线下教学设计与优化183二、课程实施及优化线上线下教学设计实施的具体结构如图 1 所示，本文将从六个方面展开阐述。1.实施与补充线上教学内容“教育公平，教学资源共享”一直是教育界所倡导的，而慕课（Massive Open Online Courses）的出现，顺应了这一趋势。早在 2012 年，慕课就已经流行起来9，比如国外的 Udacity、edX、Coursera、可汗学院以及各个著名大学的公开课等。国内比较有名的包括网易公开课、中国大学慕课、果壳网、各类大学公开课、学堂在线和学习通平台等10。本教改项目在线上教学的实施过程中，借助学习通平台建立了线上教学体系。图 1线上线下课程教学结构184 Academic and Practise 学术与实践针对线上教学内容，对知识点进行碎片化处理，制作教学短视频（一般小于 20分钟）上传到学习通平台，构建线上教学的主体内容。学生可以充分利用手机或者笔记本电脑，相对自由地通过短视频教学资源进行知识点的学习和复习，特别是对还未牢固掌握的部分，可随时随地学，充分体现出线上教学的优势。本课程还建立了在线课程的知识结构思维导图，来弥补零散知识点和分散知识块较多，不利于学生知识整体框架搭建的弊端。学生通过思维导图，可以理清学习脉络，便于后续复习巩固，最终获取系统化的知识体系。依托超星学习通平台的同时，建设独立的课程网站11，把制作和收集的学科背景知识、重要的教学记录和学生学习记录以及优秀作业等集中起来，供学生自由下载。建设独立的教学网站虽然复杂，但能保持界面设计的自由、展示方式的多样化以及本课程的独立特性，增强学生对课程设计的认同感。作为线上教学的一个重要部分，长期记录不同班级的教学和学生学习状况并作为数据保留，是后续课程深度建设的基础，能对课程的线上线下教学起到积极作用。2.优化线下课程内容和教学方式线下授课内容除了常规的课堂教学之外，主要从教学形式和内容上进行优化。针对一些重要的理论及应用知识点，采用翻转课堂的形式进行教学，以便学生牢固掌握内容，并培养其研究能力。把翻转课堂的实施过程分为三个阶段：一是课前学习阶段；二是课中测试和任务执行阶段；三是课后任务阶段。这三个阶段均需要教师和学生共同参与。比如针对隔振原理的翻转课堂，其详细过程可表达为如图 2 所示的结构。从翻转课堂的教学效果反馈来看，学生充分掌握了振动理论的应用，有效提升了教学效率。本课程除机械振动的基础理论外，还涵盖另一重要教学内容，即振动控制问题。这一内容以之前的先修课程电机与控制 机械工程控制基础 机电一体化设计等为基础，在振动主动控制理论和工程实际的理论前提下，基于音圈电机、位移传感器和集成控制器，设计振动激励和振动隔离课堂演示实验系统（见图 3），在课堂上演示并说明电机控制系统的设计和实验过程，展示可使用的工具、设备与方法，能够充分增加学生对学科研究的感性认识，激发其研究兴趣，扩展学生知识广度，完善课程体系。3.优化预习、课堂练习和作业题设计混合教学应该充分重视课程预习。通过在线上提前发布相关预习素材，让有主动学习习惯的同学能更有计划地学习，并在临张泽，陈馨，蔡家斌：机械振动与噪声控制课程线上线下教学设计与优化185近时间规定强制任务，优化设置相应的时间节点和任务点，约束学生学习；通过增加课堂练习，让学生及时巩固所学内容。线上课堂练习能够实现教学约束并进行学习效果统计，线下课堂练习能有效提高学生的上课积极性和专注度。两者的结合平衡了重点内容多与授课时间短之间的矛盾，让学生获得了充分训练，巩固了知识的吸收。作业题的设计是一项重要且困难的工作。由于网络资源的开放性，如果从现有题库中选取，很多题目都能搜索到现成答案，难以考察学生的学习效果。因此，本课程参考国内外优秀教材自编习题的模式，构造完整作业体系12。通过几年的教学，逐步建成了一套丰富的作业题库。学生作业完成的质量，与期末考试成绩正相关，这也体现了作业训练的效果。4.充分利用学科科研软件学生在数学、力学及控制理论等方面基础薄弱，主要体现在推演能力、计算能图 2隔振原理翻转课堂实施案例图 3振动控制课堂演示实验系统186 Academic and Practise 学术与实践力以及运用能力差。振动与噪声研究的主要软件工具包括用于符号公式演算及绘图的 Maple、微分方程求解和动力学与控制系统仿真的 MATLAB/Simulink、有限元软件 Ansys、动力学分析软件 Adams 等。本课程主要运用 Maple 和 MATLAB/Simulink软件，以线上形式进行教学。利用 Maple强大的符号计算、绘图和动画功能，可以降低课程推导过程的难度，使学生获得直观的感性认识，获取更好的教学效果。采用 MATLAB 进行机械振动分析，实现了多自由度系统的建立、数学模型的数值求解等过程。以往的复杂解算过程，采用MATLAB 后变得简单而快捷，这样课堂的重点将会更多地聚焦在机械振动系统特性分析和实际应用上。Simulink 是 MATLAB的重要组成部分，可以通过框图形式对各种动态系统进行建模、分析和仿真，在本课程的多自由度系统及振动控制分析中起到了很好的作用。Maple 和 MATLAB 都是优秀的科学研究工具，通过结合课程知识，可以有效弥补学生数学等基础知识的不足，给学生指明解决振动问题的有效途径，开阔其视野并激发兴趣，使其克服畏惧心理，提高其分析解决问题的能力，为其后续学科竞赛、毕业设计、继续深造和工作等提供必要的能力准备。实际工程中，新问题可以通过已有的知识和能力，配合引入新的理论来解决。新理论的验证，同样也建立在已有的知识上。机械振动与噪声控制课程本身就具有多学科交叉的特点，帮助学生用已学知识解决本课程遇到的实际问题，提高运用知识的能力，是非常必要的。振动主动控制是本文作者的主要研究方向之一，也是本课程的一个讲授重点。通过分析相关振动主动控制研究项目，即应用在桁架抑振的动力吸振器、柔性梁振动抑制和液压驱动六自由度振动隔离平台等多项实际科研内容，从运用的振动理论、控制理论和控制工程技术等方面简述研究过程和成果，让学生了解振动学科的前沿问题，对科研的手段和方法有初步印象，引导其讨论和思考项目中的理论及观点，培养其严谨的科学态度，进而实现教学过程的优化。5.完善考核体系并进行教学反思课程考核评价体系的建立是混合教学的重要环节，是保障教学计划开展、教学内容实施和培养目标实现的关键。本课程从线上和线下两个方面来建立学生学习考核标准。线上评价体系依托互联网和数据库的优势，对学生在线学习时长、在线提问、参与问题讨论的活跃度、与教师的答疑互动、在线完成单元练习等情况进行统计分析后给出客观评价。线下评价体系包括三方面：一是学生自评及互评，即对学习效张泽，陈馨，蔡家斌：机械振动与噪声控制课程线上线下教学设计与优化187果进行自我评价以及分组讨论互评；二是教师对学生的综合评价；三是期中、期末考试卷面成绩。对上述考核方式的结果进行综合加权以确定学生的最终课业成绩，这样可以避免学生平时不认真上课、期末考试前熬夜突击等情况，督促学生重视平时学习积累，帮助学生积累巩固各阶段课程内容，使考核更加客观和公正。完成教学过程及评价后，进行教学反思是后续的必要步骤。通过数据分析学生的典型学习行为特征，实现必要的学习行为分析。这里的数据主要包括：视频（观看次数及时长）、作业（提交次数及正确率）、学习时间（总量及分布）、平台发言（次数）等线上教学能够获取和存储的数据，以及课堂回答问题的次数、到课数、课堂练习和作业得分等线下统计数据。基于这些统计数据，充分做好课程数据分析与效果验证，有效进行教学反思，为后续线上线下教学的进一步优化提供了可能。6.实施结果与效果比较经过了两个教学周期的实施验证，从期末考试情况来看，与以往单纯的线下或者线上教学相比（见表 1），课程及格率有一定程度改观，优秀成绩学生的比例也有所提高；从答题情况看，在振动微分方程、多自由度系统特性和隔振原理等重点基本知识内容上，相比于单一线上或者线下学习，学生的掌握程度更高。整体上，学生基本知识点的掌握程度要高于单一教学模式，整体教学效果较好。三、结论线上线下混合式教学模式产生的基础，是当前互联网特别是移动互联网飞速发展表 1四学期不同类型教学期末考试成绩对比等次机自 194（线上线下，36）机自 184（线上线下，27 人）机自 174（线上，34 人）机自 164（线下，37 人）优秀2（5.56%）1(3.70%)1(2.94%)0(0.00%)良好6（16.67%）7(25.93%)9(26.47%)6(16.22%)中等6（16.67%）5(18.52%)13(38.24%)9(24.32%)及格16（44.44%）11(40.74%)4(11.76%)12(32.43)不及格6（16.67%）3(11.11%)7(20.59%)10(27.03%)188 Academic and Practise 学术与实践的成果，它提供了一套师生交流的新模式，是实现教育现代化和教育信息化的重要途径。从两个学期的机械振动与噪声控制课程线上线下的实施情况来看，相较于单一的线上或者线下模式，混合教学模式下学生能够更好地掌握重要的知识点。同时，在有限的时间内充分扩展了课程内容的深度和广度，更好达成了教学目标，为本课程后续的改革实践提供了重要的经验和研究基础。参考文献：1 赵玫,周海亭,陈光治等.机械振动与噪声学M.北京：科学出版社,2004:1-247.2 袁春元,李磊.基于问题引导教学模式的机械振动课程教学改革与实践 J.教育教学论坛,2019(27):109-110.3 于开平.振动力学相关课程设置及教材分析 J.力学与实践,2017,39(2):185-191.4 吴锦武,丁相玉.机械振动课程分类教学方式改革与探索 J.教育教学论坛,2018(28):134-136.5 崔志琴,景银萍.机械振动学课程教学改革初探 J.中北大学学报（社会科学版）,2005,21(4):86-87.6 吴志红,刘学平.面向线上线下混合实验教学模式的研究与实践 J.辽宁大学学报（自然科学版）,2020,47(3):284-288.7 王 静.“互 联 网+”时 代 O2O 在 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