結構力學課程多媒體輔助教學軟件的研發和應用

祥林　鄭夕健　費燁

摘要：基于結構力學課程的教學體系、教學內容及教學改革研究，探討結構力學課程多媒體輔助教學軟件的開發理念、軟件內容及其教學中的運用等。具體介紹了輔助教學內容、考核測試、交互計算分析和媒體欣賞等四大方面14個功能模塊輔助軟件的設計，剖析了軟件各功能模塊的意義與使用，展示了多媒體輔助教學軟件在結構力學課程教學應用中的良好效果。

關鍵詞：結構力學；多媒體教學軟件；輔助教學；教學改革

中圖分類號：G642.0；TU311 文獻標志碼：A 文章編號：

10052909（2015）04013908

結構力學是建筑類高校機械專業的核心課程和特色課程，其內容涉及起重機、混凝土泵車等高聳大型建筑機械的力學問題分析。隨著現代大型機械的工程應用，結構力學課程的重要性不斷提升。隨著計算機技術的發展和教學理念的不斷更新，計算機的課堂應用成為教學改革的重點。在教學實踐中，人們逐漸認識到多媒體軟件在輔助教學中的重要性，多媒體輔助教學軟件的研發與應用成為現代教育的重要話題[1-8]。

2005年以來，筆者開始研發系列力學課程輔助教學系統軟件，在多年的力學系列課程教學和輔助教學軟件的開發中，逐漸形成了以板書教學為主、多媒體教學手段為輔的多媒體輔助軟件開發理念，高水平教學軟件的開發極大地促進了教學。2012年，筆者申請獲批遼寧省高等教育本科教學改革研究項目“機械類結構力學課程體系和內容的改革與實踐研究”。在教學體系、教學方法和教學內容的改革中，研發了結構力學課程多媒體輔助教學與測試系統，完成了輔助教學、考核與測試、交互分析計算、動畫與圖片等四大部分14個功能模塊的可視化程序設計。課件先后獲得第十屆全國多媒體課件大賽一等獎、遼寧省教育軟件一等獎和建筑類多媒體課件大賽二等獎[9-11]。以下通過軟件程序功能使用和輔助教學應用兩個方面談談體會。

一、軟件程序的功能與描述

結構力學課程輔助教學軟件是在Visual Basic 平臺下，嵌入3Dmax，Powerpoint，Photoshop，Mathematica和Excel等技術。內容包括輔助教學、考核測試、交互計算、動畫與圖片等四大部分，具體由電子教案、習題解答、理論教學、計算機輔助計算、選擇判斷、填空練習、辨析正誤、靜定結構約束力、靜定梁內力、結構變形、超靜定梁內力、動畫欣賞、結構圖片和力學巨匠等14個功能模塊組成。在界面設計上有菜單和按鈕直接導航，每個子模塊中具有使用說明。

（一） 軟件首頁面

（二） 輔助教學部分

具體包括電子教案、理論教學、習題解答、軟件輔助計算等4個模塊。

1.電子教案模塊

由Powerpoint設計，涵蓋緒論、平面體系的機動分析、靜定梁與靜定剛架、靜定平面桁架、結構位移計算、力法、位移法和影響線及其應用等8章內容。注重教學內容更新，通俗易懂，適合學生課前與課后輔助學習。圖2（a） 為電子教案的引導畫面，圖2（b） 為電子教案中某一章節畫面，每頁由按鈕引導，具體含義為：音樂停止，播放音樂，到首頁，前翻一頁，后翻一頁，到尾頁。

2.理論教學模塊

包含教學大綱、教學日歷、考試樣卷、樣卷答案、考試改革、大作業題與學生大作業實拍等具體內容。本模塊旨在強化學生對教學大綱、教學內容、考試改革、試卷與大作業理論教學內容的理解。圖3（a）、（b）分別為理論教學模塊的試卷截圖和大作業截圖。

圖3 理論教學模塊部分截圖

3. 習題解答模塊

本模塊列出教材各章節部分重要典型習題，并按步驟給出正確的解答過程，指導平時作業如何按步驟與要求分析求解，以強化作業環節。圖4 （a）、（b）分別為桁架和剛架內力計算的兩個實例圖。

圖4 習題解答模塊

4軟件輔助計算模塊

本模塊針對結構力學中矩陣位移法基本原理的實際問題進行分析，以實際教學錄像的形式，講述矩陣位移法求解過程。圖5（a） 、（b） 分別講述了Mathematica和Excel 軟件求解剛架和桁架兩類重要問題的輔助計算求解方法，旨在強化對有限元方法的認識。

圖5 軟件輔助計算模塊

（三） 考核測試部分

包括選擇判斷、 填空練習、辨析正誤等3個模塊。

1選擇判斷模塊

本模塊為四選一測試題型。通過隨機產生題目，交互選擇正確答案，加深學生對結構力學概念的理解。同時給出測試成績，以反映對這類題型的掌握情況。圖6 為選擇判斷模塊的實例圖。

圖6 選擇判斷模塊實例圖

2填空練習模塊

本模塊為填空測試題型。通過隨機產生題目，要求填寫答案，給出判定結果，旨在考核對結構力學基本概念的理解。圖7為填空練習模塊實例圖。

圖7 填空練習模塊實例圖

3辨析正誤模塊

本模塊為是非判斷題型。通過批量產生題目，要求判斷題目描述問題的對與錯，程序給出評價的結果。圖8（a）、（b）分別為5個一組和10個一組兩種情況實例的正誤判斷。

圖8 辨析正誤模塊畫面圖

（四）交互計算分析部分

含靜定結構約束力計算、靜定梁內力、結構變形、超靜定梁內力等4個模塊。

1靜定結構約束力模塊

本模塊用于任意構件系統約束力計算的交互分析求解，通過交互形式輸入構件、約束、載荷，軟件將計算輸出結構的約束力結果。此方法可檢驗學生約束力求解的正誤。圖9（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）為圖9（a）實例的求解過程。

圖9 靜定結構約束力模塊實例求解畫面

2靜定梁內力模塊

本模塊用于梁結構內力分析的交互式彎矩剪力圖繪制。程序給出兩個步驟：第一步是直接給出約束力計算；第二步是根據計算結果繪制彎矩剪力圖，并針對梁所承受載荷情況進行分析，加強學生對內力分析部分概念的理解。圖10（b）、（c） 、（d）、 （e） 為圖10（a） 實例的求解過程。

圖10 靜定梁內力模塊實例求解畫面

3結構變形

本模塊用于梁結構彎曲變形圖的交互繪制，直觀獲得結構在任意約束和載荷作用下的變形曲線，為掌握結構變形問題提供條件。圖11（a）、（c）為外伸梁的一個實例求解過程；圖11（b）、（d） 為簡支梁的一個實例求解過程。

圖11 結構變形模塊實例求解畫面

4超靜定結構梁內力

本模塊繪制超靜定連續梁的內力圖。通過施加桿件、施加約束、施加載荷與繪制內力圖等幾個步驟，完成連續梁內力圖繪制。圖12（b）、（c）、（d）、（e）為圖12（a）實例的求解過程。

圖12 超靜定結構梁內力實例求解畫面

（五）動畫與圖片

包含動畫欣賞、結構圖片和力學巨匠等3個模塊。

1動畫欣賞模塊

提供觀看動畫文件環境，集成與結構力學課程教學內容相關的30個動畫，動畫由3Dmax軟件制作，可以通過文件列表中單擊選取。在播放的同時，動畫內容說明框描述所演示動畫的目的。該模塊主要強化學生對結構變形和破壞等方面的認識。圖13為動畫欣賞模塊的兩個具體實例畫面。

圖13 動畫欣賞模塊實例畫面

2結構圖片模塊

該模塊給出自行拍攝與結構力學課程內容相關的80張照片，用于加強學生對實際工程機械結構的了解和掌握。圖14為結構圖片的實例畫面。

圖14 結構圖片實例圖

3力學巨匠

該模塊給出牛頓、達朗貝爾、拉格朗日、周培源、錢學森等12位中外著名力學科學家的力學貢獻，旨在激發學生對力學課程的學習興趣。圖15為具體力學巨匠講解畫面。

圖15 力學巨匠模塊圖

二、輔助教學手段多媒體輔助教學系統的應用

（一） 針對教師

經過多年的理論力學、材料力學、工程力學、彈塑性力學、結構力學等系列力學課程的教學實踐，筆者認為力學課程以傳統的板書講授為主、以多媒體教學為輔的教學手段最適宜。

對多門理工科技術和專業基礎課程，全面直接使用多媒體授課達不到教學效果與目的。對邏輯性強的課程，采用以傳統板書講授為主、多媒體教學為輔的教學手段更為合理。將書本內容直接搬上計算機屏幕是非常不可取的。教師不應該是電影放映員和鼠標按鍵手。教師需要通過合理教學手段，真正將科學知識傳授給渴望獲得知識的學生，并培養學生的基本素質與能力。同時必須明確的是，幻燈片播放內容與真正意義的講義是不同的，照讀屏幕內容根本就不屬于正常授課，PPT不能代替教案，現代教育與計算機教學也不能對等。教師通過認真備課，以板書為主，以計算機為輔助的合理搭配的教學模式才是可取的。在結構力學課程教學中，筆者體會到，若講授一個定理，通常可首先引入工程實例，采用多媒體展示相關實例及動畫或視頻；對定理內容的描述也可以采用多媒體，使其內容保留在屏幕上；而針對定理的證明與推導過程，則應該使用板書來完成，這樣的講授才能加深學生對定理內容的認識和理解；當運用定理分析和求解具體例題時，可以將例題題目借助媒體打在屏幕上，減少教師抄題所用時間，而講授例題的求解過程，則需要板書按步驟講解。如力法問題求解，通常給出：確定基本未知量與構成靜定體系；列力法方程；圖乘法計算方程系數，求解基本未知量； 繪制最終內力圖。圖16為筆者講授力法內容的板書與結合計算機的教學畫面。

圖16 力法教學畫面

在輔助軟件PPT文件設計編制中，需要重視文本、圖片和動畫的合理配合，采用白底黑字，使得畫面清晰，注意文本自定義動畫的細節，減緩講授速度；重視類似黑板教學中的暫留性問題，如講授例題的受力圖應該在相關畫面上給予保留；有效采用office工具，重視逼真圖形處理等問題等。

建立軟件輔助計算思想。例如應用矩陣位移法（有限元法）求解桿系，教師需要將Excel 和 Mathematica等工具軟件引入課堂，求解多階矩陣和高階代數方程這類不能直接采用手算求解的問題，這樣有助于提高學生的綜合能力。

在階段復習中，可以運用輔助軟件系統的考核與測試內容，強調概念性內容，強化對客觀題目的了解。

結合考試改革，針對重點和難點內容加以測試；增加力法大作業分析求解，完成手算與軟件輔助計算結果的對比，以強化重要知識點的學習。

（二）針對學生

對學生應激發其學習興趣，構建一種愉快學習專業知識的思想。輔助教學軟件可作為教學參考資料，通過測試功能和交互功能的應用，提升學生結構力學課程的學習興趣。學生在思考軟件是怎樣分析求解的過程中，也將對程序分析求解的方法和原理產生興趣，由此，引導學生探討工程問題計算機應用的程序設計的求解原理與程序實現原理，這對目前計算機在機械工程中的應用與解決實際問題具有一定的意義。

引導學生在課前課后的業余時間使用輔助軟件學習。學生可以通過選擇判斷、判斷正誤和填空回答等模塊的功能，以及客觀題目的綜合測試，檢查自己對結構力學知識點的掌握情況。此外，對分析計算與繪圖型題目，可以通過軟件的交互計算分析模塊，對比自己作同類題目的正確率，來判定自己對主要知識點的掌握情況。

對結構變形、屈曲等內容，可以通過軟件的動畫與圖片模塊，加深對結構的認識，以及對強度、剛度和穩定性概念的理解。

三、教學效果

對機械類結構力學課程教學體系內容的改革與實踐研究，筆者著重就教學內容模塊化、考試改革、多媒體輔助教學軟件研發與輔助教學運用等方面進行了思考和探索，取得了一定成效。通過采用以板書為主、多媒體輔助教學為輔的教學手段，較好地完成了結構力學課程教學任務。通過多媒體輔助教學軟件的課內外應用，強化對基本概念的認識，通過大作業考核促進學生對重點內容的掌握，通過動畫模擬促進對實例問題的理解，通過交互測試促進對具體問題分析求解方法的掌握。在機械0901-02、機械1001-02、機械1101-02、工程機械1101、機械1201-02和工程機械1201等班級的教學實踐中，收到預期的良好教學效果，提升了學生運用結構力學知識學習后續課程和畢業設計的能力，激發了學生的學習熱情和興趣。近年來，盡管結構力學課程考試題目難度大，而2009級、2010級和2011級機械專業總評成績均較高，平均成績為76.9分，優秀率為15.7%，及格率為97.3% ，機械設計方向學生總排名處于機械專業的領先地位。筆者在學校教學質量評價中也多次被評價為A，獲得了學校教學名師稱號，多次被評為畢業設計優秀指導教師。

四、 結語

如何借助現代教學工具，組織好課堂教學，較好完成教學任務，是新時代教師面臨的新課題。作為一名專業教師，應不斷充實專業知識，學習最新多媒體技術，掌握現代教學手段，學會輔助教學軟件的設計和應用，達到能夠熟練運用軟件實現輔助教學的水平。教學中要注重板書講授與多媒體輔助教學的有機結合，充分發揮教師的主體作用和輔助軟件在教學中的應用優勢，不斷提高教學效果和教學質量。參考文獻：

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