基于人機交互平臺的《橋梁工程》課堂教學方法

熊文 葉見曙

摘要：基于人機交互平臺，利用計算機友好界面技術，將學生對《橋梁工程》課程中力學概念與教學難點的理解可視化，對一項純腦力活動進行視覺輔助。并且采用參數化輸入技術，使學生能夠主導對力學概念疑惑部分的主動驗證，即可利用計算機模擬技術對抽象的橋梁工程力學概念或特有力學現象進行多次不同角度的重現。文章從人機交互平臺基本功能、人機交互平臺建立與應用方法以及基于人機交互平臺的課堂教學設計方法三個角度對該課堂教學方法進行闡述，證明了該方法的可行性與可操作性，該方法可幫助學生深刻理解《橋梁工程》這門課中的教學難點與重點。

關鍵詞：人機交互平臺；可視化；教學難點；橋梁工程；課堂教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0147-02

由于橋梁結構的復雜性與特殊性，其分析方法與一般結構存在顯著不同，其中的力學現象在現實工程中無法直觀展示；同時結構尺寸巨大，也難以利用實驗室試驗進行重現。如何使學生接受并深刻理解相關力學概念，順利運用這些概念與實際工程對接，是整個《橋梁工程》講授過程中最大的教學難點[1]。

本文基于人機交互平臺，利用計算機友好界面技術，將學生對《橋梁工程》課程中力學概念的理解可視化，對一項純腦力活動進行視覺輔助，并且采用參數化輸入技術，使學生能夠主導對力學概念疑惑部分的主動驗證，即可從不同角度利用計算機模擬技術對抽象的橋梁工程力學概念或特有的力學現象進行多次不同角度的建模重現，從而幫助學生深刻理解《橋梁工程》這門課中的教學難點與重點。

一、人機交互平臺基本功能

本文以東南大學道路橋梁與渡河工程專業的本科生為對象，以自主編寫的《橋梁工程》以及《大跨徑橋梁（橋梁工程II）》授課講義與課件為基礎，利用大型通用有限元軟件ANSYS的二次開發功能將課程中難以理解與掌握的橋梁結構特有的力學概念與力學現象以數值仿真模型的方式體現，并利用APDL（ANSYS Parametric Design Language，即ANSYS參數化設計語言）技術以及Visual Basic程序建立人機交互平臺。

利用該人機交互平臺可實現以下功能或達到以下效果：（1）學生可自主改變結構設計參數以動態圖形的形式在課堂上迅速描述這些橋梁結構力學概念的特點，可讓學生自主性地驗證書本中理論推導所得出的結論或現象；（2）通過課堂教學提出問題，讓學生借助人機交互平臺從各自對問題的不同疑點出發，自己設計驗證工況進行多種工況的參數輸入，來多角度重現這些抽象概念（或者老師在課堂上當場利用交互平臺進行動態演示）；（3）通過對該人機交互平臺的后處理輸出進行設置，按學生意愿自主輸出不同的力學特征，以幫助學生深刻直觀的理解橋梁工程中特有的力學概念與現象。最終達到在課堂或校園中即可對所學知識做到理論上推導，邏輯上理解，實踐中認識的目的與效果。

二、人機交互平臺建立與應用方法

建立該人機交互平臺首先需要選擇合適的教學模型，合理的教學模型更能發揮該平臺的交互作用。進而對教學模型進行參數化設計、計算模塊調用、后處理以及結果可視化呈現等步驟以完成該人機交互平臺的完整搭建。這里基于《橋梁工程》這門課程，以其中連續梁橋章節的教學難點之一“預應力吻合束的力學特征與計算方法”為例，完整地說明如何建立并在課堂上應用該人機交互平臺。

步驟一：對該平臺教學模型的選擇。一般選擇易于采用數值模型形式進行驗證的教學難點，模型一般具備幾何參數獨立，建模易程序化，力學現象明確，驗證對象可可視化的特點。

步驟二：對該梁體數值模型進行參數化設計。例如對梁幾何形狀的參數描述，包括梁長、梁高、截面面積、截面慣性矩等；對邊界條件的參數描述，包括支點個數、支點位置；對預應力筋幾何形狀的參數描述，包括預應力筋線型在各個支點處相對位置以及各支點間預應力筋的線型。

步驟三：該梁體模型參數化完畢后，為方便學生在課堂上進行參數輸入，以按課堂正在講授的問題迅速自主地建立驗證模型，需要另外進行參數輸入的界面設計。該輸入界面一般以多組參數名稱以及相應的可輸入參數取值組成，同時包括一些參數輸入的存儲以及保存路徑設置功能，見圖1。本例中，輸入界面利用Visual Basic程序進行編制。

步驟四：對數值模型進行計算，將計算模塊與通過輸入界面所確定的數值模型進行連接。本例中，通過在界面上做一個計算鏈接，通過該鏈接將所輸入參數信息導入ANSYS有限元計算軟件，并自動作為其結構信息輸入，從而進行自動建模以及結構計算，并保存計算結果至指定目錄。以教學難點“預應力吻合束的力學特征與計算方法”為例，將采用梁單元進行連續梁體的建模與計算，而預應力采用桿單元進行模擬，并采用溫度升降技術模擬其對連續梁體的預加應力效應。最終，利用ANSYS有限元軟件建立三跨預應力混凝土連續梁有限元數值模型，完成該力學概念與現象的載體建設。顯然在使用該人機交互平臺時，相應數值計算軟件應該事先安裝準備就緒。

步驟五：對數值模型計算結果進行后處理。按學生在該人機交互平臺輸入界面填入的參數輸入數值，分別進行相應的計算結果后處理，包括為驗證某一力學概念或特殊現象對計算結果進行提取，并進行重新組合或者排序，為可視化輸出結果做數據準備。

步驟六：對處理好的計算結果進行可視化輸出。輸出形式可以是表格或者圖形，圖形中既可以包括單一計算結果也可以是多組計算結果之間的對比形式。例如在講授預應力吻合束的力學特征與計算方法這一教學難點時，常規做法是通過計算公式的推導，得出采用吻合束預應力布置形式可以不產生超靜定連續梁結構次內力的結論，而對于其他非吻合束布置形式則會產生較為明顯的次內力。由于該公式推導煩瑣，學生理解起來困難，即使接受了公式推導過程以及結果，也容易對這一力學現象表示質疑，難以將理論推導與實際情況建立較好的聯系。而采用人機交互平臺，可分別建立多組吻合束、非吻合束預應力布置形式的連續梁模型，進行數值計算，輸出彎矩內力圖，通過對比可以很直觀明確地看出吻合束布置形式對次內力的影響，讓學生既對理論推導過程“心服口服”，又對其理論推導所對應的力學現象深刻理解與記憶。

步驟七：學生根據可視化的結果輸出，判斷對教學難點的理解程度，根據需要可以重復建模，從視覺上不斷加深對所學知識的理解。

建立用于《橋梁工程》課堂教學的人機交互平臺的總體原則，即采用可參數化的模型輸入、輸出方法，對計算結果可視化、直觀化，從而從視覺角度幫助學生自主地對教學難點進行主動理解與驗證。

三、基于人機交互平臺的課堂教學設計

優秀的課堂教學設計旨在使學生通過教學的每一個特定事件，逐步完成學生對教學難點（知識點）的獲取與學習[2]，結合《橋梁工程》課程的特點，按其教學特點與教學順序，列出各種教學事件并分析期間人機交互平臺介入時機與作用。

1.預設條件、提出問題。通過多媒體課件中的圖像或言語，或依托實際橋梁工程中要完成的項目，呈現提醒，以引起學生的神經沖動。

2.描述現象、告知目標、激發動機。通過運行人機交互平臺，利用提前準備的數值模型，并結合現場工程圖片，提出問題、發現問題，引出教學難點與學習要素，使學生產生求知欲望。

3.理論分析，產生質疑、引導驗證。首次明確提出教學難點，并通過理論公式推導，給出證明；利用學生的抽象分析能力在頭腦中建立教學難點模型，引導學生將理論分析與實際運用結合，從而激發學生對理論分析進一步實際應用與驗證的需求。

4.主導建模、視覺呈現、產生刺激。針對理論分析中產生的疑問，自主設計驗證模型，利用人機交互平臺對模型進行計算以及數據處理，以呈現有視覺沖擊的可視化計算結果，利用直觀化的結果輸出使學生產生刺激，強化理解，對教學難點的學習從理論到實際相結合。

5.發散思維、引出作業。進一步提出問題，要求學生將該教學難點應用于其他工程實例，并借助人機交互平臺重新設計模型以及驗證對象，發散學生思維。

6.提供反饋、建立強化。對比不同學生利用人機交互平臺所進行的驗證模型設計，通過分析強化學生對所學教學難點的掌握程度。

也就是說，在既定教學事件發展過程中，利用人機交互平臺這一教學工具，應當采用的教學策略是，通過任務驅動，提出問題，讓學生在實踐中學習、學習中實踐，并經歷理論—質疑—建模—驗證—發散—反饋與強化的運行過程，最終利用該人機交互平臺提高《橋梁工程》的課堂教學效果，幫助學生深刻理解《橋梁工程》這門課中的教學難點與重點。

參考文獻：

[1]李宏亮，韓廣才，周躍發.提升理論力學課程教學質量的舉措[J].教育教學論壇，2015，（8）：175-176.

[2]王明芳.基于元認知策略的《Java程序設計》課堂教學研究[J].教育理論與實踐，2015，35（6）：52-53.