定位于輔助地位的結構動力學軟件研發與輔助教學實踐研究

侯祥林++鄭夕++健費燁

摘要：從多媒體的輔助教學手段定位觀點出發，研制了結構動力學輔助教學與測試系統軟件，包括教學內容、復習測試、無紙考核、虛擬交互計算、動畫與圖片五大部分的16個功能模塊。強調了以板書教學為主、多媒體為輔助的教學手段，分析了正確運用輔助教學軟件，解決課程的輔助學習、虛擬實驗、考核測試等方面問題。輔助教學提升了結構動力學課程的教學改革實踐效果，文章為力學類課程的教學改革實踐提供良好借鑒。

關鍵詞：結構動力學；多媒體輔助軟件；輔助教學；教學改革實踐

中圖分類號：G6420；TU312文獻標志碼：A文章編號：10052909（2016）03016008

結構動力學是建筑類高校機械專業的核心課程和特色課程，機械類結構力學課程涉及起重機、混凝土泵車、裝載機械、擦窗機等大型工程機械的振動問題分析，結構動力學的理論和方法指導現代大型工程機械的設計。隨著計算機媒體技術迅猛發展，如何做好計算機輔助教學也成為教學改革實踐的重要問題。在多年的不斷教學實踐中，筆者逐漸認識到課堂教學仍需堅持以板書為主，多媒體為輔的教學定位。在此定位下如何展開教學改革實踐，怎樣利用現代計算機技術做好輔助軟件研發與應用，提升教學效果，成為課程教學的重要課題[1-8]。

2012-2015年，筆者先后承擔“機械類結構力學課程體系和內容的改革與實踐研究”、“機械類結構力學課程無紙考試系統研究與實踐”和 “機械類結構動力學課程體系和內容的改革與實踐研究”等教學研究項目，在多媒體輔助軟件研發、運用與教學改革研究等方面深入研究，以下就多媒體輔助軟件研發和如何進行輔助教學兩個方面談談體會。

一.定位于輔助地位的結構動力學輔助教學軟件開發與輔助教學功能

定位于多媒體輔助教學地位，輔助教學軟件的開發與運用是重要問題。在不斷的教學實踐和軟件應用之下，基于Visual Basic 平臺環境，通過嵌入3Dmax、Powerpoint、Photoshop、Mathematica和Excel等技術，研發了結構動力學輔助教學與測試系統，包括教學內容、復習測試、無紙考核、虛擬交互計算、動畫與圖片五大部分，含電子教案、授課視頻、教學改革、軟件輔助計算、習題解答、選擇判斷、填空練習、辨析正誤、客觀題組卷測驗、固有特性主觀題考試、離散體固有特性與響應分析、連續體固有特性與響應分析、動畫欣賞、結構圖片和力學巨匠等16個功能模塊。圖1為軟件首頁面，具體內容與應用如下。

1.電子教案模塊

依據機械類結構動力學教學大綱基本要求，基于Powerpoint開發環境，編制涵蓋緒論、單自由度系統的振動、多自由度系統的振動、無限自由度體系的振動分析和結構動力學的數值解法等章節內容PPT，適用學生課前課后的輔助學習。圖2（a） 為電子教案引導畫面，圖2（b） 為電子教案章節畫面。

3.教學改革與實踐模塊（含教學大綱、教學日歷、考試樣卷、樣卷答案、考試改革、大作業等具體內容）

該模塊針對教學大綱、教學內容、考試改革、試卷與大作業的理論教學內容強化學生理解與領會。圖4為教學大綱截圖。

4.軟件輔助計算

該模塊是應用數學軟件求解復雜結構動力學問題，培養學生運用工具軟件解決實際問題的能力。圖5（a）為應用Excel軟件繪制幅頻曲線問題，圖5（b）為應用Mathematica軟件求解系統固有特性問題，強化軟件的工程應用。

1. 習題解答模塊

該模塊列出各章節部分重要典型習題，并按步驟給出正確的解答過程，通過平時作業按步驟的分析求解，強化學生的作業環節。圖6 為三個自由度振動問題求解的實例圖。

2. 選擇判斷模塊

該模塊為四選一測試題型。通過隨機發生題目，交互選擇正確答案。圖 7 為選擇判斷模塊的實例圖。

3.填空回答模塊

該模塊為填空測試題型。通過隨機發生題目，填寫答案，給出判定結果。圖8為填空練習模塊實例圖。

4.辨析正誤

該模塊為是非判斷題型。通過批量發生題目，判斷題目描述問題的對與錯。圖9為辨析正誤模塊畫面圖。選擇判斷、填空回答和辨析正誤幾類題型可加深學生對結構動力學概念的理解。

（三）無紙考試部分（包括客觀題組卷考試和主觀題固有特性考試2個模塊）

1.客觀題組卷考試模塊

應用了VBA 技術，針對選擇題、填空題和判斷題三種題型，通過隨機選題自動生成 word試卷，然后答卷、上交，并評定出成績。實現對于學生客觀題型的綜合考核，如圖10。

1.離散體振動分析模塊

通過動態交互輸入，組成離散振動系統，計算固有頻率振型，求解振動響應。

（五）動畫與圖片部分（包括動畫欣賞、教學板書、結構圖片和力學巨匠等4個模塊）

1.動畫欣賞模塊

提供觀看動畫文件環境，并集成由3Dmax軟件制作的與結構動力學教學內容相關的20多個動畫，這部分可加強學生對振動問題的理解。

2.教學板書模塊

給出教師授課畫面圖片，強化以板書為主、多媒體為輔的教學理念。

3.結構圖片模塊

給出自行拍攝與工程機械相關照片，用于加強學生對機械工程動力學的了解。圖15為結構圖片的實例畫面。

4.力學巨匠模塊

給出牛頓、達朗貝爾、拉格朗日、錢學森和聞邦椿等12位中外著名力學科學家的力學貢獻成果展示，用于鼓勵學生產生對力學課程的學習興趣。圖16為具體力學巨匠講解畫面。

二、多媒體輔助教學定位下的結構動力學課程體系和內容的改革與實踐

（一）板書為主、多媒體為輔的課堂教學設計

大學課堂教學以教師為主導，學生為主體，是一種強調教學過程要以板書為主、以多媒體為輔的教學手段。在教學環節中，可提倡啟發式、討論式、交互式等多種教學方式，營造師生互動的課堂氛圍，以激發學生的學習興趣，以培養學生的基本素質與能力為目的。

同時必須明確的是，屏幕不能完全替代板書，屏幕應該完成對教學內容的補充，如圖形演示、數據計算等。例如講授一個知識點，可在屏幕上顯示其內容，但是針對知識點的證明與推導過程要用板書完成，由此深化學生對知識點內容的理解。當運用知識點分析與解決具體問題，可以通過屏幕顯示題目，而講授問題的求解過程需要板書按步驟分析講解。軟件在教學內容中提供授課視頻，給出了清晰的教學過程。

（二）通用工具軟件的課堂即時應用

借助于計算機的媒體技術，引入計算方法，實現從計算尺到計算器，再從計算器到計算機的一個飛躍。現代教學過程中，需要教師具備程序設計能力和工程軟件使用的基礎。結構動力學的離散體和連續體的固有頻率求解、幅頻特性響應圖的繪制是技能也是技巧。學會數學軟件工具解決這些問題，可達到事半功倍的效果。將通用的Excel 和Mathematica等工具軟件直接引入課堂，求解如多階矩陣問題和三階高階代數方程這類不能直接通過手算求解的問題。

（三）考試改革實踐

根據結構動力學課程教學要求，著重加強學生實踐能力和創新意識的培養。在成績考核方面實施大幅度的改革。采取全過程考核，包括平時測驗、大作業和期末考試，其分值占比分別為10%、20%和70%。平時測驗結合軟件的客觀題進行考試評定；大作業采取一人一題的方式進行，針對解決機械多自由度離散動力學問題的大作業，克服了期末考試受時間和手算能力對命題復雜程度的限制，實現了對多自由度離散系統的自由振動和受迫振動的實例求解分析，并通過軟件所提供的虛擬交互計算分析獲得了驗證對比，從而提升學生對理論知識的掌握。圖18為大作業題目與分配圖。

（四）虛擬交互實驗設計

強化對結構動力學工程問題的掌握與分析，針對離散系統和連續體系統，建立動力學多媒體可視化分析程序。通過內嵌QR 法、Newmark法程序設計原理，針對固有振動和受迫振動問題，實現具有系統參數輸入條件下的交互式分析；實現系統固有頻率與振型計算以及振型圖形繪制；實現在不同頻率激勵下的系統響應曲線繪制。具體內容包括：（1）離散系統固有頻率與振型計算分析；（2）離散系統振動響應計算分析；（3）典型連續體系統固有頻率與振型計算分析。從結構動力學基本原理和計算機兩個方面得以實現，加強學生對力學基本原理和精髓內容重難點的圖。

（五）工程典型問題的實例應用

課堂上通過針對工程機械中具體問題實例模型的建立，實現理論學習內容與實際工程的聯系。圖20（a）為橋式起重機簡圖， 20（b）為對應的2個自由度振動簡圖。圖21（a）為混凝土泵車臂架簡圖，21（b）為對應的連續體振動模型圖。該實例應用使學生充分認識到理論與工程實際應用的關系。

三、結構動力學教學改革實踐成果

2012-2015年，針對結構動力學課程在教學體系、教學內容、教學方法、多媒體輔助教學軟件研發與應用等方面展開了教學改革實踐，提出了歸類分析模塊化的講授思路，強調以板書教學為主、多媒體教學為輔的教學手段，探討并實踐了結構動力學課程考核測試方法改革，逐漸形成了獨有的課程教學特色，收到良好的教學效果。同時，提升了學生運用結構動力學知識解決工程問題的能力，強化了機械工程學科碩士研究生的力學基礎理論，提升了針對工程問題的力學分析運用能力。獨特研發的機械類結構動力學多媒體輔助教學系統與測試系統軟件在 2014年第十四屆全國多媒體課件大賽上，獲得高教理科組二等獎，同時獲得唯一的最佳技術實現獎；2015年，獲得遼寧省教育軟件大賽一等獎。高質量輔助軟件的研發幫助學生完成課程學習中知識點的掌握和虛擬實驗等功能的實現。2014年，結構動力學課程獲得學校研究生優質課程；2015年，結構動力學課程獲得學校研究生精品課程。多年來，筆者在學校教學質量評價中獲得優秀，2015年被評為學校研究生的良師益友。

四、結語

文章以結構動力學教學改革與輔助教學實踐研究為主線，以結構動力學課程輔助教學軟件的研發與運用為載體，探討在現代教學環境下，如何進行輔助教學軟件的功能設計和程序實現，并有效地實現輔助教學作用。文章強調發揮教師主體作用和輔助軟件教學效果，從而深化教學內容講授。

參考文獻：

[1]陶宗國，多媒體輔助教學要有“度”[J].當代教育科學，2003（3）：60.

[2]陳偉華.基于多媒體輔助的引探發現教學模式[J].教育學刊，2007（10）：35-36.

[3]邱李華.Visual Basic 程序設計教程 [M].北京：機械工業出版社，2008.

[4] 馬振平.多媒體技術與課堂教學現代化[J]. 中國電化教育， 2005，（7） ： 69-70.

[5] 侯祥林，孫雅珍.淺議大眾化教育背景下高校基礎課程教學問題與改革措施[J].沈陽建筑大學學報：社會科學版，2010，12（2）：250-252.

[6] 侯祥林，孫雅珍等.力學系列課程多媒體輔助教學系統的研發與應用探討[J].沈陽建筑大學：社會科學版 ， 2012，14（3）： 318-321 .

[7] 侯祥林，鄭夕健，費燁，結構力學多媒體輔助教學軟件研發與輔助教學應用中的探討，高等建筑教育，2015，24（4）：139-146.

[8] 教育部教育管理信息中心.侯祥林，結構動力學多媒體輔助教學系統，全國第十四屆多媒體課件大賽高教工科組二等獎[DB/OL].http：//www.cern.net.cn，2014.10.

Abstract： From multimedia assisted teaching positioning views， structural dynamics assisted teaching and testing system software is studied. It includes teaching content， review test， paperless examination， virtual interactive computing， animation and picture 5 parts. Teaching method of blackboard as primary and multimedia as assisted is emphasized. Correct application of assisted teaching software is analyzed to solve course assisted learning， virtual experiments， testing and other aspects. Teaching curriculum reform and practical effect of structural dynamics are enhanced. The research can be used to provide teaching reform and practice of mechanics courses.

Keywords： structural dynamics； multimedia assisted software； assisted teaching； teaching reform and practice

（編輯胡玥）