結(jié)構(gòu)力學(xué)課程多媒體輔助教學(xué)軟件的研發(fā)和應(yīng)用

祥林　鄭夕健　費(fèi)燁

摘要：基于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)改革研究，探討結(jié)構(gòu)力學(xué)課程多媒體輔助教學(xué)軟件的開發(fā)理念、軟件內(nèi)容及其教學(xué)中的運(yùn)用等。具體介紹了輔助教學(xué)內(nèi)容、考核測(cè)試、交互計(jì)算分析和媒體欣賞等四大方面14個(gè)功能模塊輔助軟件的設(shè)計(jì)，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(xué)軟件在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)應(yīng)用中的良好效果。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；多媒體教學(xué)軟件；輔助教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0；TU311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

10052909（2015）04013908

結(jié)構(gòu)力學(xué)是建筑類高校機(jī)械專業(yè)的核心課程和特色課程，其內(nèi)容涉及起重機(jī)、混凝土泵車等高聳大型建筑機(jī)械的力學(xué)問(wèn)題分析。隨著現(xiàn)代大型機(jī)械的工程應(yīng)用，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的重要性不斷提升。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)理念的不斷更新，計(jì)算機(jī)的課堂應(yīng)用成為教學(xué)改革的重點(diǎn)。在教學(xué)實(shí)踐中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到多媒體軟件在輔助教學(xué)中的重要性，多媒體輔助教學(xué)軟件的研發(fā)與應(yīng)用成為現(xiàn)代教育的重要話題[1-8]。

2005年以來(lái)，筆者開始研發(fā)系列力學(xué)課程輔助教學(xué)系統(tǒng)軟件，在多年的力學(xué)系列課程教學(xué)和輔助教學(xué)軟件的開發(fā)中，逐漸形成了以板書教學(xué)為主、多媒體教學(xué)手段為輔的多媒體輔助軟件開發(fā)理念，高水平教學(xué)軟件的開發(fā)極大地促進(jìn)了教學(xué)。2012年，筆者申請(qǐng)獲批遼寧省高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“機(jī)械類結(jié)構(gòu)力學(xué)課程體系和內(nèi)容的改革與實(shí)踐研究”。在教學(xué)體系、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的改革中，研發(fā)了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程多媒體輔助教學(xué)與測(cè)試系統(tǒng)，完成了輔助教學(xué)、考核與測(cè)試、交互分析計(jì)算、動(dòng)畫與圖片等四大部分14個(gè)功能模塊的可視化程序設(shè)計(jì)。課件先后獲得第十屆全國(guó)多媒體課件大賽一等獎(jiǎng)、遼寧省教育軟件一等獎(jiǎng)和建筑類多媒體課件大賽二等獎(jiǎng)[9-11]。以下通過(guò)軟件程序功能使用和輔助教學(xué)應(yīng)用兩個(gè)方面談?wù)勼w會(huì)。

一、軟件程序的功能與描述

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程輔助教學(xué)軟件是在Visual Basic 平臺(tái)下，嵌入3Dmax，Powerpoint，Photoshop，Mathematica和Excel等技術(shù)。內(nèi)容包括輔助教學(xué)、考核測(cè)試、交互計(jì)算、動(dòng)畫與圖片等四大部分，具體由電子教案、習(xí)題解答、理論教學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算、選擇判斷、填空練習(xí)、辨析正誤、靜定結(jié)構(gòu)約束力、靜定梁內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形、超靜定梁內(nèi)力、動(dòng)畫欣賞、結(jié)構(gòu)圖片和力學(xué)巨匠等14個(gè)功能模塊組成。在界面設(shè)計(jì)上有菜單和按鈕直接導(dǎo)航，每個(gè)子模塊中具有使用說(shuō)明。

（一） 軟件首頁(yè)面

（二） 輔助教學(xué)部分

具體包括電子教案、理論教學(xué)、習(xí)題解答、軟件輔助計(jì)算等4個(gè)模塊。

1.電子教案模塊

由Powerpoint設(shè)計(jì)，涵蓋緒論、平面體系的機(jī)動(dòng)分析、靜定梁與靜定剛架、靜定平面桁架、結(jié)構(gòu)位移計(jì)算、力法、位移法和影響線及其應(yīng)用等8章內(nèi)容。注重教學(xué)內(nèi)容更新，通俗易懂，適合學(xué)生課前與課后輔助學(xué)習(xí)。圖2（a） 為電子教案的引導(dǎo)畫面，圖2（b） 為電子教案中某一章節(jié)畫面，每頁(yè)由按鈕引導(dǎo)，具體含義為：音樂(lè)停止，播放音樂(lè)，到首頁(yè)，前翻一頁(yè)，后翻一頁(yè)，到尾頁(yè)。

2.理論教學(xué)模塊

包含教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、考試樣卷、樣卷答案、考試改革、大作業(yè)題與學(xué)生大作業(yè)實(shí)拍等具體內(nèi)容。本模塊旨在強(qiáng)化學(xué)生對(duì)教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、考試改革、試卷與大作業(yè)理論教學(xué)內(nèi)容的理解。圖3（a）、（b）分別為理論教學(xué)模塊的試卷截圖和大作業(yè)截圖。

圖3 理論教學(xué)模塊部分截圖

3. 習(xí)題解答模塊

本模塊列出教材各章節(jié)部分重要典型習(xí)題，并按步驟給出正確的解答過(guò)程，指導(dǎo)平時(shí)作業(yè)如何按步驟與要求分析求解，以強(qiáng)化作業(yè)環(huán)節(jié)。圖4 （a）、（b）分別為桁架和剛架內(nèi)力計(jì)算的兩個(gè)實(shí)例圖。

圖4 習(xí)題解答模塊

4軟件輔助計(jì)算模塊

本模塊針對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)中矩陣位移法基本原理的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析，以實(shí)際教學(xué)錄像的形式，講述矩陣位移法求解過(guò)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(wèn)題的輔助計(jì)算求解方法，旨在強(qiáng)化對(duì)有限元方法的認(rèn)識(shí)。

圖5 軟件輔助計(jì)算模塊

（三） 考核測(cè)試部分

包括選擇判斷、 填空練習(xí)、辨析正誤等3個(gè)模塊。

1選擇判斷模塊

本模塊為四選一測(cè)試題型。通過(guò)隨機(jī)產(chǎn)生題目，交互選擇正確答案，加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)概念的理解。同時(shí)給出測(cè)試成績(jī)，以反映對(duì)這類題型的掌握情況。圖6 為選擇判斷模塊的實(shí)例圖。

圖6 選擇判斷模塊實(shí)例圖

2填空練習(xí)模塊

本模塊為填空測(cè)試題型。通過(guò)隨機(jī)產(chǎn)生題目，要求填寫答案，給出判定結(jié)果，旨在考核對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念的理解。圖7為填空練習(xí)模塊實(shí)例圖。

圖7 填空練習(xí)模塊實(shí)例圖

3辨析正誤模塊

本模塊為是非判斷題型。通過(guò)批量產(chǎn)生題目，要求判斷題目描述問(wèn)題的對(duì)與錯(cuò)，程序給出評(píng)價(jià)的結(jié)果。圖8（a）、（b）分別為5個(gè)一組和10個(gè)一組兩種情況實(shí)例的正誤判斷。

圖8 辨析正誤模塊畫面圖

（四）交互計(jì)算分析部分

含靜定結(jié)構(gòu)約束力計(jì)算、靜定梁內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形、超靜定梁內(nèi)力等4個(gè)模塊。

1靜定結(jié)構(gòu)約束力模塊

本模塊用于任意構(gòu)件系統(tǒng)約束力計(jì)算的交互分析求解，通過(guò)交互形式輸入構(gòu)件、約束、載荷，軟件將計(jì)算輸出結(jié)構(gòu)的約束力結(jié)果。此方法可檢驗(yàn)學(xué)生約束力求解的正誤。圖9（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）為圖9（a）實(shí)例的求解過(guò)程。

圖9 靜定結(jié)構(gòu)約束力模塊實(shí)例求解畫面

2靜定梁內(nèi)力模塊

本模塊用于梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的交互式彎矩剪力圖繪制。程序給出兩個(gè)步驟：第一步是直接給出約束力計(jì)算；第二步是根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制彎矩剪力圖，并針對(duì)梁所承受載荷情況進(jìn)行分析，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)內(nèi)力分析部分概念的理解。圖10（b）、（c） 、（d）、 （e） 為圖10（a） 實(shí)例的求解過(guò)程。

圖10 靜定梁內(nèi)力模塊實(shí)例求解畫面

3結(jié)構(gòu)變形

本模塊用于梁結(jié)構(gòu)彎曲變形圖的交互繪制，直觀獲得結(jié)構(gòu)在任意約束和載荷作用下的變形曲線，為掌握結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題提供條件。圖11（a）、（c）為外伸梁的一個(gè)實(shí)例求解過(guò)程；圖11（b）、（d） 為簡(jiǎn)支梁的一個(gè)實(shí)例求解過(guò)程。

圖11 結(jié)構(gòu)變形模塊實(shí)例求解畫面

4超靜定結(jié)構(gòu)梁內(nèi)力

本模塊繪制超靜定連續(xù)梁的內(nèi)力圖。通過(guò)施加桿件、施加約束、施加載荷與繪制內(nèi)力圖等幾個(gè)步驟，完成連續(xù)梁內(nèi)力圖繪制。圖12（b）、（c）、（d）、（e）為圖12（a）實(shí)例的求解過(guò)程。

圖12 超靜定結(jié)構(gòu)梁內(nèi)力實(shí)例求解畫面

（五）動(dòng)畫與圖片

包含動(dòng)畫欣賞、結(jié)構(gòu)圖片和力學(xué)巨匠等3個(gè)模塊。

1動(dòng)畫欣賞模塊

提供觀看動(dòng)畫文件環(huán)境，集成與結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的30個(gè)動(dòng)畫，動(dòng)畫由3Dmax軟件制作，可以通過(guò)文件列表中單擊選取。在播放的同時(shí)，動(dòng)畫內(nèi)容說(shuō)明框描述所演示動(dòng)畫的目的。該模塊主要強(qiáng)化學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)變形和破壞等方面的認(rèn)識(shí)。圖13為動(dòng)畫欣賞模塊的兩個(gè)具體實(shí)例畫面。

圖13 動(dòng)畫欣賞模塊實(shí)例畫面

2結(jié)構(gòu)圖片模塊

該模塊給出自行拍攝與結(jié)構(gòu)力學(xué)課程內(nèi)容相關(guān)的80張照片，用于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的了解和掌握。圖14為結(jié)構(gòu)圖片的實(shí)例畫面。

圖14 結(jié)構(gòu)圖片實(shí)例圖

3力學(xué)巨匠

該模塊給出牛頓、達(dá)朗貝爾、拉格朗日、周培源、錢學(xué)森等12位中外著名力學(xué)科學(xué)家的力學(xué)貢獻(xiàn)，旨在激發(fā)學(xué)生對(duì)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。圖15為具體力學(xué)巨匠講解畫面。

圖15 力學(xué)巨匠模塊圖

二、輔助教學(xué)手段多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

（一） 針對(duì)教師

經(jīng)過(guò)多年的理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)、彈塑性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等系列力學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為力學(xué)課程以傳統(tǒng)的板書講授為主、以多媒體教學(xué)為輔的教學(xué)手段最適宜。

對(duì)多門理工科技術(shù)和專業(yè)基礎(chǔ)課程，全面直接使用多媒體授課達(dá)不到教學(xué)效果與目的。對(duì)邏輯性強(qiáng)的課程，采用以傳統(tǒng)板書講授為主、多媒體教學(xué)為輔的教學(xué)手段更為合理。將書本內(nèi)容直接搬上計(jì)算機(jī)屏幕是非常不可取的。教師不應(yīng)該是電影放映員和鼠標(biāo)按鍵手。教師需要通過(guò)合理教學(xué)手段，真正將科學(xué)知識(shí)傳授給渴望獲得知識(shí)的學(xué)生，并培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)與能力。同時(shí)必須明確的是，幻燈片播放內(nèi)容與真正意義的講義是不同的，照讀屏幕內(nèi)容根本就不屬于正常授課，PPT不能代替教案，現(xiàn)代教育與計(jì)算機(jī)教學(xué)也不能對(duì)等。教師通過(guò)認(rèn)真?zhèn)湔n，以板書為主，以計(jì)算機(jī)為輔助的合理搭配的教學(xué)模式才是可取的。在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中，筆者體會(huì)到，若講授一個(gè)定理，通常可首先引入工程實(shí)例，采用多媒體展示相關(guān)實(shí)例及動(dòng)畫或視頻；對(duì)定理內(nèi)容的描述也可以采用多媒體，使其內(nèi)容保留在屏幕上；而針對(duì)定理的證明與推導(dǎo)過(guò)程，則應(yīng)該使用板書來(lái)完成，這樣的講授才能加深學(xué)生對(duì)定理內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解；當(dāng)運(yùn)用定理分析和求解具體例題時(shí)，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(shí)間，而講授例題的求解過(guò)程，則需要板書按步驟講解。如力法問(wèn)題求解，通常給出：確定基本未知量與構(gòu)成靜定體系；列力法方程；圖乘法計(jì)算方程系數(shù)，求解基本未知量； 繪制最終內(nèi)力圖。圖16為筆者講授力法內(nèi)容的板書與結(jié)合計(jì)算機(jī)的教學(xué)畫面。

圖16 力法教學(xué)畫面

在輔助軟件PPT文件設(shè)計(jì)編制中，需要重視文本、圖片和動(dòng)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(dòng)畫的細(xì)節(jié)，減緩講授速度；重視類似黑板教學(xué)中的暫留性問(wèn)題，如講授例題的受力圖應(yīng)該在相關(guān)畫面上給予保留；有效采用office工具，重視逼真圖形處理等問(wèn)題等。

建立軟件輔助計(jì)算思想。例如應(yīng)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(shù)方程這類不能直接采用手算求解的問(wèn)題，這樣有助于提高學(xué)生的綜合能力。

在階段復(fù)習(xí)中，可以運(yùn)用輔助軟件系統(tǒng)的考核與測(cè)試內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)概念性內(nèi)容，強(qiáng)化對(duì)客觀題目的了解。

結(jié)合考試改革，針對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容加以測(cè)試；增加力法大作業(yè)分析求解，完成手算與軟件輔助計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，以強(qiáng)化重要知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

（二）針對(duì)學(xué)生

對(duì)學(xué)生應(yīng)激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)建一種愉快學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的思想。輔助教學(xué)軟件可作為教學(xué)參考資料，通過(guò)測(cè)試功能和交互功能的應(yīng)用，提升學(xué)生結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在思考軟件是怎樣分析求解的過(guò)程中，也將對(duì)程序分析求解的方法和原理產(chǎn)生興趣，由此，引導(dǎo)學(xué)生探討工程問(wèn)題計(jì)算機(jī)應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)的求解原理與程序?qū)崿F(xiàn)原理，這對(duì)目前計(jì)算機(jī)在機(jī)械工程中的應(yīng)用與解決實(shí)際問(wèn)題具有一定的意義。

引導(dǎo)學(xué)生在課前課后的業(yè)余時(shí)間使用輔助軟件學(xué)習(xí)。學(xué)生可以通過(guò)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(cè)試，檢查自己對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。此外，對(duì)分析計(jì)算與繪圖型題目，可以通過(guò)軟件的交互計(jì)算分析模塊，對(duì)比自己作同類題目的正確率，來(lái)判定自己對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

對(duì)結(jié)構(gòu)變形、屈曲等內(nèi)容，可以通過(guò)軟件的動(dòng)畫與圖片模塊，加深對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性概念的理解。

三、教學(xué)效果

對(duì)機(jī)械類結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)體系內(nèi)容的改革與實(shí)踐研究，筆者著重就教學(xué)內(nèi)容模塊化、考試改革、多媒體輔助教學(xué)軟件研發(fā)與輔助教學(xué)運(yùn)用等方面進(jìn)行了思考和探索，取得了一定成效。通過(guò)采用以板書為主、多媒體輔助教學(xué)為輔的教學(xué)手段，較好地完成了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)任務(wù)。通過(guò)多媒體輔助教學(xué)軟件的課內(nèi)外應(yīng)用，強(qiáng)化對(duì)基本概念的認(rèn)識(shí)，通過(guò)大作業(yè)考核促進(jìn)學(xué)生對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的掌握，通過(guò)動(dòng)畫模擬促進(jìn)對(duì)實(shí)例問(wèn)題的理解，通過(guò)交互測(cè)試促進(jìn)對(duì)具體問(wèn)題分析求解方法的掌握。在機(jī)械0901-02、機(jī)械1001-02、機(jī)械1101-02、工程機(jī)械1101、機(jī)械1201-02和工程機(jī)械1201等班級(jí)的教學(xué)實(shí)踐中，收到預(yù)期的良好教學(xué)效果，提升了學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)后續(xù)課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)的能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。近年來(lái)，盡管結(jié)構(gòu)力學(xué)課程考試題目難度大，而2009級(jí)、2010級(jí)和2011級(jí)機(jī)械專業(yè)總評(píng)成績(jī)均較高，平均成績(jī)?yōu)?6.9分，優(yōu)秀率為15.7%，及格率為97.3% ，機(jī)械設(shè)計(jì)方向?qū)W生總排名處于機(jī)械專業(yè)的領(lǐng)先地位。筆者在學(xué)校教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中也多次被評(píng)價(jià)為A，獲得了學(xué)校教學(xué)名師稱號(hào)，多次被評(píng)為畢業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)秀指導(dǎo)教師。

四、 結(jié)語(yǔ)

如何借助現(xiàn)代教學(xué)工具，組織好課堂教學(xué)，較好完成教學(xué)任務(wù)，是新時(shí)代教師面臨的新課題。作為一名專業(yè)教師，應(yīng)不斷充實(shí)專業(yè)知識(shí)，學(xué)習(xí)最新多媒體技術(shù)，掌握現(xiàn)代教學(xué)手段，學(xué)會(huì)輔助教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，達(dá)到能夠熟練運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)的水平。教學(xué)中要注重板書講授與多媒體輔助教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮教師的主體作用和輔助軟件在教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不斷提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：

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

[2] 陳偉華.基于多媒體輔助的引探發(fā)現(xiàn)教學(xué)模式[J].教育學(xué)刊，2007（10）：35-36.

[3]侯祥林，孫雅珍.淺議大眾化教育背景下高?；A(chǔ)課程教學(xué)問(wèn)題與改革措施[J]沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010，12（2）：250-252.

[4] 侯祥林，孫雅珍，等.力學(xué)系列課程多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用探討[J]沈陽(yáng)建筑大學(xué)：社會(huì)科學(xué)版 ， 2012，14（3）： 318-321.

[5]丁春芳.淺議多媒體輔助教學(xué)中教師的體態(tài)語(yǔ)言[J]. 教育與職業(yè)，2010（11）：174-175.

[6]王湘利.提高多媒體課堂教學(xué)質(zhì)量不能忽視的四個(gè)問(wèn)題[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2010（10）：79-81.

[7]邱李華.Visual Basic 程序設(shè)計(jì)教程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[8]陳偉華.基于多媒體輔助的引探發(fā)現(xiàn)教學(xué)模式[J].教育學(xué)刊，2007（10） ：35-36.

[9]教育部教育管理信息中心.侯祥林，結(jié)構(gòu)力學(xué)多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)，全國(guó)第十屆多媒體課件大賽高教工科組一等獎(jiǎng)[DB/OL].http：//www.cern.net.cn，2010.10.

[10] 遼寧省教育廳.侯祥林，費(fèi)燁，鄭夕健，結(jié)構(gòu)力學(xué)輔助教學(xué)與測(cè)試系統(tǒng)，2014年遼寧省教育軟件大賽本科組一等獎(jiǎng)[DB/OL].http：//www.lnen.cn，2014.09.02.

[11]中國(guó)建筑教育協(xié)會(huì).侯祥林，費(fèi)燁，鄭夕健，結(jié)構(gòu)力學(xué)，建筑類多媒體課件大賽二等獎(jiǎng)[DB/OL].http：//www.ccen.com.cn，2012.05.