定位于輔助地位的結(jié)構(gòu)動力學(xué)軟件研發(fā)與輔助教學(xué)實(shí)踐研究

侯祥林++鄭夕++健費(fèi)燁

摘要：從多媒體的輔助教學(xué)手段定位觀點(diǎn)出發(fā)，研制了結(jié)構(gòu)動力學(xué)輔助教學(xué)與測試系統(tǒng)軟件，包括教學(xué)內(nèi)容、復(fù)習(xí)測試、無紙考核、虛擬交互計(jì)算、動畫與圖片五大部分的16個(gè)功能模塊。強(qiáng)調(diào)了以板書教學(xué)為主、多媒體為輔助的教學(xué)手段，分析了正確運(yùn)用輔助教學(xué)軟件，解決課程的輔助學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)、考核測試等方面問題。輔助教學(xué)提升了結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的教學(xué)改革實(shí)踐效果，文章為力學(xué)類課程的教學(xué)改革實(shí)踐提供良好借鑒。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動力學(xué)；多媒體輔助軟件；輔助教學(xué)；教學(xué)改革實(shí)踐

中圖分類號：G6420；TU312文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2016）03016008

結(jié)構(gòu)動力學(xué)是建筑類高校機(jī)械專業(yè)的核心課程和特色課程，機(jī)械類結(jié)構(gòu)力學(xué)課程涉及起重機(jī)、混凝土泵車、裝載機(jī)械、擦窗機(jī)等大型工程機(jī)械的振動問題分析，結(jié)構(gòu)動力學(xué)的理論和方法指導(dǎo)現(xiàn)代大型工程機(jī)械的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)媒體技術(shù)迅猛發(fā)展，如何做好計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)也成為教學(xué)改革實(shí)踐的重要問題。在多年的不斷教學(xué)實(shí)踐中，筆者逐漸認(rèn)識到課堂教學(xué)仍需堅(jiān)持以板書為主，多媒體為輔的教學(xué)定位。在此定位下如何展開教學(xué)改革實(shí)踐，怎樣利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)做好輔助軟件研發(fā)與應(yīng)用，提升教學(xué)效果，成為課程教學(xué)的重要課題[1-8]。

2012-2015年，筆者先后承擔(dān)“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”、“機(jī)械類結(jié)構(gòu)力學(xué)課程無紙考試系統(tǒng)研究與實(shí)踐”和 “機(jī)械類結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程體系和內(nèi)容的改革與實(shí)踐研究”等教學(xué)研究項(xiàng)目，在多媒體輔助軟件研發(fā)、運(yùn)用與教學(xué)改革研究等方面深入研究，以下就多媒體輔助軟件研發(fā)和如何進(jìn)行輔助教學(xué)兩個(gè)方面談?wù)勼w會。

一.定位于輔助地位的結(jié)構(gòu)動力學(xué)輔助教學(xué)軟件開發(fā)與輔助教學(xué)功能

定位于多媒體輔助教學(xué)地位，輔助教學(xué)軟件的開發(fā)與運(yùn)用是重要問題。在不斷的教學(xué)實(shí)踐和軟件應(yīng)用之下，基于Visual Basic 平臺環(huán)境，通過嵌入3Dmax、Powerpoint、Photoshop、Mathematica和Excel等技術(shù)，研發(fā)了結(jié)構(gòu)動力學(xué)輔助教學(xué)與測試系統(tǒng)，包括教學(xué)內(nèi)容、復(fù)習(xí)測試、無紙考核、虛擬交互計(jì)算、動畫與圖片五大部分，含電子教案、授課視頻、教學(xué)改革、軟件輔助計(jì)算、習(xí)題解答、選擇判斷、填空練習(xí)、辨析正誤、客觀題組卷測驗(yàn)、固有特性主觀題考試、離散體固有特性與響應(yīng)分析、連續(xù)體固有特性與響應(yīng)分析、動畫欣賞、結(jié)構(gòu)圖片和力學(xué)巨匠等16個(gè)功能模塊。圖1為軟件首頁面，具體內(nèi)容與應(yīng)用如下。

1.電子教案模塊

依據(jù)機(jī)械類結(jié)構(gòu)動力學(xué)教學(xué)大綱基本要求，基于Powerpoint開發(fā)環(huán)境，編制涵蓋緒論、單自由度系統(tǒng)的振動、多自由度系統(tǒng)的振動、無限自由度體系的振動分析和結(jié)構(gòu)動力學(xué)的數(shù)值解法等章節(jié)內(nèi)容PPT，適用學(xué)生課前課后的輔助學(xué)習(xí)。圖2（a） 為電子教案引導(dǎo)畫面，圖2（b） 為電子教案章節(jié)畫面。

3.教學(xué)改革與實(shí)踐模塊（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)等具體內(nèi)容）

該模塊針對教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、考試改革、試卷與大作業(yè)的理論教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)化學(xué)生理解與領(lǐng)會。圖4為教學(xué)大綱截圖。

4.軟件輔助計(jì)算

該模塊是應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工具軟件解決實(shí)際問題的能力。圖5（a）為應(yīng)用Excel軟件繪制幅頻曲線問題，圖5（b）為應(yīng)用Mathematica軟件求解系統(tǒng)固有特性問題，強(qiáng)化軟件的工程應(yīng)用。

1. 習(xí)題解答模塊

該模塊列出各章節(jié)部分重要典型習(xí)題，并按步驟給出正確的解答過程，通過平時(shí)作業(yè)按步驟的分析求解，強(qiáng)化學(xué)生的作業(yè)環(huán)節(jié)。圖6 為三個(gè)自由度振動問題求解的實(shí)例圖。

2. 選擇判斷模塊

該模塊為四選一測試題型。通過隨機(jī)發(fā)生題目，交互選擇正確答案。圖 7 為選擇判斷模塊的實(shí)例圖。

3.填空回答模塊

該模塊為填空測試題型。通過隨機(jī)發(fā)生題目，填寫答案，給出判定結(jié)果。圖8為填空練習(xí)模塊實(shí)例圖。

4.辨析正誤

該模塊為是非判斷題型。通過批量發(fā)生題目，判斷題目描述問題的對與錯(cuò)。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(xué)生對結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(gè)模塊）

1.客觀題組卷考試模塊

應(yīng)用了VBA 技術(shù)，針對選擇題、填空題和判斷題三種題型，通過隨機(jī)選題自動生成 word試卷，然后答卷、上交，并評定出成績。實(shí)現(xiàn)對于學(xué)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(tài)交互輸入，組成離散振動系統(tǒng)，計(jì)算固有頻率振型，求解振動響應(yīng)。

（五）動畫與圖片部分（包括動畫欣賞、教學(xué)板書、結(jié)構(gòu)圖片和力學(xué)巨匠等4個(gè)模塊）

1.動畫欣賞模塊

提供觀看動畫文件環(huán)境，并集成由3Dmax軟件制作的與結(jié)構(gòu)動力學(xué)教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的20多個(gè)動畫，這部分可加強(qiáng)學(xué)生對振動問題的理解。

2.教學(xué)板書模塊

給出教師授課畫面圖片，強(qiáng)化以板書為主、多媒體為輔的教學(xué)理念。

3.結(jié)構(gòu)圖片模塊

給出自行拍攝與工程機(jī)械相關(guān)照片，用于加強(qiáng)學(xué)生對機(jī)械工程動力學(xué)的了解。圖15為結(jié)構(gòu)圖片的實(shí)例畫面。

4.力學(xué)巨匠模塊

給出牛頓、達(dá)朗貝爾、拉格朗日、錢學(xué)森和聞邦椿等12位中外著名力學(xué)科學(xué)家的力學(xué)貢獻(xiàn)成果展示，用于鼓勵(lì)學(xué)生產(chǎn)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。圖16為具體力學(xué)巨匠講解畫面。

二、多媒體輔助教學(xué)定位下的結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程體系和內(nèi)容的改革與實(shí)踐

（一）板書為主、多媒體為輔的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

大學(xué)課堂教學(xué)以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，是一種強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程要以板書為主、以多媒體為輔的教學(xué)手段。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，可提倡啟發(fā)式、討論式、交互式等多種教學(xué)方式，營造師生互動的課堂氛圍，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)與能力為目的。

同時(shí)必須明確的是，屏幕不能完全替代板書，屏幕應(yīng)該完成對教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，如圖形演示、數(shù)據(jù)計(jì)算等。例如講授一個(gè)知識點(diǎn)，可在屏幕上顯示其內(nèi)容，但是針對知識點(diǎn)的證明與推導(dǎo)過程要用板書完成，由此深化學(xué)生對知識點(diǎn)內(nèi)容的理解。當(dāng)運(yùn)用知識點(diǎn)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(xué)內(nèi)容中提供授課視頻，給出了清晰的教學(xué)過程。

（二）通用工具軟件的課堂即時(shí)應(yīng)用

借助于計(jì)算機(jī)的媒體技術(shù)，引入計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)從計(jì)算尺到計(jì)算器，再從計(jì)算器到計(jì)算機(jī)的一個(gè)飛躍?，F(xiàn)代教學(xué)過程中，需要教師具備程序設(shè)計(jì)能力和工程軟件使用的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)動力學(xué)的離散體和連續(xù)體的固有頻率求解、幅頻特性響應(yīng)圖的繪制是技能也是技巧。學(xué)會數(shù)學(xué)軟件工具解決這些問題，可達(dá)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(shù)方程這類不能直接通過手算求解的問題。

（三）考試改革實(shí)踐

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程教學(xué)要求，著重加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。在成績考核方面實(shí)施大幅度的改革。采取全過程考核，包括平時(shí)測驗(yàn)、大作業(yè)和期末考試，其分值占比分別為10%、20%和70%。平時(shí)測驗(yàn)結(jié)合軟件的客觀題進(jìn)行考試評定；大作業(yè)采取一人一題的方式進(jìn)行，針對解決機(jī)械多自由度離散動力學(xué)問題的大作業(yè)，克服了期末考試受時(shí)間和手算能力對命題復(fù)雜程度的限制，實(shí)現(xiàn)了對多自由度離散系統(tǒng)的自由振動和受迫振動的實(shí)例求解分析，并通過軟件所提供的虛擬交互計(jì)算分析獲得了驗(yàn)證對比，從而提升學(xué)生對理論知識的掌握。圖18為大作業(yè)題目與分配圖。

（四）虛擬交互實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

強(qiáng)化對結(jié)構(gòu)動力學(xué)工程問題的掌握與分析，針對離散系統(tǒng)和連續(xù)體系統(tǒng)，建立動力學(xué)多媒體可視化分析程序。通過內(nèi)嵌QR 法、Newmark法程序設(shè)計(jì)原理，針對固有振動和受迫振動問題，實(shí)現(xiàn)具有系統(tǒng)參數(shù)輸入條件下的交互式分析；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)固有頻率與振型計(jì)算以及振型圖形繪制；實(shí)現(xiàn)在不同頻率激勵(lì)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線繪制。具體內(nèi)容包括：（1）離散系統(tǒng)固有頻率與振型計(jì)算分析；（2）離散系統(tǒng)振動響應(yīng)計(jì)算分析；（3）典型連續(xù)體系統(tǒng)固有頻率與振型計(jì)算分析。從結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本原理和計(jì)算機(jī)兩個(gè)方面得以實(shí)現(xiàn)，加強(qiáng)學(xué)生對力學(xué)基本原理和精髓內(nèi)容重難點(diǎn)的圖。

（五）工程典型問題的實(shí)例應(yīng)用

課堂上通過針對工程機(jī)械中具體問題實(shí)例模型的建立，實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)內(nèi)容與實(shí)際工程的聯(lián)系。圖20（a）為橋式起重機(jī)簡圖， 20（b）為對應(yīng)的2個(gè)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(yīng)的連續(xù)體振動模型圖。該實(shí)例應(yīng)用使學(xué)生充分認(rèn)識到理論與工程實(shí)際應(yīng)用的關(guān)系。

三、結(jié)構(gòu)動力學(xué)教學(xué)改革實(shí)踐成果

2012-2015年，針對結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程在教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、多媒體輔助教學(xué)軟件研發(fā)與應(yīng)用等方面展開了教學(xué)改革實(shí)踐，提出了歸類分析模塊化的講授思路，強(qiáng)調(diào)以板書教學(xué)為主、多媒體教學(xué)為輔的教學(xué)手段，探討并實(shí)踐了結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程考核測試方法改革，逐漸形成了獨(dú)有的課程教學(xué)特色，收到良好的教學(xué)效果。同時(shí)，提升了學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識解決工程問題的能力，強(qiáng)化了機(jī)械工程學(xué)科碩士研究生的力學(xué)基礎(chǔ)理論，提升了針對工程問題的力學(xué)分析運(yùn)用能力。獨(dú)特研發(fā)的機(jī)械類結(jié)構(gòu)動力學(xué)多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)與測試系統(tǒng)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(shí)獲得唯一的最佳技術(shù)實(shí)現(xiàn)獎；2015年，獲得遼寧省教育軟件大賽一等獎。高質(zhì)量輔助軟件的研發(fā)幫助學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)中知識點(diǎn)的掌握和虛擬實(shí)驗(yàn)等功能的實(shí)現(xiàn)。2014年，結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程獲得學(xué)校研究生優(yōu)質(zhì)課程；2015年，結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程獲得學(xué)校研究生精品課程。多年來，筆者在學(xué)校教學(xué)質(zhì)量評價(jià)中獲得優(yōu)秀，2015年被評為學(xué)校研究生的良師益友。

四、結(jié)語

文章以結(jié)構(gòu)動力學(xué)教學(xué)改革與輔助教學(xué)實(shí)踐研究為主線，以結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程輔助教學(xué)軟件的研發(fā)與運(yùn)用為載體，探討在現(xiàn)代教學(xué)環(huán)境下，如何進(jìn)行輔助教學(xué)軟件的功能設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)，并有效地實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)作用。文章強(qiáng)調(diào)發(fā)揮教師主體作用和輔助軟件教學(xué)效果，從而深化教學(xué)內(nèi)容講授。

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[7] 侯祥林，鄭夕健，費(fèi)燁，結(jié)構(gòu)力學(xué)多媒體輔助教學(xué)軟件研發(fā)與輔助教學(xué)應(yīng)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(jié)構(gòu)動力學(xué)多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)，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）