祥林　鄭夕健　費燁

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)中的運用等。具體介紹了輔助教學(xué)內(nèi)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(shè)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(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：G642.0；TU311 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：

10052909（2015）04013908

結(jié)構(gòu)力學(xué)是建筑類高校機械專業(yè)的核心課程和特色課程，其內(nèi)容涉及起重機、混凝土泵車等高聳大型建筑機械的力學(xué)問題分析。隨著現(xiàn)代大型機械的工程應(yīng)用，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的重要性不斷提升。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)理念的不斷更新，計算機的課堂應(yīng)用成為教學(xué)改革的重點。在教學(xué)實踐中，人們逐漸認識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，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)極大地促進了教學(xué)。2012年，筆者申請獲批遼寧省高等教育本科教學(xué)改革研究項目“機械類結(jié)構(gòu)力學(xué)課程體系和內(nèi)容的改革與實踐研究”。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)與測試系統(tǒng)，完成了輔助教學(xué)、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(shè)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(xué)應(yīng)用兩個方面談?wù)勼w會。

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)、考核測試、交互計算、動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)、計算機輔助計算、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、動畫欣賞、結(jié)構(gòu)圖片和力學(xué)巨匠等14個功能模塊組成。在界面設(shè)計上有菜單和按鈕直接導(dǎo)航，每個子模塊中具有使用說明。

（一） 軟件首頁面

（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、軟件輔助計算等4個模塊。

1.電子教案模塊

由Powerpoint設(shè)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(jié)構(gòu)位移計算、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，每頁由按鈕引導(dǎo)，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(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)實拍等具體內(nèi)容。本模塊旨在強化學(xué)生對教學(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程，指導(dǎo)平時作業(yè)如何按步驟與要求分析求解，以強化作業(yè)環(huán)節(jié)。圖4 （a）、（b）分別為桁架和剛架內(nèi)力計算的兩個實例圖。

圖4 習(xí)題解答模塊

4軟件輔助計算模塊

本模塊針對結(jié)構(gòu)力學(xué)中矩陣位移法基本原理的實際問題進行分析，以實際教學(xué)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(xí)、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(chǎn)生題目，交互選擇正確答案，加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)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(xí)模塊

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

圖7 填空練習(xí)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(chǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)約束力計算、靜定梁內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形、超靜定梁內(nèi)力等4個模塊。

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)約束力計算的交互分析求解，通過交互形式輸入構(gòu)件、約束、載荷，軟件將計算輸出結(jié)構(gòu)的約束力結(jié)果。此方法可檢驗學(xué)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(jié)構(gòu)約束力模塊實例求解畫面

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。程序給出兩個步驟：第一步是直接給出約束力計算；第二步是根據(jù)計算結(jié)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(xué)生對內(nèi)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(nèi)力模塊實例求解畫面

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(jié)構(gòu)變形模塊實例求解畫面

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。通過施加桿件、施加約束、施加載荷與繪制內(nèi)力圖等幾個步驟，完成連續(xù)梁內(nèi)力圖繪制。圖12（b）、（c）、（d）、（e）為圖12（a）實例的求解過程。

圖12 超靜定結(jié)構(gòu)梁內(nèi)力實例求解畫面

（五）動畫與圖片

包含動畫欣賞、結(jié)構(gòu)圖片和力學(xué)巨匠等3個模塊。

1動畫欣賞模塊

提供觀看動畫文件環(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(nèi)容說明框描述所演示動畫的目的。該模塊主要強化學(xué)生對結(jié)構(gòu)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(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，用于加強學(xué)生對實際工程機械結(jié)構(gòu)的了解和掌握。圖14為結(jié)構(gòu)圖片的實例畫面。

圖14 結(jié)構(gòu)圖片實例圖

3力學(xué)巨匠

該模塊給出牛頓、達朗貝爾、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，旨在激發(fā)學(xué)生對力學(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） 針對教師

經(jīng)過多年的理論力學(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)實踐，筆者認為力學(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不到教學(xué)效果與目的。對邏輯性強的課程，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)容直接搬上計算機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。教師需要通過合理教學(xué)手段，真正將科學(xué)知識傳授給渴望獲得知識的學(xué)生，并培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)與能力。同時必須明確的是，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)代教育與計算機教學(xué)也不能對等。教師通過認真?zhèn)湔n，以板書為主，以計算機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，筆者體會到，若講授一個定理，通?？墒紫纫牍こ虒嵗?，采用多媒體展示相關(guān)實例及動畫或視頻；對定理內(nèi)容的描述也可以采用多媒體，使其內(nèi)容保留在屏幕上；而針對定理的證明與推導(dǎo)過程，則應(yīng)該使用板書來完成，這樣的講授才能加深學(xué)生對定理內(nèi)容的認識和理解；當(dāng)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(gòu)成靜定體系；列力法方程；圖乘法計算方程系數(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)合計算機的教學(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(jié)，減緩講授速度；重視類似黑板教學(xué)中的暫留性問題，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題等。

建立軟件輔助計算思想。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，可以運用輔助軟件系統(tǒng)的考核與測試內(nèi)容，強調(diào)概念性內(nèi)容，強化對客觀題目的了解。

結(jié)合考試改革，針對重點和難點內(nèi)容加以測試；增加力法大作業(yè)分析求解，完成手算與軟件輔助計算結(jié)果的對比，以強化重要知識點的學(xué)習(xí)。

（二）針對學(xué)生

對學(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)知識的思想。輔助教學(xué)軟件可作為教學(xué)參考資料，通過測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程中，也將對程序分析求解的方法和原理產(chǎn)生興趣，由此，引導(dǎo)學(xué)生探討工程問題計算機應(yīng)用的程序設(shè)計的求解原理與程序?qū)崿F(xiàn)原理，這對目前計算機在機械工程中的應(yīng)用與解決實際問題具有一定的意義。

引導(dǎo)學(xué)生在課前課后的業(yè)余時間使用輔助軟件學(xué)習(xí)。學(xué)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(jié)構(gòu)力學(xué)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(jié)構(gòu)變形、屈曲等內(nèi)容，可以通過軟件的動畫與圖片模塊，加深對結(jié)構(gòu)的認識，以及對強度、剛度和穩(wěn)定性概念的理解。

三、教學(xué)效果

對機械類結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)體系內(nèi)容的改革與實踐研究，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(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)。通過多媒體輔助教學(xué)軟件的課內(nèi)外應(yīng)用，強化對基本概念的認識，通過大作業(yè)考核促進學(xué)生對重點內(nèi)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(xué)實踐中，收到預(yù)期的良好教學(xué)效果，提升了學(xué)生運用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識學(xué)習(xí)后續(xù)課程和畢業(yè)設(shè)計的能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。近年來，盡管結(jié)構(gòu)力學(xué)課程考試題目難度大，而2009級、2010級和2011級機械專業(yè)總評成績均較高，平均成績?yōu)?6.9分，優(yōu)秀率為15.7%，及格率為97.3% ，機械設(shè)計方向?qū)W生總排名處于機械專業(yè)的領(lǐng)先地位。筆者在學(xué)校教學(xué)質(zhì)量評價中也多次被評價為A，獲得了學(xué)校教學(xué)名師稱號，多次被評為畢業(yè)設(shè)計優(yōu)秀指導(dǎo)教師。

四、 結(jié)語

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)，是新時代教師面臨的新課題。作為一名專業(yè)教師，應(yīng)不斷充實專業(yè)知識，學(xué)習(xí)最新多媒體技術(shù)，掌握現(xiàn)代教學(xué)手段，學(xué)會輔助教學(xué)軟件的設(shè)計和應(yīng)用，達到能夠熟練運用軟件實現(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，不斷提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。參考文獻：

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