基于人机交互平台的《桥梁工程》课堂教学方法

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大学道路桥梁与渡河工程专业的本科生为对象，以自主编写的《桥梁工程》以及《大跨径桥梁（桥梁工程II）》授课讲义与课件为根基，利用大型通用有限元软件ANSYS的二次开发功能将课程中难以理解与掌管的桥梁布局特有的力学概念与力学现象以数值仿真模型的方式表达，并利用APDL（ANSYSParametricDesignLanguage，即ANSYS参数化设计语言）技术以及VisualBasic程序建立人机交互平台。

利用该人机交互平台可实现以下功能或达成以下效果：（1）学生可自主变更布局设计参数以动态图形的形式在课堂上急速描述这些桥梁布局力学概念的特点，可让学生自主性地验证书本中理论推导所得出的结论或现象；（2）通过课堂教学提出问题，让学生借助人机交互平台从各自对问题的不同疑点启程，自己设计验证工况举行多种工况的参数输入，来多角度重现这些抽象概念（或者老师在课堂上当场利用交互平台举行动态演示）；（3）通过对该人机交互平台的后处理输出举行设置，按学生意愿自主输出不同的力学特征，以扶助学生深刻直观的理解桥梁工程中特有的力学概念与现象。最终达成在课堂或校园中即可对所学学识做到理论上推导，规律上理解，实践中熟悉的目的与效果。

二、人机交互平台建立与应用方法

建立该人机交互平台首先需要选择适合的教学模型，合理的教学模型更能发挥该平台的交互作用。进而对教学模型举行参数化设计、计算模块调用、后处理以及结果可视化呈现等步骤以完成该人机交互平台的完整搭建。这里基于《桥梁工程》这门课程，以其中连续梁桥章节的教学难点之一“预应力吻合束的力学特征与计算方法”为例，完整地说明如何建立并在课堂上应用该人机交互平台。

步骤一：对该平台教学模型的选择。一般选择易于采用数值模型形式举行验证的教学难点，模型一般具备几何参数独立，建模易程序化，力学现象明确，验证对象可可视化的特点。

步骤二：对该梁体数值模型举行参数化设计。例如对梁几何外形的参数描述，包括梁长、梁高、截面面积、截面惯性矩等；对边界条件的参数描述，包括支点个数、支点位置；对预应力筋几何外形的参数描述，包括预应力筋线型在各个支点处相对位置以及各支点间预应力筋的线型。

步骤三：该梁体模型参数化完毕后，为便当学生在课堂上举行参数输入，以按课堂正在讲授的问题急速自主地建立验证模型，需要另外举行参数输入的界面设计。该输入界面一般以多组参数名称以及相应的可输入参数取值组成，同时包括一些参数输入的存储以及保存路径设置功能，见图1。本例中，输入界面利用VisualBasic程序举行编制。

步骤四：对数值模型举行计算，将计算模块与通过输入界面所确定的数值模型举行连接。本例中，通过在界面上做一个计算链接，通过该链接将所输入参数信息导入ANSYS有限元计算软件，并自动作为其布局信息输入，从而举行自动建模以及布局计算，并保存计算结果至指定目次。以教学难点“预应力吻合束的力学特征与计算方法”为例，将采用梁单元举行连续梁体的建模与计算，而预应力采用杆单元举行模拟，并采用温度升降技术模拟其对连续梁体的预加应力效应。最终，利用ANSYS有限元软件建立三跨预应力混凝土连续梁有限元数值模型，完成该力学概念与现象的载体创办。鲜明在使用该人机交互平台时，相应数值计算软件理应事先安装打定就绪。

步骤五：对数值模型计算结果举行后处理。按学生在该人机交互平台输入界面填入的参数输入数值，分别举行相应的计算结果后处理，包括为验证某一力学概念或特殊现象对计算结果举行提取，并举行重新组合或者排序，为可视化输出结果做数据打定。

步骤六：对处理好的计算结果举行可视化输出。输出形式可以是表格或者图形，图形中既可以包括单一计算结果也可以是多组计算结果之间的比较形式。例如在讲授预应力吻合束的力学特征与计算方法这一教学难点时，常规做法是通过计算公式的推导，得出采用吻合束预应力布置形式可以不产生超静定连续梁布局次内力的结论，而对于其他非吻合束布置形式那么会产生较为明显的次内力。由于该公式推导烦琐，学生理解起来困难，即使采纳了公式推导过程以及结果，也轻易对这一力学现象表示质疑，难以将理论推导与实际处境建立较好的联系。而采用人机交互平台，可分别建立多组吻合束、非吻合束预应力布置形式的连续梁模型，举行数值计算，输出弯矩内力图，通过比较可以很直观明确地看出吻合束布置形式对次内力的影响，让学生既对理论推导过程“心服口服”，又对其理论推导所对应的力学现象深刻理解与记忆。

步骤七：学生根据可视化的结果输出，判断对教学难点的理解程度，根据需要可以重复建模，从视觉上不断加深对所学学识的理解。

建立用于《桥梁工程》课堂教学的人机交互平台的总体原那么，即采用可参数化的模型输入、输出方法，对计算结果可视化、直观化，从而从视觉角度扶助学生自主地对教学难点举行主动理解与验证。

三、基于人机交互平台的课堂教学设计

优秀的课堂教学设计旨在使学生通过教学的每一个特定事情，逐步完成学生对教学难点（学识点）的获取与学习[2]，结合《桥梁工程》课程的特点，按其教学特点与教学依次，列出各种教学事情并分析期间人机交互平台介入时机与作用。

1.预设条件、提出问题。通过多媒体课件中的图像或言语，或依托实际桥梁工程中要完成的工程，呈现指点，以引起学生的神经冲动。

2.描述现象、告知目标、激发动机。通过运行人机交互平台，利用提前打定的数值模型，并结合现场工程图片，提出问题、察觉问题，引出教学难点与学习要素，使学生产生求知欲望。

3.理论分析，产生质疑、引导验证。首次明确提出教学难点，并通过理论公式推导，给出证明；利用学生的抽象分析才能在头脑中建立教学难点模型，引导学生将理论分析与实际运用结合，从而激发学生对理论分析进一步实际应用与验证的需求。

4.主导建模、视觉呈现、产生刺激。针对理论分析中产生的疑问，自主设计验证模型，利用人机交互平台对模型举行计算以及数据处理，以呈现有视觉冲击的可视化计算结果，利用直观化的结果输出访学生产生刺激，强化理解，对教学难点的学习从理论到实际相结合。

5.发散思维、引出作业。进一步提出问题，要求学生将该教学难点应用于其他工程实例，并借助人机交互平台重新设计模型以及验证对象，发散学生思维。

6.供给反应、建立强化。比较不同学生利用人机交互平台所举行的验证模型设计，通过分析强化学生对所学教学难点的掌管程度。

也就是说，在既定教学事情进展过程中