本文格式為Word版，下載可任意編輯——基于人機交互平臺的《橋梁工程》課堂教學方法

大學道路橋梁與渡河工程專業(yè)的本科生為對象，以自主編寫的《橋梁工程》以及《大跨徑橋梁（橋梁工程II）》授課講義與課件為根基，利用大型通用有限元軟件ANSYS的二次開發(fā)功能將課程中難以理解與掌管的橋梁布局特有的力學概念與力學現(xiàn)象以數(shù)值仿真模型的方式表達，并利用APDL（ANSYSParametricDesignLanguage，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言）技術(shù)以及VisualBasic程序建立人機交互平臺。

利用該人機交互平臺可實現(xiàn)以下功能或達成以下效果：（1）學生可自主變更布局設(shè)計參數(shù)以動態(tài)圖形的形式在課堂上急速描述這些橋梁布局力學概念的特點，可讓學生自主性地驗證書本中理論推導所得出的結(jié)論或現(xiàn)象；（2）通過課堂教學提出問題，讓學生借助人機交互平臺從各自對問題的不同疑點啟程，自己設(shè)計驗證工況舉行多種工況的參數(shù)輸入，來多角度重現(xiàn)這些抽象概念（或者老師在課堂上當場利用交互平臺舉行動態(tài)演示）；（3）通過對該人機交互平臺的后處理輸出舉行設(shè)置，按學生意愿自主輸出不同的力學特征，以扶助學生深刻直觀的理解橋梁工程中特有的力學概念與現(xiàn)象。最終達成在課堂或校園中即可對所學學識做到理論上推導，規(guī)律上理解，實踐中熟悉的目的與效果。

二、人機交互平臺建立與應用方法

建立該人機交互平臺首先需要選擇適合的教學模型，合理的教學模型更能發(fā)揮該平臺的交互作用。進而對教學模型舉行參數(shù)化設(shè)計、計算模塊調(diào)用、后處理以及結(jié)果可視化呈現(xiàn)等步驟以完成該人機交互平臺的完整搭建。這里基于《橋梁工程》這門課程，以其中連續(xù)梁橋章節(jié)的教學難點之一“預應力吻合束的力學特征與計算方法”為例，完整地說明如何建立并在課堂上應用該人機交互平臺。

步驟一：對該平臺教學模型的選擇。一般選擇易于采用數(shù)值模型形式舉行驗證的教學難點，模型一般具備幾何參數(shù)獨立，建模易程序化，力學現(xiàn)象明確，驗證對象可可視化的特點。

步驟二：對該梁體數(shù)值模型舉行參數(shù)化設(shè)計。例如對梁幾何外形的參數(shù)描述，包括梁長、梁高、截面面積、截面慣性矩等；對邊界條件的參數(shù)描述，包括支點個數(shù)、支點位置；對預應力筋幾何外形的參數(shù)描述，包括預應力筋線型在各個支點處相對位置以及各支點間預應力筋的線型。

步驟三：該梁體模型參數(shù)化完畢后，為便當學生在課堂上舉行參數(shù)輸入，以按課堂正在講授的問題急速自主地建立驗證模型，需要另外舉行參數(shù)輸入的界面設(shè)計。該輸入界面一般以多組參數(shù)名稱以及相應的可輸入?yún)?shù)取值組成，同時包括一些參數(shù)輸入的存儲以及保存路徑設(shè)置功能，見圖1。本例中，輸入界面利用VisualBasic程序舉行編制。

步驟四：對數(shù)值模型舉行計算，將計算模塊與通過輸入界面所確定的數(shù)值模型舉行連接。本例中，通過在界面上做一個計算鏈接，通過該鏈接將所輸入?yún)?shù)信息導入ANSYS有限元計算軟件，并自動作為其布局信息輸入，從而舉行自動建模以及布局計算，并保存計算結(jié)果至指定目次。以教學難點“預應力吻合束的力學特征與計算方法”為例，將采用梁單元舉行連續(xù)梁體的建模與計算，而預應力采用桿單元舉行模擬，并采用溫度升降技術(shù)模擬其對連續(xù)梁體的預加應力效應。最終，利用ANSYS有限元軟件建立三跨預應力混凝土連續(xù)梁有限元數(shù)值模型，完成該力學概念與現(xiàn)象的載體創(chuàng)辦。鮮明在使用該人機交互平臺時，相應數(shù)值計算軟件理應事先安裝打定就緒。

步驟五：對數(shù)值模型計算結(jié)果舉行后處理。按學生在該人機交互平臺輸入界面填入的參數(shù)輸入數(shù)值，分別舉行相應的計算結(jié)果后處理，包括為驗證某一力學概念或特殊現(xiàn)象對計算結(jié)果舉行提取，并舉行重新組合或者排序，為可視化輸出結(jié)果做數(shù)據(jù)打定。

步驟六：對處理好的計算結(jié)果舉行可視化輸出。輸出形式可以是表格或者圖形，圖形中既可以包括單一計算結(jié)果也可以是多組計算結(jié)果之間的比較形式。例如在講授預應力吻合束的力學特征與計算方法這一教學難點時，常規(guī)做法是通過計算公式的推導，得出采用吻合束預應力布置形式可以不產(chǎn)生超靜定連續(xù)梁布局次內(nèi)力的結(jié)論，而對于其他非吻合束布置形式那么會產(chǎn)生較為明顯的次內(nèi)力。由于該公式推導煩瑣，學生理解起來困難，即使采納了公式推導過程以及結(jié)果，也輕易對這一力學現(xiàn)象表示質(zhì)疑，難以將理論推導與實際處境建立較好的聯(lián)系。而采用人機交互平臺，可分別建立多組吻合束、非吻合束預應力布置形式的連續(xù)梁模型，舉行數(shù)值計算，輸出彎矩內(nèi)力圖，通過比較可以很直觀明確地看出吻合束布置形式對次內(nèi)力的影響，讓學生既對理論推導過程“心服口服”，又對其理論推導所對應的力學現(xiàn)象深刻理解與記憶。

步驟七：學生根據(jù)可視化的結(jié)果輸出，判斷對教學難點的理解程度，根據(jù)需要可以重復建模，從視覺上不斷加深對所學學識的理解。

建立用于《橋梁工程》課堂教學的人機交互平臺的總體原那么，即采用可參數(shù)化的模型輸入、輸出方法，對計算結(jié)果可視化、直觀化，從而從視覺角度扶助學生自主地對教學難點舉行主動理解與驗證。

三、基于人機交互平臺的課堂教學設(shè)計

優(yōu)秀的課堂教學設(shè)計旨在使學生通過教學的每一個特定事情，逐步完成學生對教學難點（學識點）的獲取與學習[2]，結(jié)合《橋梁工程》課程的特點，按其教學特點與教學依次，列出各種教學事情并分析期間人機交互平臺介入時機與作用。

1.預設(shè)條件、提出問題。通過多媒體課件中的圖像或言語，或依托實際橋梁工程中要完成的工程，呈現(xiàn)指點，以引起學生的神經(jīng)沖動。

2.描述現(xiàn)象、告知目標、激發(fā)動機。通過運行人機交互平臺，利用提前打定的數(shù)值模型，并結(jié)合現(xiàn)場工程圖片，提出問題、察覺問題，引出教學難點與學習要素，使學生產(chǎn)生求知欲望。

3.理論分析，產(chǎn)生質(zhì)疑、引導驗證。首次明確提出教學難點，并通過理論公式推導，給出證明；利用學生的抽象分析才能在頭腦中建立教學難點模型，引導學生將理論分析與實際運用結(jié)合，從而激發(fā)學生對理論分析進一步實際應用與驗證的需求。

4.主導建模、視覺呈現(xiàn)、產(chǎn)生刺激。針對理論分析中產(chǎn)生的疑問，自主設(shè)計驗證模型，利用人機交互平臺對模型舉行計算以及數(shù)據(jù)處理，以呈現(xiàn)有視覺沖擊的可視化計算結(jié)果，利用直觀化的結(jié)果輸出訪學生產(chǎn)生刺激，強化理解，對教學難點的學習從理論到實際相結(jié)合。

5.發(fā)散思維、引出作業(yè)。進一步提出問題，要求學生將該教學難點應用于其他工程實例，并借助人機交互平臺重新設(shè)計模型以及驗證對象，發(fā)散學生思維。

6.供給反應、建立強化。比較不同學生利用人機交互平臺所舉行的驗證模型設(shè)計，通過分析強化學生對所學教學難點的掌管程度。

也就是說，在既定教學事情進展過程中