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摘要：基于人机交互平台，利用计算机友好界面技术，将学生对《桥梁工程》课程中力学概念与教学难点的理解可视化，对一项纯脑力活动进行视觉辅助。并且采用参数化输入技术，使学生能够主导对力学概念疑惑部分的主动验证，即可利用计算机模拟技术对抽象的桥梁工程力学概念或特有力学现象进行多次不同角度的重现。文章从人机交互平台基本功能、人机交互平台建立与应用方法以及基于人机交互平台的课堂教学设计方法三个角度对该课堂教学方法进行阐述，证明了该方法的可行性与可操作性，该方法可帮助学生深刻理解《桥梁工程》这门课中的教学难点与重点。
关键词：人机交互平台；可视化；教学难点；桥梁工程；课堂教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）50-0147-02
由于桥梁结构的复杂性与特殊性，其分析方法与一般结构存在显著不同，其中的力学现象在现实工程中无法直观展示；同时结构尺寸巨大，也难以利用实验室试验进行重现。如何使学生接受并深刻理解相关力学概念，顺利运用这些概念与实际工程对接，是整个《桥梁工程》讲授过程中最大的教学难点[1]。
本文基于人机交互平台，利用计算机友好界面技术，将学生对《桥梁工程》课程中力学概念的理解可视化，对一项纯脑力活动进行视觉辅助，并且采用参数化输入技术，使学生能够主导对力学概念疑惑部分的主动验证，即可从不同角度利用计算机模拟技术对抽象的桥梁工程力学概念或特有的力学现象进行多次不同角度的建模重现，从而帮助学生深刻理解《桥梁工程》这门课中的教学难点与重点。
一、人机交互平台基本功能
本文以东南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）》授课讲义与课件为基础，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握的桥梁结构特有的力学概念与力学现象以数值仿真模型的方式体现，并利用APDL（ANSYS Parametric Design Language，即ANSYS参数化设计语言）技术以及Visual Basic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到以下效果：（1）学生可自主改变结构设计参数以动态图形的形式在课堂上迅速描述这些桥梁结构力学概念的特点，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出发，自己设计验证工况进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进行动态演示）；（3）通过对该人机交互平台的后处理输出进行设置，按学生意愿自主输出不同的力学特征，以帮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。最终达到在课堂或校园中即可对所学知识做到理论上推导，逻辑上理解，实践中认识的目的与效果。
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合适的教学模型，合理的教学模型更能发挥该平台的交互作用。进而对教学模型进行参数化设计、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进行验证的教学难点，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：对该梁体数值模型进行参数化设计。例如对梁几何形状的参数描述，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；对预应力筋几何形状的参数描述，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，为方便学生在课堂上进行参数输入，以按课堂正在讲授的问题迅速自主地建立验证模型，需要另外进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Visual Basic程序进行编制。
步骤四：对数值模型进行计算，将计算模块与通过输入界面所确定的数值模型进行连接。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，并自动作为其结构信息输入，从而进行自动建模以及结构计算，并保存计算结果至指定目录。以教学难点“预应力吻合束的力学特征与计算方法”为例，将采用梁单元进行连续梁体的建模与计算，而预应力采用杆单元进行模拟，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建设。显然在使用该人机交互平台时，相应数值计算软件应该事先安装准备就绪。
步骤五：对数值模型计算结果进行后处理。按学生在该人机交互平台输入界面填入的参数输入数值，分别进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进行提取，并进行重新组合或者排序，为可视化输出结果做数据准备。
步骤六：对处理好的计算结果进行可视化输出。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对比形式。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结构次内力的结论，而对于其他非吻合束布置形式则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，即使接受了公式推导过程以及结果，也容易对这一力学现象表示质疑，难以将理论推导与实际情况建立较好的联系。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，进行数值计算，输出弯矩内力图，通过对比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知识的理解。
建立用于《桥梁工程》课堂教学的人机交互平台的总体原则，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，从而从视觉角度帮助学生自主地对教学难点进行主动理解与验证。
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件，逐步完成学生对教学难点（知识点）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顺序，列出各种教学事件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项目，呈现提醒，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，利用提前准备的数值模型，并结合现场工程图片，提出问题、发现问题，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能力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进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使学生产生刺激，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.提供反馈、建立强化。对比不同学生利用人机交互平台所进行的验证模型设计，通过分析强化学生对所学教学难点的掌握程度。
也就是说，在既定教学事件发展过程中，利用人机交互平台这一教学工具，应当采用的教学策略是，通过任务驱动，提出问题，让学生在实践中学习、学习中实践，并经历理论—质疑—建模—验证—发散—反馈与强化的运行过程，最终利用该人机交互平台提高《桥梁工程》的课堂教学效果，帮助学生深刻理解《桥梁工程》这门课中的教学难点与重点。
参考文献：
[1]李宏亮，韩广才，周跃发.提升理论力学课程教学质量的举措[J].教育教学论坛，2015，（8）：175-176.
[2]王明芳.基于元认知策略的《Java程序设计》课堂教学研究[J].教育理论与实践，2015，35（6）：52-53.
关键词：人机交互平台；可视化；教学难点；桥梁工程；课堂教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）50-0147-02
由于桥梁结构的复杂性与特殊性，其分析方法与一般结构存在显著不同，其中的力学现象在现实工程中无法直观展示；同时结构尺寸巨大，也难以利用实验室试验进行重现。如何使学生接受并深刻理解相关力学概念，顺利运用这些概念与实际工程对接，是整个《桥梁工程》讲授过程中最大的教学难点[1]。
本文基于人机交互平台，利用计算机友好界面技术，将学生对《桥梁工程》课程中力学概念的理解可视化，对一项纯脑力活动进行视觉辅助，并且采用参数化输入技术，使学生能够主导对力学概念疑惑部分的主动验证，即可从不同角度利用计算机模拟技术对抽象的桥梁工程力学概念或特有的力学现象进行多次不同角度的建模重现，从而帮助学生深刻理解《桥梁工程》这门课中的教学难点与重点。
一、人机交互平台基本功能
本文以东南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）》授课讲义与课件为基础，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握的桥梁结构特有的力学概念与力学现象以数值仿真模型的方式体现，并利用APDL（ANSYS Parametric Design Language，即ANSYS参数化设计语言）技术以及Visual Basic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到以下效果：（1）学生可自主改变结构设计参数以动态图形的形式在课堂上迅速描述这些桥梁结构力学概念的特点，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出发，自己设计验证工况进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进行动态演示）；（3）通过对该人机交互平台的后处理输出进行设置，按学生意愿自主输出不同的力学特征，以帮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。最终达到在课堂或校园中即可对所学知识做到理论上推导，逻辑上理解，实践中认识的目的与效果。
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合适的教学模型，合理的教学模型更能发挥该平台的交互作用。进而对教学模型进行参数化设计、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进行验证的教学难点，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：对该梁体数值模型进行参数化设计。例如对梁几何形状的参数描述，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；对预应力筋几何形状的参数描述，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，为方便学生在课堂上进行参数输入，以按课堂正在讲授的问题迅速自主地建立验证模型，需要另外进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Visual Basic程序进行编制。
步骤四：对数值模型进行计算，将计算模块与通过输入界面所确定的数值模型进行连接。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，并自动作为其结构信息输入，从而进行自动建模以及结构计算，并保存计算结果至指定目录。以教学难点“预应力吻合束的力学特征与计算方法”为例，将采用梁单元进行连续梁体的建模与计算，而预应力采用杆单元进行模拟，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建设。显然在使用该人机交互平台时，相应数值计算软件应该事先安装准备就绪。
步骤五：对数值模型计算结果进行后处理。按学生在该人机交互平台输入界面填入的参数输入数值，分别进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进行提取，并进行重新组合或者排序，为可视化输出结果做数据准备。
步骤六：对处理好的计算结果进行可视化输出。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对比形式。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结构次内力的结论，而对于其他非吻合束布置形式则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，即使接受了公式推导过程以及结果，也容易对这一力学现象表示质疑，难以将理论推导与实际情况建立较好的联系。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，进行数值计算，输出弯矩内力图，通过对比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知识的理解。
建立用于《桥梁工程》课堂教学的人机交互平台的总体原则，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，从而从视觉角度帮助学生自主地对教学难点进行主动理解与验证。
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件，逐步完成学生对教学难点（知识点）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顺序，列出各种教学事件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项目，呈现提醒，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，利用提前准备的数值模型，并结合现场工程图片，提出问题、发现问题，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能力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进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使学生产生刺激，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.提供反馈、建立强化。对比不同学生利用人机交互平台所进行的验证模型设计，通过分析强化学生对所学教学难点的掌握程度。
也就是说，在既定教学事件发展过程中，利用人机交互平台这一教学工具，应当采用的教学策略是，通过任务驱动，提出问题，让学生在实践中学习、学习中实践，并经历理论—质疑—建模—验证—发散—反馈与强化的运行过程，最终利用该人机交互平台提高《桥梁工程》的课堂教学效果，帮助学生深刻理解《桥梁工程》这门课中的教学难点与重点。
参考文献：
[1]李宏亮，韩广才，周跃发.提升理论力学课程教学质量的举措[J].教育教学论坛，2015，（8）：175-176.
[2]王明芳.基于元认知策略的《Java程序设计》课堂教学研究[J].教育理论与实践，2015，35（6）：52-53.