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CAI系统在土木工程专业结构力学课程教学中的应用
付伟庆安英皓唐立军
（黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150080）
摘要：CAI是指计算机辅助下进行的各种学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训继的方法与技术。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。本文将对CAI系统引入土本工程专业结构力学教学中，对提开学生学习课程效果的相关情况进行介绍。
关键词：CAI系统；土本工程专业；教学
结构力学作为土本工程专业本科重要的专业必修课程，内容抽象，存在大量分析求解难题。其中大量的计算简图及变形特征分析，学生普遍反映缺乏直观感难于理解，这就导致这门课程的不及格率常年在30%左右，即使在补考后也有大量学生没有通过。将CAI系统引人结构力学课程可以有效解决这一间题，本文将对这一研究系统进行介绍。
1传统结构力学授课方式的不足
土木工程专业结构力学课程中，主要是讲授杆系有限单元的变形和受力计算方法。杆系是结构分析的重要内容和有力工具，在工程中有着广泛的应用，是土木工程专业学生最早学习和需要掌握的数值计算方法。学生对这部分内容的掌握情况.会直接影响到他们今后的工作和发展
现有结构力学杆系有限元方法中，不论是输人原始数据，还是计算得到的分析结果，一般都是以数据的形式给出，其有雾项、难以辨识、数据意义与正确性不直观等特点。因此，学生在学习过程中，往往感到有限元法结媒乏味，提不起兴趣，基至产生畏难情绪，直接影响了对有限元方法的学习和掌握。根据学习中认识由感性向理性发展的心理规律观察直观形象得到感性经验有利于对抽象概念的理解和掌握；对图形的观察也能够激发学生的学习兴趣、降低学习难度、提高学习效果。在有限元法的教学中，图形显示是一种重要的教学手段
目前许多大型有限元软件的计算功能和图形功能都很强，但由于其系统和知识的复杂性，即使便专业的学者和工程师学习起来都有一定的围难；最贵的价格和版权限制也使得不能让学生人手一套进行自我学习和练习。因此将大型有限元软件作为面对初学者的教学软件是否合适值得进一步探讨。基于这个原因开发简单、精巧的适合于初学者的结构力学有限元教学软件仍然是有必要的
2CAI系统辅助教学技术的优势与特点
CAI(Computer Assisted Instruction)即计算机辅助教学，综合应用了多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术，克服了传统教学方式上单一、片面的缺点，目前已基本得到教育界的认可。它的使用能有效地确短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。计算机辅助教学可以根据学生观察的需要把事物化静为动、化虚为实、化繁为简，使难以观察到的事物清晰地呈现在学生面前，从而使学生可以细致、全面地进行观察，启发积极思考。计算机能提供生动形象的声像信息，可以不受时间，空间的限制，在教学中显示所要观察的自然事物
此外，CAI系统的教学应用还有助于培养学生的概括能力。括的过程是把个别事物的本质属性推及为回类事物本质属性的过程，也就是思维由个别通向一般的过程。概括是一切科学研究的出发点，是掌握规律的基础，任何科学研究的结论都来自于概括过程。从教学实践上说，学习和运用知识的过程是概括过程，利用表象可以概括出科学概念，并发展学生的概括、推理能力。计算机能提供自观生动、清断的表象，有利于引导学生根据表象概括出同类事物的共同特征
3CAI系统在结构力学课程教学中的应用
结构力学有限元分析软件通常采用FORTRAN语言写FORTRAN 语言有适合科学计算的特点，也有很多科学计算子程序供直接选用，但在开发系统软件方面其功能有明显的局限，如计算速度、动态内存分配能力，面向对象特征、作图能力及利用现今主流操作系统Windows资源方面远远比不上C/C++语言。特别是C/C++语言的动态内存分配能力能够提高有限元软件自动适应间题规模的能力，提高内存利用的有效性和科学性；面向对象特征可以极大地增强有限元软件的可移植性和可靠性正是由于上述原固,本项目计划用VisualC+6.0在Windows下开发了-
基金项目：黑龙江省高等教育教学改革工程项目(JG2013010081)
个平面杆系结构拍的有限元分析软件，以期通过形象直观的图形界面和方便的数据输人方式减轻学生学习的难度、提高学习兴趣达到增强学习效果的目的。
CAI系统采用MDI多文档图形界面在同一应用程序主框架内能够显示多个图形、文本文件实现在一个界面内可回时编辑愿始数据文件显示图形和查看计算结果方便了用户的使用。特别是在图形显示方面将原始结构图与有限元分析的受载后状态图、各种内力（轴力、剪力、弯矩图、影响线及加载图，结构主振型融于一体，为学生和用户提供了一个直观可视的结果,解决了阅读数据的桔燥乏味，能够提高学生学习的兴趣，帮助学生学习结构力学的知识。票统用于结构力学杆系有限元的教学过程，将有限元中抽象的数据用形象生动的图形表现出来增强学生对结构的感性认识，从而激发学生学习的兴趣和积极性培养学生结构分析的直觉和能力。
制作结构力学课程的整体多媒体课件，课件中包含有静力学、动力学、稳定学三大组成部分的内容。其中还把选修课有限元部分内容也加进来，作为学生选修自学内容。作为本多媒体课件的特色部分，将在课件中加进有限元CAI演示的内客。通过编制程序来演示结构构件在受弯受剪力作用下的变形和受力大小。用构建截面额色的深浅来表示受力的大小达到直观表现的目的。通过多媒体课件的制作和有限元CAI动画的演示，加深学生对结构力学力学概念的理解，提高同学学习该门课程兴趣，进而提高该门课程的考试通过率。改变目前平均50%考试通过率的现状
4应用CAI系统的课程教学情况
黑龙江大学建筑工程学院土本工程专业作为其学院的骨干专业，结构力学课程又为专业主干课程，一直得到学院的大力重视。作为工科力学课程整体的一部分，相对于其它两门课程材料力学和理论力学，结构力学课程授课方式和投课效采明显要弱些。其他两门课程都有了成熟的授课工其，且授课效果较好。有鉴于此，学院设计开发了结构力学CAI教学系统，已在多届学生得到应用。系统的应用极大提高了学生的听课效果和对讲授内容的理解程度，应用效果从课堂提间、课后作业、调查间卷、考试测验等途径得到及时的反馈。通过课程结束后的考核结果可以看出，借助 CAI系统教学的不及格率得到较大幅度降低，学生学习效果明显提升。应用该系统学习完本门课程后，对后面高年级的专业课程学习起到铺垫和打基础的目的。例如第三学年开设的结构设计原理课程设计的结构受力分析第四学年的桥梁工程课程设计、毕业设计中结构的受力分析票统的使用使学生在四年的学习期间内有3/4的时间不间断地接触计算机应用和结构分析，达到熟练地掌握应用计算机为工程实践服务的技能。这些都有助于在毕业设计中拓宽学生设计思路,提高其创新能力，达到提高教学质量的目的
参考文献
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作者简介：付伟庆(1976-),男,黑龙江大学建筑工程学院教师,主要从事结构设计研究。