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成果主要内容
本着纸质版教材“定框架、定内容、数字资源补短板、强效果”的原则,新形态“工程力学”教材就是在这样的背景和需求下立项并建设完成的。“工程力学”纸质版主教材包括静力学分册和材料力学分册,由北京科技大学和东北大学两校联合编写,已经发行40余年,被全国100余所大中专院校所采用。新形态“工程力学”教材在此基础上主要完成如下工作:
1) 配合“工程力学”主教材,完成相应的动画库建设。基于动画制作商用软件Flash Builder和Adobe Flash,结合主教材以及配套教辅材料的内容需要,制作80余幅动画,涉及概念和方法的讲解,以及例题和习题的动画演示。譬如;可在轨道上运行的大型吊车由于配重设计不当引起的侧翻演示;矿山破碎机的破碎过程演示;复杂连杆机构的运动演示;气缸内活塞运动演示;螺栓脱帽和剪穿演示;梁的对称与非对称弯曲变形演示;轧辊的变形演示;拉-弯-扭组合变形演示等。通过建设与主教材配套的动画库,并通过二维码嵌入纸质版教材,实现抽象的概念和复杂的变形和运动可视化。通过这些动画的演示提高学生对复杂问题的理解,极大提高学生的学习效率。
2) 配套视频库的建设,还原真实工程实际场景,促进理论联系实际。在网络上收集与教学相关的视频,进行简单处理以便于课堂教学使用。这些视频既可以嵌入教学PPT课件,也可以置于高教出版社数字资源平台供学生网络访问。譬如,在风载荷下桥面起伏和翘曲变形,以及桥梁坍塌视频;建筑工地脚手架坍塌视频;港珠澳大桥工程技术视频;雅康高速公路桥梁与隧道视频,高层建筑风阻尼器视频;石油工程的水力压裂技术视频,大型塔吊吊装失稳视频等。通过这些视频强化学生对结构强度、刚度以及稳定性设计重要性的认识、加深对结构破坏的宏微观力学机理的认识。强化“工程力学”课程学习重要性以及结构安全设计的科学性认识。
3) 与主教材配套的有声PPT课件库建设,给学生提供重复学习的数字资源。PPT课件是对纸质版教材的加工和提炼,是教师讲课的依据。但传统PPT由于缺少声音,无法还原教师课堂讲课的真实场景。有声PPT可以弥补传统PPT的不足。有声PPT课件不仅可以满足由于各种原因缺课的学生课堂学习的补课需求,也可以为课堂学习存在疑问的学生进行重复学习提供可能。这些有声PPT课件,部分通过二维码嵌入主教材以及教辅教材,大部分置于高教出版社数字资源平台,可供学生下载和在线观看。
4) 与主教材配套的“工程力学”慕课建设。慕课作为一种典型的在线课程,能够突破地域和时域的限制。一方面,慕课打破了空间限制,让不同地区的学生都能公平地享受到优质的线上课程;另一方面,慕课破除了时间制约,让广大学生得以更加自由、自主地安排学习时间。慕课以短视频为主,为适应慕课学习的特点,我们将课程的重点和难点分解成不同的知识点,每个知识点制作成5-10分钟的短视频以适应学生的学习习惯、提高学习效率。针对“静力学”和“材料力学”两个分册,归纳出80多个知识点,制作80多个短视频,并于中国大学慕课网上线。“工程力学”在线慕课,不仅为本校在校学生学习该课程服务,同时,面向社会各行业学习工程力学课程的学习者开放,目前已经开课8期。
5) 与主教材配套的教辅教材建设,出版“工程力学学习指导与习题全解”。教辅教材在教学过程中作用也是不可忽视的,它是在主教材之外的指导、梳理、归纳、强化学习重点和对难点进一步拆解和分析以及拓展主教材教学内容的重要辅导资料。教辅教材与主教材相辅相成,互为补充,对于加深难点和重点知识的理解、准确掌握解题方法和技巧、提高分析和解决问题能力是至关重要的。配合主教材建设了相应的教辅教材“工程力学学习指导和习题全解”,同样分成“静力学”分册和“材料力学”分册,与主教材完全对应。同样将动画、视频、有声PPT通过二维码嵌入纸质版教材。融入多媒体的教辅教材对于学习能力稍弱的学生可以帮助他们更好地理解主教材的难点和重点,而对于学习能力较强的学生,教辅教材中的综合性思考题和习题,以及部分拓展内容可以满足他们对所学课程内容的更高和更深的需求。
6) 将课堂教学内容与工程实际有机融合,引导计算机应用技能的培养。“工程力学”研究杆、梁、轴等基本构件的变形和破坏规律。但工程力学仅能进行各种简化下的近似计算和初步设计。复杂截面的变形和破坏,譬如非园截面的扭转,工字型截面梁的非对称弯曲,连接件周围变形和应力的真实分布,圆孔及裂纹周围的应力集中等,工程力学的知识就难以解决。而利用有限元商业软件,譬如ANSYS和ABAQUS,就可以获得准确的变形和应力分布。而具有自主知识产权的国产计算机辅助工程软件Simdroid(北京云道智造科技有限公司开发),不仅可以进行有限元仿真计算,还可以生成特定结构和设计的APP软件。将课程教学内容与计算机应用相结合,通过商业有限元软件获得变形和应力分布云图以及变形动图,不仅加深构件在载荷作用下变形和破坏的理解,同时极大增强计算机应用的能力。目前在我们的课堂教学实践中,发现学生对利用商业软件解决复杂工程力学问题具有浓厚兴趣,累计有300多学生参与并提交“工程力学”的计算机应用APP作品。
通过利用多媒体技术与互联网技术,建立与“工程力学”主教材以及教辅教材配套的动画库、视频库、有声PPT课件以及在线开放学习的“工程力学”慕课。在保留纸质版教材的优点前提下,克服了纸质版教材的不足之处,形成全方位融合多媒体和互联网技术的新形态教材。这些数字资源集成在高等教育出版社的数字资源平台,方便学习者及时访问的观看,部分数字资源利用二维码技术嵌入纸质版教材,方便学生随时用手机扫码观看。新形态“工程力学”教材,充分考虑新时代学生的学习习惯,对于激发学生主动学习的热情和提高学习的效率和质量起到积极的作用。
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