CN112394849B - 一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法及***，应用于高等教育中《结构力学》、《工程力学》、《建筑力学》等力学课程教学领域，本发明将力法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，支持任意参数的力法题目，结合力法计算常规步骤，利用有限元分析方法，对力法计算所涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和提供交互操作；并利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力法计算相关作业的效率和练习效果。
Description
技术领域
本发明涉及智能教学技术领域，尤其涉及应用于高等教育中《结构力学》、《工程力学》、《建筑力学》等力学教学领域的一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法及***。
背景技术
力法计算是杆系结构分析中，超静定结构内力计算重要的基础分析方法，以多余约束力作为基本未知量，根据结构在多余约束力处位移条件，建立力法方程计算。力法还是工程分析中普遍使用位移法的计算基础。
力法是综合性的计算方法，作业过程综合了反力、内力计算，内力图形绘制，基本结构、基本体系选择，位移计算等过程。根据力法的基本概念，未知量选取可以因人而异，即便是在单未知量体系中，通常也有无限多组不同选择方式，自然也存在无限多组可能解答。因此，尽管力法计算步骤相对固定，但计算过程却并不唯一。
传统的纸上作业方式，图、文、公式、符号交错，无论是人工识别还是计算机识别，计算过程批阅难度大，难以实现自动批阅；而传统的人工批阅模式，师生交互效率低，周期长，无法将作业结果及时反馈至“教”“学”两端。
在线教学对作业过程的教学交互技术提出了更高的要求，但目前国内外其它教学辅助、结构分析软件，均没有完备的人机交互作业功能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法及***，将力法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力法题目，利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力法计算相关作业的效率和练习效果。
为实现上述目的，本发明公开的技术方案如下：
根据本发明的第一个方面，本发明公开了一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法，所述方法包括如下步骤：
基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；
获取用户在所述人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；
基于所述超静定次数数值n将所述人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；
接收用户对所述杆系结构分析题目对应的所述原结构做出的修正操作，并基于所述修正操作生成对应的力法分析的基本结构；
接收用户在所述人机交互界面上针对所述基本结构做出的n次施加与所述原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于所述n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；
将所述原结构承受的荷载作用在所述基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；
获取用户交互输入的第二绘图参数，基于所述原结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原结构的结果弯矩图；
记录用户在所述人机交互界面实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。
优选地，在步骤基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构之后，所述方法还包括：
对所述杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断所述原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则进行相应提示并退出该题目。
优选地，所述对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果包括：
根据预设的批阅模式按照操作过程中各操作步骤的正确性与否对所述操作过程进行批阅，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在所述人机交互界面上，其中，所述批阅结果至少包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分。
优选地，所述过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照杆系结构分析题目、基本结构、第1至n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。
优选地，所述修正操作包括：
以杆端变铰、解除支座、结点删除和链杆删除之一或任意组合的方式去除所述原结构中的n个多余约束。
根据本发明的第二个方面，本发明公开了一种杆系结构力法计算的人机交互作业***，所述***包括：
题目加载模块，用于基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；
数据获取模块，用于获取用户在所述人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；
窗口分割模块，用于基于所述超静定次数数值n将所述人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；
第一图形绘制模块，用于接收用户对所述杆系结构分析题目对应的所述原结构做出的修正操作，并基于所述修正操作生成对应的力法分析的基本结构；
第二图形绘制模块，用于接收用户在所述人机交互界面上针对所述基本结构做出的n次施加与所述原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于所述n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；
第三图形绘制模块，用于将所述原结构承受的荷载作用在所述基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；
第四图形绘制模块，用于获取用户交互输入的第二绘图参数，基于所述原结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原结构的结果弯矩图；
作业批阅模块，用于记录用户在所述人机交互界面实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。
优选地，所述***还包括：
题目预分析模块，用于在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构之后，对所述杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断所述原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则进行相应提示并退出该题目。
优选地，所述对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果包括：
根据预设的批阅模式按照操作过程中各操作步骤的正确性与否对所述操作过程进行批阅，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在所述人机交互界面上，其中，所述批阅结果至少包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分。
优选地，所述过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照杆系结构分析题目、基本结构、第1至n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。
优选地，所述修正操作包括：
以杆端变铰、解除支座、结点删除和链杆删除之一或任意组合的方式去除所述原结构中的n个多余约束。
由以上方案可知，本发明提供了一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法及***，所述方法包括基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；获取用户在所述人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；基于所述超静定次数数值n将所述人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；接收用户对所述杆系结构分析题目对应的所述原结构做出的修正操作，并基于所述修正操作生成对应的力法分析的基本结构；接收用户在所述人机交互界面上针对所述基本结构做出的n次施加与所述原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于所述n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；将所述原结构承受的荷载作用在所述基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；获取用户交互输入的第二绘图参数，基于所述原结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原结构的结果弯矩图；记录用户在所述人机交互界面实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。本发明将力法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力法题目，结合力法计算常规步骤，利用有限元分析方法进行过程性分析，对力法计算所涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和提供交互操作，并利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力法计算相关作业的效率和练习效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种优选实施方式中杆系结构力法计算的人机交互作业方法的流程示意图；
图2是本发明一种优选实施方式中杆系结构力法计算的人机交互作业***的结构示意图；
图3是本发明一个具体实例中人机交互界面示意图；
图4是本发明具体实例中基本结构绘制过程中的人机交互界面示意图；
图5是本发明具体实例中人机交互作业完成后的过程图形显示区的界面示意图；
图6是本发明具体实例中结果提交后的人机交互界面示意图；
图7是本发明具体实例中批阅结果示意图；
图8是本发明具体实例中利用第二种解题方法进行解题的结果提交后的过程图形显示区的界面示意图；
图9是本发明具体实例中利用第三种解题方法进行解题的结果提交后的过程图形显示区的界面示意图；
图10是本发明具体实例中用户计算过程出错的情况下结果提交后的过程图形显示区的界面示意图；
图11是本发明具体实施例中杆系结构力法计算的人机交互流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
根据本发明的第一个方面，本发明实施例提供了一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法，如图1所示，所述方法可以包括如下步骤：
S101，基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；
当进行杆系结构力法计算的人机交互作业时，首先需要在人机交互界面显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构，该原结构具体通过用户在人机交互界面的交互操作(例如从题库中选择)加载得到，加载得到的待解答的杆系结构分析题目对应的原结构显示在人机交互界面的过程图形显示区。题目具体可以是***的内嵌题目、教师端发布的题目或者学生用户通过自定义设定各项参数***生成的题目。
S102，获取用户在人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；
加载显示题目后，需要获取用户输入的超静定次数数值n，n的值为正整数，具体可以是用户在人机交互界面的相应输入窗***互选择相应的数值并提交***，用户输入的超静定次数数值n为用户自己判断得到的题目中的原结构对应的超静定次数，即原结构的基本未知量数量，也即原结构的多余约束力数量，***根据用户输入的超静定次数数值n控制后续的操作步骤。
S103，基于超静定次数数值n将人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；
获取到用户输入的超静定次数数值n后，***将人机交互界面中的显示原结构的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口。具体地，在过程图形显示区分割完成后，可以将原结构对应的待解答的杆系结构分析题目显示在其中一个图形显示窗口中，优选显示在第一个图形显示窗口中，其他的图形显示窗口为预留窗口，用于后续操作过程中显示对应的图形内容。
S104，接收用户对杆系结构分析题目对应的原结构做出的修正操作，并基于修正操作生成对应的力法分析的基本结构；
过程图形显示区分割完成后，用户可以在人机交互界面进行与原结构对应的力法分析的基本结构的交互绘制，***接收用户在人机交互界面对杆系结构分析题目对应的原结构做出的修正操作，并根据该修正操作生成对应的力法分析的基本结构，生成的基本结构的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中一个图形显示窗口中。具体地，上述修正操作可以是用户在人机交互界面上显示的对应的控件按键进行选择操作，以杆端变铰、解除支座、结点删除和链杆删除之一或任意组合的方式去除原结构中的n个多余约束；用户去除的原结构中的n个多余约束为用户判断的原结构中的多余约束。
S105，接收用户在人机交互界面上针对基本结构做出的n次施加与原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；
基本结构的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行各单位力状态的单位弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上显示的对应的控件按键进行选择操作，分别在基本结构上作用单位力，即为基本结构添加对所去除的多余约束对应的单位力，以形成单位力状态，并根据此状态，交互绘制单位弯矩图，重复上述步骤n次，绘制n个不同单位力状态的单位弯矩图，***接收用户在人机交互界面上针对基本结构做出的n次施加与原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，每次交互操作生成的单位弯矩图在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中预留的图形显示窗口中，n个单位弯矩图共占用n个图形显示窗口。
S106，将原结构承受的荷载作用在基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；
单位弯矩图的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行荷载弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上显示的对应的控件按键进行选择操作，***先将原结构承受的荷载作用在基本结构上生成原荷载作用状态图，然后用户在原荷载作用状态图上进行操作，输入第一绘图参数，该第一绘图参数可以是内力值或杆端拆分相关参数，***利用叠加原理根据获取到的第一绘图参数和原荷载作用状态图生成荷载弯矩图，生成的荷载弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中。
S107，获取用户交互输入的第二绘图参数，基于原结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原结构的结果弯矩图；
荷载弯矩图绘制完毕后，用户可以在人机交互界面进行原结构的结果弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上显示的对应的控件按键进行操作，输入第二绘图参数，***则利用叠加原理根据获取到的第二绘图参数和原结构绘制生成原结构的结果弯矩图，生成的结果弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中(即最后一个预留的图形显示窗口)。具体地，第二绘图参数为用户根据单位弯矩图和荷载弯矩图通过联立力法方程计算得到的原结构的力法方程的系数、自由项和未知量等参数，结果弯矩图即待解答的杆系结构分析题目对应的原结构的最终内力解答。
S108，记录用户在人机交互界面实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。
在上述操作步骤中，***实时记录用户在人机交互界面实施的操作过程，并根据预设的评判规则对操作过程进行批阅，在用户完成最后的结果内力图绘制或用户进行结果提交后，给出相应的批阅结果，从而完成整个人机交互作业过程并实现智能批阅。
综上所述可知，本实施例提供了一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法，包括基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；获取用户在人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；基于超静定次数数值n将人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；接收用户对杆系结构分析题目对应的原结构做出的修正操作，并基于修正操作生成对应的力法分析的基本结构；接收用户在人机交互界面上针对基本结构做出的n次施加与原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；将原结构承受的荷载作用在基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；获取用户交互输入的第二绘图参数，基于原结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原结构的结果弯矩图；记录用户在人机交互界面实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。本发明将力法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力法题目，结合力法计算常规步骤，利用有限元分析方法进行过程性分析，对力法计算所涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和提供交互操作，并利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力法计算相关作业的效率和练习效果。
在一个实施例中，在步骤S101之后，所述方法还可以包括：
对杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则进行相应提示并退出该题目。
根据用户选择题目的交互操作加载好待解答的杆系结构分析题目对应的原结构的图形之后，为了保证后续力法计算操作的顺利进行，可以先对杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则可以进行例如原结构不满足力法计算条件的相应提示并退出该题目。当然，如果题目对应的原结构满足力法计算的条件，则可以进行后续的计算和绘图操作。
在一个实施例中，步骤S108中，对操作过程进行批阅，给出批阅结果具体包括：
根据预设的批阅模式按照操作过程中各操作步骤的正确性与否对操作过程进行批阅，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在人机交互界面上，其中，批阅结果至少包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分。
在用户作业操作进行得过程中，实时对各个操作步骤进行记录和正确性与否的批阅，作业操作完成后，根据预设的批阅模式给出相应的批阅结果，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在人机交互界面上，使得用户可以实时了解题目解答过程是否正确以及题目最终的总得分情况。
具体地，在一个实施例中，过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照杆系结构分析题目、基本结构、第1至n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。
根据本发明的第二个方面，本发明实施例公开了一种杆系结构力法计算的人机交互作业***，所述***可以包括：
题目加载模块201，用于基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；
当进行杆系结构力法计算的人机交互作业时，首先需要在人机交互界面显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构，该原结构具体通过用户在人机交互界面的交互操作(例如从题库中选择)加载得到，加载得到的待解答的杆系结构分析题目对应的原结构显示在人机交互界面的过程图形显示区。题目具体可以是***的内嵌题目、教师端发布的题目或者学生用户通过自定义设定各项参数***生成的题目。
数据获取模块202，用于获取用户在人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；
加载显示题目后，需要获取用户输入的超静定次数数值n，n的值为正整数，具体可以是用户在人机交互界面的相应输入窗***互选择相应的数值并提交***，用户输入的超静定次数数值n为用户自己判断得到的题目中的原结构对应的超静定次数，即原结构的基本未知量数量，也即原结构的多余约束力数量，***根据用户输入的超静定次数数值n控制后续的操作步骤。
窗口分割模块203，用于基于超静定次数数值n将人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；
获取到用户输入的超静定次数数值n后，***将人机交互界面中的显示原结构的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口。具体地，在过程图形显示区分割完成后，可以将原结构对应的待解答的杆系结构分析题目显示在其中一个图形显示窗口中，优选显示在第一个图形显示窗口中，其他的图形显示窗口为预留窗口，用于后续操作过程中显示对应的图形内容。
第一图形绘制模块204，用于接收用户对杆系结构分析题目对应的原结构做出的修正操作，并基于修正操作生成对应的力法分析的基本结构；
过程图形显示区分割完成后，用户可以在人机交互界面进行与原结构对应的力法分析的基本结构的交互绘制，***接收用户在人机交互界面对杆系结构分析题目对应的原结构做出的修正操作，并根据该修正操作生成对应的力法分析的基本结构，生成的基本结构的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中一个图形显示窗口中。具体地，上述修正操作可以是用户在人机交互界面上显示的对应的控件按键进行选择操作，以杆端变铰、解除支座、结点删除和链杆删除之一或任意组合的方式去除原结构中的n个多余约束；用户去除的原结构中的n个多余约束为用户判断的原结构中的多余约束。
第二图形绘制模块205，用于接收用户在人机交互界面上针对基本结构做出的n次施加与原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；
基本结构的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行各单位力状态的单位弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上显示的对应的控件按键进行选择操作，分别在基本结构上作用单位力，即为基本结构添加对所去除的多余约束对应的单位力，以形成单位力状态，并根据此状态，交互绘制单位弯矩图，重复上述步骤n次，绘制n个不同单位力状态的单位弯矩图，***接收用户在人机交互界面上针对基本结构做出的n次施加与原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，每次交互操作生成的单位弯矩图在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中预留的图形显示窗口中，n个单位弯矩图共占用n个图形显示窗口。
第三图形绘制模块206，用于将原结构承受的荷载作用在基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；
单位弯矩图的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行荷载弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上显示的对应的控件按键进行选择操作，***先将原结构承受的荷载作用在基本结构上生成原荷载作用状态图，然后用户在原荷载作用状态图上进行操作，输入第一绘图参数，该第一绘图参数可以是内力值或杆端拆分相关参数，***利用叠加原理根据获取到的第一绘图参数和原荷载作用状态图生成荷载弯矩图，生成的荷载弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中。
第四图形绘制模块207，用于获取用户交互输入的第二绘图参数，基于原结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原结构的结果弯矩图；
荷载弯矩图绘制完毕后，用户可以在人机交互界面进行原结构的结果弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上显示的对应的控件按键进行操作，输入第二绘图参数，***则利用叠加原理根据获取到的第二绘图参数和原结构绘制生成原结构的结果弯矩图，生成的结果弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中(即最后一个预留的图形显示窗口)。具体地，第二绘图参数为用户根据单位弯矩图和荷载弯矩图通过联立力法方程计算得到的原结构的力法方程的系数、自由项和未知量等参数，结果弯矩图即待解答的杆系结构分析题目对应的原结构的最终内力解答。
作业批阅模块208，用于记录用户在人机交互界面实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。
在上述操作步骤中，***实时记录用户在人机交互界面实施的操作过程，并根据预设的评判规则对操作过程进行批阅，在用户完成最后的结果内力图绘制或用户进行结果提交后，给出相应的批阅结果，从而完成整个人机交互作业过程并实现智能批阅。
综上所述可知，本实施例提供了一种杆系结构力法计算的人机交互作业***，通过题目加载模块基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；数据获取模块获取用户在人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；窗口分割模块基于超静定次数数值n将人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；第一图形绘制模块接收用户对杆系结构分析题目对应的原结构做出的修正操作，并基于修正操作生成对应的力法分析的基本结构；第二图形绘制模块接收用户在人机交互界面上针对基本结构做出的n次施加与原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；第三图形绘制模块将原结构承受的荷载作用在基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；第四图形绘制模块获取用户交互输入的第二绘图参数，基于原结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原结构的结果弯矩图；作业批阅模块记录用户在人机交互界面实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。本发明将力法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力法题目，结合力法计算常规步骤，利用有限元分析方法进行过程性分析，对力法计算所涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和提供交互操作，并利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力法计算相关作业的效率和练习效果。
在一个实施例中，所述***还包括：
题目预分析模块，用于在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构之后，对杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则进行相应提示并退出该题目。
根据用户选择题目的交互操作加载好待解答的杆系结构分析题目对应的原结构的图形之后，为了保证后续力法计算操作的顺利进行，可以先对杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则可以进行例如原结构不满足力法计算条件的相应提示并退出该题目。当然，如果题目对应的原结构满足力法计算的条件，则可以进行后续的计算和绘图操作。
在一个实施例中，对操作过程进行批阅，给出批阅结果包括：
根据预设的批阅模式按照操作过程中各操作步骤的正确性与否对操作过程进行批阅，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在人机交互界面上，其中，批阅结果至少包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分。
在用户作业操作进行得过程中，实时对各个操作步骤进行记录和正确性与否的批阅，作业操作完成后，根据预设的批阅模式给出相应的批阅结果，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在人机交互界面上，使得用户可以实时了解题目解答过程是否正确以及题目最终的总得分情况。
具体地，在一个实施例中，过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照杆系结构分析题目、基本结构、第1至n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。
上述杆系结构力法计算的人机交互作业***中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
下面以具体实例进一步说明本发明的功能。
图3为一具体实例中杆系结构力法计算的人机交互作业***的人机交互界面，界面从左至右分为三个区域，左侧为菜单区，中间为过程图形显示区，右侧为分析操作区，进行杆系结构力法计算的人机交互作业时，具体操作按以下步骤进行：
1、用户点击界面上方的“交互作业”控件按键，在下拉菜单中“力法计算交互作业”选项并单击选择该项，***自动弹出题库，然后用户在题库中选择题目，选择题目后，题目会被加载并显示在人机交互界面中的过程图形显示区，进而***会自动对选择的题目进行预分析，分析该题目的原结构是否适用力法计算，若否，则***进行提示并自动退出该题目，若是，则用户可进行后续操作。用户点击菜单区的“力法”按键，***窗口左下角提示用户输入自己判断的力法计算时的超静定次数数值n，如图3所示，可通过选择的方式进行输入，输入后点击“确定”按键，界面中的过程图形显示区会被分割成n+4个图形显示窗口，如图4所示，此时，题目的题干和计算模型(即题目对应的原结构)都显示在第一个图形显示窗口中。对本例，正确的超静定次数n＝1，输入后确定，***自动生成并增加菜单项(即菜单区中“力法”按键的下拉菜单，包括基本结构、M1、MP、M)。
2、接着用户通过在分析操作区交互绘制与题目中的原结构对应的各图形。如图4所示，用户点击菜单区中的“基本结构”按键，可在分析操作区采取杆端变铰、解除支座、结点删除、链杆删除等不同方式，去除原结构中“用户认定”的任意内外约束，操作完毕后，双击提交基本结构，则基本结构被加载并显示在第二个图形显示窗口中，用户分别点击M1、MP、M，在提交的基本结构上，施加对应单位力，绘出相应内力图形后提交。用户按力法计算，并绘出最终内力图，至此力法计算结束，此时过程图形区显示如图5所示，其中，力法基本结构即题目对应的原结构去除多余约束后的基本结构，M1弯矩图即单位弯矩图，MP弯矩图即荷载弯矩图，M图即结果弯矩图。
3、力法交互计算完成后，进行结果提交，提交***批阅，批阅结果根据当前设定的批阅模式，实时以浮动窗口的形式显示在人机交互界面的过程图形显示区中，如图6所示，当然，批阅结果也可以上传服务器进行保存。批阅结果具体如图7所示，包括各知识点对应的关键操作步骤(如输入的超静定次数的数值、交互绘制的各图形)的正确性评判和该题目相应的总得分。
若用户使用了不同计算思路，例如去除不同位置的多余约束，则解法相应发生变化，计算过程也相应发生变化，从而得到的基本结构、单位弯矩图以及荷载弯矩图都有可能发生相应变化，但是若解题过程正确，最终得到的结果弯矩图会一样。用户又分别使用两种不同于图5所示的解题方法，两次结果提交后的过程图形显示区及批阅结果分别如图8、图9所示。若用户计算过程中出现错误，过程图形显示区和批阅结果如图10所示。
通过上述实例可知，本发明的技术方案中，作业过程按照力法分析基本步骤顺序进行，作业者只需要满足过程自洽(作业者只需要自觉正确)，既可完成并提交；作业自由度极高，完全还原纸上作业过程；在分析、绘图和其它计算过程中，除要求按力法基本固定步骤进行外，不作诱导提示，较客观地对学生学***进行评测、考核和考试；同时可对每一操作步实时提供正确性评判，确保初学者的训练效率。
为更清晰的表达力法计算人机智能交互的基本过程，以上操作步骤对应的流程图11所示。从图中可知，除未知量数目(即超静定次数数值)和最终内力解答的判断，是直接来自于原结构外(结构的基本性质，与力法计算过程完全无关)，其余状态的判断都需要基于用户在力法计算中的实际操作进行(不同的分析思路，有不同的操作)。
本发明的图文交互方式便利，便于使用者用于图形和数据输入，在不减少计算分析量的条件下，减轻重复工作，缩短作业时间；同时对操作步判定是从力法基本概念出发，因此对力法求解题目绝对普适，并在根本上解决了一题多解，只要是适用于力法分析的任意杆系结构，无论何种荷载、约束或结构特征，在本***平台上，可用任一可能方式进行分析、计算，***皆能自适应其求解过程并作出准确评阅，也能准确地判断和定位错误。对于非考核考试时，可根据批阅指出的错误，只针对错误操作，重新绘图修正，而不用重作全题。本发明既可用于学习阶段的作业练习，也可用于考核或考试中。对线上线下各类教学模式，皆可提供有益的辅助。
上述施例中，所述杆系结构力法计算的人机交互作业***集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种杆系结构力法计算的人机交互作业方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；
获取用户在所述人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；
基于所述超静定次数数值n将所述人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；
接收用户对所述杆系结构分析题目对应的所述原结构做出的修正操作，并基于所述修正操作生成对应的力法分析的基本结构；
接收用户在所述人机交互界面上针对所述基本结构做出的n次施加与所述原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于所述n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；
将所述原结构承受的荷载作用在所述基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；
获取用户交互输入的第二绘图参数，基于所述原结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原结构的结果弯矩图；
记录用户在所述人机交互界面实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。
2.根据权利要求1所述的杆系结构力法计算的人机交互作业方法，其特征在于，在步骤基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构之后，所述方法还包括：
对所述杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断所述原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则进行相应提示并退出该题目。
3.根据权利要求1或2所述的杆系结构力法计算的人机交互作业方法，其特征在于，所述对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果包括：
根据预设的批阅模式按照操作过程中各操作步骤的正确性与否对所述操作过程进行批阅，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在所述人机交互界面上，其中，所述批阅结果至少包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分。
4.根据权利要求3所述的杆系结构力法计算的人机交互作业方法，其特征在于：
所述过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照杆系结构分析题目、基本结构、第1至n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。
5.根据权利要求3所述的杆系结构力法计算的人机交互作业方法，其特征在于，所述修正操作包括：
以杆端变铰、解除支座、结点删除和链杆删除之一或任意组合的方式去除所述原结构中的n个多余约束。
6.一种杆系结构力法计算的人机交互作业***，其特征在于，所述***包括：
题目加载模块，用于基于用户在人机交互界面的交互操作，在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构；
数据获取模块，用于获取用户在所述人机交互界面输入的超静定次数数值n，其中，n为正整数；
窗口分割模块，用于基于所述超静定次数数值n将所述人机交互界面的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口；
第一图形绘制模块，用于接收用户对所述杆系结构分析题目对应的所述原结构做出的修正操作，并基于所述修正操作生成对应的力法分析的基本结构；
第二图形绘制模块，用于接收用户在所述人机交互界面上针对所述基本结构做出的n次施加与所述原结构的各多余约束力对应的单位力的交互操作，并基于所述n次交互操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图；
第三图形绘制模块，用于将所述原结构承受的荷载作用在所述基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户交互输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；
第四图形绘制模块，用于获取用户交互输入的第二绘图参数，基于所述原结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原结构的结果弯矩图；
作业批阅模块，用于记录用户在所述人机交互界面实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。
7.根据权利要求6所述的杆系结构力法计算的人机交互作业***，其特征在于，所述***还包括：
题目预分析模块，用于在人机交互界面的过程图形显示区加载并显示待解答的杆系结构分析题目对应的原结构之后，对所述杆系结构分析题目对应的原结构进行预分析，判断所述原结构是否适用力法进行计算，如不适用，则进行相应提示并退出该题目。
8.根据权利要求6或7所述的杆系结构力法计算的人机交互作业***，其特征在于，所述对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果包括：
根据预设的批阅模式按照操作过程中各操作步骤的正确性与否对所述操作过程进行批阅，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在所述人机交互界面上，其中，所述批阅结果至少包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分。
9.根据权利要求8所述的杆系结构力法计算的人机交互作业***，其特征在于：
所述过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照杆系结构分析题目、基本结构、第1至n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。
10.根据权利要求8所述的杆系结构力法计算的人机交互作业***，其特征在于，所述修正操作包括：
以杆端变铰、解除支座、结点删除和链杆删除之一或任意组合的方式去除所述原结构中的n个多余约束。
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