依托網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺設(shè)計力學(xué)模型動態(tài)化教學(xué)新體系

顧鐵鳳，王曉君，郭美卿

（太原理工大學(xué) 力學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024）

力學(xué)是高等院校工科專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在機械、土木、材料、航空、航天、電子等行業(yè)，都有十分確定的工程對象［1］。目前的力學(xué)課程，具有高度的抽象性和概括性，所有的與工程有關(guān)的結(jié)構(gòu)和機構(gòu)都已經(jīng)簡化成靜態(tài)的力學(xué)模型，學(xué)生接觸力學(xué)課程之前，基本沒有實習(xí)、實踐的過程［2］，也沒有廠礦企業(yè)工作的經(jīng)歷，普遍缺乏結(jié)構(gòu)、機構(gòu)的認知能力及空間想象能力，不能在大腦中將模型還原回工程實際結(jié)構(gòu)或機構(gòu)。學(xué)生只感到力學(xué)課程晦澀難懂，只能被動接受。

教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)力學(xué)課程時，學(xué)生感到困難的問題是結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、機構(gòu)的運動方式等與力學(xué)模型有關(guān)的問題。學(xué)生感興趣的是偶爾播放的三維、動態(tài)的工程實際機構(gòu)（結(jié)構(gòu)），說明學(xué)生更愿意接受三維、動態(tài)的力學(xué)模型。這種力學(xué)模型與工程結(jié)構(gòu)非常接近，可以實現(xiàn)學(xué)生在課堂上與工程結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）零距離接觸。但是，目前國內(nèi)、外還沒有完整的力學(xué)課程全部的模型三維、動態(tài)顯示的體系。因此，應(yīng)該構(gòu)建力學(xué)模型動態(tài)化的教學(xué)新體系［3-4］，實現(xiàn)學(xué)生在課堂上也如親臨工程現(xiàn)場一樣，達到與廠礦企業(yè)零距離接觸。同時，通過學(xué)生親自制作動態(tài)模型，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)（或機構(gòu)）需要改進、創(chuàng)新的地方。

1 新體系總的設(shè)計方案

新體系總體設(shè)計如圖1所示，包含理論教學(xué)、模擬實踐教學(xué)、創(chuàng)新項目設(shè)計、師生互動論壇［5］。

圖1 新體系總體設(shè)計框圖

1.1 理論教學(xué)及師生互動論壇設(shè)計方案

理論教學(xué)體系設(shè)計如圖2所示。理論教學(xué)除了保持原有的經(jīng)典內(nèi)容外，還精簡學(xué)生必修的一系列力學(xué)課程中重疊的部分，減少為應(yīng)試準備的習(xí)題練習(xí)的學(xué)時，加強培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力的理論教學(xué)內(nèi)容。同時增加網(wǎng)上互動的教學(xué)內(nèi)容，即依托網(wǎng)上教學(xué)平臺了解學(xué)生對力學(xué)課程的認知情況、學(xué)習(xí)情況、思想狀態(tài)，以及需要幫助、解決的各方面問題等。

圖2 理論教學(xué)設(shè)計框圖

例如，理論力學(xué)課程中［4］若構(gòu)建了三維、動態(tài)的力學(xué)模型，學(xué)生只要學(xué)習(xí)掌握了空間靜力學(xué)理論，就很容易自學(xué)掌握平面靜力學(xué)理論，減少了課堂教學(xué)的學(xué)時；再如，在理論力學(xué)、材料力學(xué)課程中，超靜定的概念、受力分析等［5］是重疊部分。因此，需要合理安排課程計劃、協(xié)調(diào)各門課程的銜接，通過課程群實施課程之間的關(guān)聯(lián)教學(xué)。

1.2 模擬實踐教學(xué)創(chuàng)新項目設(shè)計方案

模擬實踐教學(xué)體系設(shè)計如圖3所示［6］。模擬實踐教學(xué)是依托網(wǎng)上教學(xué)平臺，以動畫形式模擬工程結(jié)構(gòu)（或機構(gòu)）安裝、建造、運行等過程，進一步簡化成靜態(tài)的空間（或平面）力學(xué)模型的過程。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺上可以選擇制作創(chuàng)新動態(tài)力學(xué)模型的項目，教師給以指導(dǎo)和評價。

圖3 模擬實踐教學(xué)體系設(shè)計框圖

隨著計算機性能的迅速提高和各種計算軟件的不斷完善，計算機模擬已成為解決科學(xué)領(lǐng)域中復(fù)雜問題的主要工具［7］，諸如航空航天中飛船對接的模擬、交通事故現(xiàn)場的模擬等，都使觀眾有如親臨現(xiàn)場、一目了然的感覺。

新教學(xué)體系將原力學(xué)教學(xué)體系中的例題、習(xí)題等靜態(tài)、平面力學(xué)模型，利用熟知的軟件ANSYS／LSDYNA、DYNAFORM、FALSH 等，將工程結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）以三維、動畫形式展現(xiàn)其建造、安裝、運行等過程，并逐步簡化到力學(xué)模型，使學(xué)生在課堂理論學(xué)習(xí)時，也如置身工程現(xiàn)場參加實踐學(xué)習(xí)一樣，增強感觀認識［8］。

由于學(xué)時所限，在課堂上達不到將例題、習(xí)題等動態(tài)力學(xué)模型全部一一演示，因此，為達到動態(tài)模型全課程覆蓋，在課堂上只講解重要的、機構(gòu)復(fù)雜的、難以理解的動態(tài)模型簡化過程，其余的動態(tài)模型以及給學(xué)生的項目，都保存在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生可以選擇瀏覽現(xiàn)有的模型簡化過程，也可以選擇項目自己制作，教師可以將其作為一種課程考核給以綜合評價，作為平時成績［9-10］。

2 模型模擬實例

在力學(xué)授課過程中，每次課都接觸力學(xué)模型，諸如結(jié)構(gòu)圖、機構(gòu)圖、受力圖、內(nèi)力圖、彎曲變形圖等數(shù)不勝數(shù)。每一知識點都對應(yīng)有模型圖。有些知識點是先有結(jié)構(gòu)（或機構(gòu)）的簡圖，再有相關(guān)的定理或解決方法給以支持；有些知識點是根據(jù)力學(xué)理論得到結(jié)構(gòu)（或機構(gòu)）簡圖，例如運動學(xué)中點的合成運動、動力學(xué)中2類基本問題等。無論哪種情況，都是力學(xué)課程的重點和難點，尤其是機構(gòu)的運行情況是難中之難。因此，用動畫模擬機構(gòu)的運行，可以給學(xué)生一目了然的感覺。這里僅以質(zhì)心坐標(biāo)守恒［11］為例說明。

如圖4所示均質(zhì)細直桿，放在光滑水平面上，由圖示位置靜止釋放，則質(zhì)心C的軌跡如何呢？因沒有摩擦，所以水平方向的外力為零。即∑Fx＝0，且初始靜止，因此，由質(zhì)心運動定理可知，質(zhì)心C的x坐標(biāo)守恒（x坐標(biāo)為常數(shù)）。所以，質(zhì)心C的軌跡為鉛垂直線。

由于沒有生活經(jīng)驗，學(xué)生很難接受該結(jié)論。因此，用動畫模擬演示質(zhì)心的運動軌跡，學(xué)生不但理解，而且印象深刻。運動的3個狀態(tài)的截圖如圖4（b）所示，其中①為初始狀態(tài)，②為運動中間過程，③為運動到接觸地面瞬間，C、C1、C2質(zhì)心的運動過程如圖4（c）所示。相當(dāng)于質(zhì)心受到約束一樣。思考問題：上述結(jié)論與構(gòu)件的形狀、尺寸是否有關(guān)？試選擇其他形狀構(gòu)件做出其動態(tài)模擬過程。

圖4 質(zhì)心運動守恒簡圖

3 結(jié)束語

力學(xué)模型簡化是一個復(fù)雜而艱巨的過程。要根據(jù)工程實際情況、項目要求、精確程度以及客觀條件等因素決定。

構(gòu)建科學(xué)的、內(nèi)容豐富的、有成效的模擬實踐教學(xué)體系，構(gòu)建科學(xué)的、技術(shù)的、藝術(shù)的、內(nèi)容嚴謹?shù)睦碚摻虒W(xué)體系，可將晦澀難懂的力學(xué)教學(xué)體系進行顛覆性改變。通過視頻以動畫形式將力學(xué)模型展示給學(xué)生，不僅可以輔助教學(xué)，而且可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)理論知識的積極性，增加學(xué)生的感性認識，加強學(xué)生對授課內(nèi)容的理解，同時強化了學(xué)生計算機及軟件的使用能力，又提高了工科學(xué)生的藝術(shù)欣賞水平，提高了教學(xué)的效果。

新體系的構(gòu)建，使力學(xué)教學(xué)由原來的重點教學(xué)生解題技巧轉(zhuǎn)化為培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的創(chuàng)新能力［12］，實現(xiàn)由學(xué)生到工程師的“零適應(yīng)”角色的自然轉(zhuǎn)換。教學(xué)不但是一門科學(xué)，教學(xué)也是一門技術(shù)，教學(xué)更是一門藝術(shù)［13］。

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