依托网络教学平台设计力学模型动态化教学新体系

2014-12-25顾铁凤王晓君郭美卿

实验技术与管理 2014年11期

顾铁凤，王晓君，郭美卿

（太原理工大学力学学院，山西太原 030024）

力学是高等院校工科专业一门专业基础课，在机械、土木、材料、航空、航天、电子等行业，都有十分确定的工程对象［1］。目前的力学课程，具有高度的抽象性和概括性，所有的与工程有关的结构和机构都已经简化成静态的力学模型，学生接触力学课程之前，基本没有实习、实践的过程［2］，也没有厂矿企业工作的经历，普遍缺乏结构、机构的认知能力及空间想象能力，不能在大脑中将模型还原回工程实际结构或机构。学生只感到力学课程晦涩难懂，只能被动接受。

教学中发现，在学习力学课程时，学生感到困难的问题是结构的构成、机构的运动方式等与力学模型有关的问题。学生感兴趣的是偶尔播放的三维、动态的工程实际机构（结构），说明学生更愿意接受三维、动态的力学模型。这种力学模型与工程结构非常接近，可以实现学生在课堂上与工程结构（机构）零距离接触。但是，目前国内、外还没有完整的力学课程全部的模型三维、动态显示的体系。因此，应该构建力学模型动态化的教学新体系［3-4］，实现学生在课堂上也如亲临工程现场一样，达到与厂矿企业零距离接触。同时，通过学生亲自制作动态模型，可以发现结构（或机构）需要改进、创新的地方。

1 新体系总的设计方案

新体系总体设计如图1所示，包含理论教学、模拟实践教学、创新项目设计、师生互动论坛［5］。

图1 新体系总体设计框图

1.1 理论教学及师生互动论坛设计方案

理论教学体系设计如图2所示。理论教学除了保持原有的经典内容外，还精简学生必修的一系列力学课程中重叠的部分，减少为应试准备的习题练习的学时，加强培养学生的创新能力的理论教学内容。同时增加网上互动的教学内容，即依托网上教学平台了解学生对力学课程的认知情况、学习情况、思想状态，以及需要帮助、解决的各方面问题等。

图2 理论教学设计框图

例如，理论力学课程中［4］若构建了三维、动态的力学模型，学生只要学习掌握了空间静力学理论，就很容易自学掌握平面静力学理论，减少了课堂教学的学时；再如，在理论力学、材料力学课程中，超静定的概念、受力分析等［5］是重叠部分。因此，需要合理安排课程计划、协调各门课程的衔接，通过课程群实施课程之间的关联教学。

1.2 模拟实践教学创新项目设计方案

模拟实践教学体系设计如图3所示［6］。模拟实践教学是依托网上教学平台，以动画形式模拟工程结构（或机构）安装、建造、运行等过程，进一步简化成静态的空间（或平面）力学模型的过程。学生在网络平台上可以选择制作创新动态力学模型的项目，教师给以指导和评价。

图3 模拟实践教学体系设计框图

随着计算机性能的迅速提高和各种计算软件的不断完善，计算机模拟已成为解决科学领域中复杂问题的主要工具［7］，诸如航空航天中飞船对接的模拟、交通事故现场的模拟等，都使观众有如亲临现场、一目了然的感觉。

新教学体系将原力学教学体系中的例题、习题等静态、平面力学模型，利用熟知的软件ANSYS／LSDYNA、DYNAFORM、FALSH 等，将工程结构（机构）以三维、动画形式展现其建造、安装、运行等过程，并逐步简化到力学模型，使学生在课堂理论学习时，也如置身工程现场参加实践学习一样，增强感观认识［8］。

由于学时所限，在课堂上达不到将例题、习题等动态力学模型全部一一演示，因此，为达到动态模型全课程覆盖，在课堂上只讲解重要的、机构复杂的、难以理解的动态模型简化过程，其余的动态模型以及给学生的项目，都保存在网络教学平台，学生可以选择浏览现有的模型简化过程，也可以选择项目自己制作，教师可以将其作为一种课程考核给以综合评价，作为平时成绩［9-10］。

2 模型模拟实例

在力学授课过程中，每次课都接触力学模型，诸如结构图、机构图、受力图、内力图、弯曲变形图等数不胜数。每一知识点都对应有模型图。有些知识点是先有结构（或机构）的简图，再有相关的定理或解决方法给以支持；有些知识点是根据力学理论得到结构（或机构）简图，例如运动学中点的合成运动、动力学中2类基本问题等。无论哪种情况，都是力学课程的重点和难点，尤其是机构的运行情况是难中之难。因此，用动画模拟机构的运行，可以给学生一目了然的感觉。这里仅以质心坐标守恒［11］为例说明。

如图4所示均质细直杆，放在光滑水平面上，由图示位置静止释放，则质心C的轨迹如何呢？因没有摩擦，所以水平方向的外力为零。即∑Fx＝0，且初始静止，因此，由质心运动定理可知，质心C的x坐标守恒（x坐标为常数）。所以，质心C的轨迹为铅垂直线。

由于没有生活经验，学生很难接受该结论。因此，用动画模拟演示质心的运动轨迹，学生不但理解，而且印象深刻。运动的3个状态的截图如图4（b）所示，其中①为初始状态，②为运动中间过程，③为运动到接触地面瞬间，C、C1、C2质心的运动过程如图4（c）所示。相当于质心受到约束一样。思考问题：上述结论与构件的形状、尺寸是否有关？试选择其他形状构件做出其动态模拟过程。

图4 质心运动守恒简图

3 结束语

力学模型简化是一个复杂而艰巨的过程。要根据工程实际情况、项目要求、精确程度以及客观条件等因素决定。

构建科学的、内容丰富的、有成效的模拟实践教学体系，构建科学的、技术的、艺术的、内容严谨的理论教学体系，可将晦涩难懂的力学教学体系进行颠覆性改变。通过视频以动画形式将力学模型展示给学生，不仅可以辅助教学，而且可以激发学生学习力学理论知识的积极性，增加学生的感性认识，加强学生对授课内容的理解，同时强化了学生计算机及软件的使用能力，又提高了工科学生的艺术欣赏水平，提高了教学的效果。

新体系的构建，使力学教学由原来的重点教学生解题技巧转化为培养学生在学习过程中发现问题、分析问题、解决问题的创新能力［12］，实现由学生到工程师的“零适应”角色的自然转换。教学不但是一门科学，教学也是一门技术，教学更是一门艺术［13］。

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［1］刘伟，朱西平，刘洪兵.结合理论力学谈高校青年教师教案的撰写［J］.力学与实践，2013，35（5）：87-90.

［2］史文谱，曲淑英.力学教学中引入区间分析方法之探讨［J］.力学与实践，2012，34（6）：57-59.

［3］赵伶俐.建构教学科学、教学技术、教学艺术三位一体教师教育新体系［J］.复旦教育论坛，2007，30（4）：12-14.

［4］苏禾.对学生进行科学方法教学的几点体会：在理论力学教学中［J］.力学与实践2012，34（3）：81-83.

［5］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［6］李仕强，王水平，李翔.基于Web的虚拟实验互动教学平台研究与设计［J］.实验技术与管理，2012，29（11）：92-93.

［7］吕璞.参与式仿真技术在经管类实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2012，29（11）：103-105.

［8］王正明，范玉芳.对实践教育内涵的认识与思考［J］.中国大学教育，2014（2）：68-69.

［9］刘渭滨.高校课程考核方式改革的探索与实践［J］.中国科技财富，2011（8）：267，259.