朱嘉
摘要:《理論力學(xué)》是土木工程及機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課,其中有關(guān)三維空間的內(nèi)容為課程的教學(xué)難點(diǎn)。課堂授課中無法清晰描述空間位置及運(yùn)動,學(xué)生普遍對空間問題的理解存在一定障礙。據(jù)此提出結(jié)合SKETCH UP軟件進(jìn)行輔助教學(xué)的方法,讓空間問題更為直觀,提升學(xué)生理解。
關(guān)鍵詞:理論力學(xué);三維軟件教學(xué);SKETCH UP
1.概述
《理論力學(xué)》是土木工程及機(jī)械類專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)必修課,本課程以高中物理的平面受力分析、平面運(yùn)動等內(nèi)容為基礎(chǔ),進(jìn)一步擴(kuò)展至三維空間受力及運(yùn)動、動力學(xué)分析,需要學(xué)生對三維空間問題有進(jìn)行熟練掌握。
由于專業(yè)基礎(chǔ)課的特點(diǎn),《理論力學(xué)》一般都在本科二年級階段開設(shè)。此時(shí)的學(xué)生已經(jīng)完成了《高等數(shù)學(xué)》的課程學(xué)習(xí),具備了微積分與極限的概念,同時(shí)結(jié)合高中物理的相關(guān)知識,對《理論力學(xué)》中牛頓定律、動量定理、動能定理等概念性、計(jì)算性問題掌握較好。經(jīng)過多屆教學(xué)經(jīng)歷與學(xué)生反饋,《理論力學(xué)》中設(shè)計(jì)三維空間問題的受力分析與運(yùn)動問題為學(xué)生的理解難點(diǎn)。反觀當(dāng)下的多媒體教學(xué)手段,大部分教師使用的是板書、PPT、視頻、音頻的方式,可謂“三維表現(xiàn)力”不足,尚不能清晰傳達(dá)空間概念。針對這一情況,本文提出結(jié)合3D軟件——SKETCH UP進(jìn)行輔助教學(xué)的教學(xué)手段,通過課堂三維模型的演示,更好地向?qū)W生傳達(dá)空間概念。
2.結(jié)合三維軟件的教學(xué)方法
2.1軟件選擇
三維軟件是基于電腦技術(shù),以數(shù)字圖形學(xué)的形式創(chuàng)建模擬空間信息的通用軟件,該類軟件可包含物體空間信息、尺寸信息、材質(zhì)信息、動力學(xué)信息。根據(jù)授課要求,選擇三維輔助教學(xué)軟件的依據(jù)為:(1)易用;(2)包含空間信息;(3)包含尺寸信息。
綜上,選擇谷歌公司出品的免費(fèi)三維軟件SKETCH UP。
2.2輔助授課應(yīng)用
各本科院校的《理論力學(xué)》授課方式被稱為“粉筆加激光筆”,其中,“粉筆”代指傳動的黑板板書教學(xué),對工科類教學(xué),這部分授課方式必不可少;另外的“激光筆”指的是近些年來廣泛流行的多媒體教學(xué),包括PPT、視頻音頻等輔助教學(xué)手段,該類手段豐富了課堂形式,在信息展示深度與速度上有獨(dú)特的優(yōu)勢。然而,先行的多媒體教學(xué)手段尚不能很好地展示三維空間內(nèi)容。
利用SKETCH UP軟件輔助教學(xué),授課老師可以在電腦中模擬三維空間的空間信息,剛體的尺寸信息,各約束形式的位置信息,并進(jìn)行擬空間的全方位展示。以《理論力學(xué)》第三章——空間力系為例,圖1為課本中對某一空間力的平面圖示,圖2為基于SKETCH UP建立的空間作用力三維模型透視圖,該模型可以根據(jù)授課需要進(jìn)行全方位的旋轉(zhuǎn)、縮放、移動操作,可讓學(xué)生迅速而準(zhǔn)確地建立空間作用力的概念。
圖1.空間力投影正視圖 圖2. SKETCHUP表示的三維空間力
2.3作業(yè)中應(yīng)用
作為輔助教學(xué)的三維軟件,SKETCH UP以其直觀的顯示效果為課堂教學(xué)帶來新的活力?;谄鋵I(yè)性與易操作性,教學(xué)老師可以在課堂上布置基于SU的剛體受力分析作業(yè),進(jìn)一步通過學(xué)生的實(shí)際演練,提升自身對三維空間的理解。
SKETCHUP因其擁有簡介清晰的軟件界面,使得建模工作異常簡單,通過四個(gè)學(xué)時(shí)左右的學(xué)習(xí)時(shí)間,學(xué)生都可以掌握其基本建模流程,適合作為課后自學(xué)作業(yè)。在作業(yè)類型上,可結(jié)合空間力系、空間約束、空間運(yùn)動學(xué)的內(nèi)容,讓學(xué)生建立三維模型,如建立含球形鉸鏈、止推軸承結(jié)合式剛體系統(tǒng),建立牽連運(yùn)動為定軸轉(zhuǎn)動的點(diǎn)運(yùn)動軌跡——通過作業(yè)與SU結(jié)合的方式,為學(xué)生提供一個(gè)學(xué)以致用的任務(wù)環(huán)境。
3.結(jié)論
作為土木工程、機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課的《理論力學(xué)》課程,部分章節(jié)對空間想象力有很高要求,傳統(tǒng)的“板書加多媒體”的授課方式對學(xué)生的空間思維建立幫助有限?,F(xiàn)提出以谷歌公司出品的三維軟件SKETCH UP作為輔助,以第一課堂授課、課后作業(yè)等方式促進(jìn)《理論力學(xué)》的方法,可大大提高學(xué)生對三維空間的理解,并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,建立成就感,顯著提升教學(xué)效果。
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基金項(xiàng)目:
廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目 項(xiàng)目編號:2018JGA169