朱嘉
摘要:《理論力學》是土木工程及機械類專業(yè)的基礎必修課,其中有關三維空間的內(nèi)容為課程的教學難點。課堂授課中無法清晰描述空間位置及運動,學生普遍對空間問題的理解存在一定障礙。據(jù)此提出結合SKETCH UP軟件進行輔助教學的方法,讓空間問題更為直觀,提升學生理解。
關鍵詞:理論力學;三維軟件教學;SKETCH UP
1.概述
《理論力學》是土木工程及機械類專業(yè)開設的基礎必修課,本課程以高中物理的平面受力分析、平面運動等內(nèi)容為基礎,進一步擴展至三維空間受力及運動、動力學分析,需要學生對三維空間問題有進行熟練掌握。
由于專業(yè)基礎課的特點,《理論力學》一般都在本科二年級階段開設。此時的學生已經(jīng)完成了《高等數(shù)學》的課程學習,具備了微積分與極限的概念,同時結合高中物理的相關知識,對《理論力學》中牛頓定律、動量定理、動能定理等概念性、計算性問題掌握較好。經(jīng)過多屆教學經(jīng)歷與學生反饋,《理論力學》中設計三維空間問題的受力分析與運動問題為學生的理解難點。反觀當下的多媒體教學手段,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,尚不能清晰傳達空間概念。針對這一情況,本文提出結合3D軟件——SKETCH UP進行輔助教學的教學手段,通過課堂三維模型的演示,更好地向學生傳達空間概念。
2.結合三維軟件的教學方法
2.1軟件選擇
三維軟件是基于電腦技術,以數(shù)字圖形學的形式創(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、材質信息、動力學信息。根據(jù)授課要求,選擇三維輔助教學軟件的依據(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三維軟件SKETCH UP。
2.2輔助授課應用
各本科院校的《理論力學》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,對工科類教學,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,包括PPT、視頻音頻等輔助教學手段,該類手段豐富了課堂形式,在信息展示深度與速度上有獨特的優(yōu)勢。然而,先行的多媒體教學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,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,并進行擬空間的全方位展示。以《理論力學》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)授課需要進行全方位的旋轉、縮放、移動操作,可讓學生迅速而準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)中應用
作為輔助教學的三維軟件,SKETCH UP以其直觀的顯示效果為課堂教學帶來新的活力?;谄鋵I(yè)性與易操作性,教學老師可以在課堂上布置基于SU的剛體受力分析作業(yè),進一步通過學生的實際演練,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,通過四個學時左右的學習時間,學生都可以掌握其基本建模流程,適合作為課后自學作業(yè)。在作業(yè)類型上,可結合空間力系、空間約束、空間運動學的內(nèi)容,讓學生建立三維模型,如建立含球形鉸鏈、止推軸承結合式剛體系統(tǒng),建立牽連運動為定軸轉動的點運動軌跡——通過作業(yè)與SU結合的方式,為學生提供一個學以致用的任務環(huán)境。
3.結論
作為土木工程、機械類專業(yè)的專業(yè)基礎課的《理論力學》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《理論力學》的方法,可大大提高學生對三維空間的理解,并激發(fā)學生的學習興趣,建立成就感,顯著提升教學效果。
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基金項目:
廣西高等教育本科教學改革工程項目 項目編號:2018JGA169