冉俊霞 葛大勇 代秀紅 肖成林

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

1 引言

力學(xué)(mechanics)主要研究的是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從宇宙到原子都隱含著力學(xué)現(xiàn)象[1]．學(xué)好力學(xué)對(duì)物理專業(yè)的大學(xué)生而言是非常有意義的．目前課堂教學(xué)模式是一章一章、一節(jié)一節(jié)板書式的教學(xué)模式,“老師講、學(xué)生聽、越講越細(xì)、越講越深”的學(xué)習(xí)思路,學(xué)生不能事先掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容,學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性得不到充分發(fā)揮,創(chuàng)造能力的培養(yǎng)受到限制[2]．而多媒體課件的出現(xiàn)恰恰彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂的缺點(diǎn)．但是，由于力學(xué)中很多概念抽象難懂，規(guī)律眾多，而幫助教師教、學(xué)生理解的素材很少，使學(xué)生理解和記憶起來非常困難，致使力學(xué)教學(xué)存在“難學(xué)難教”的現(xiàn)象．即使人們做了一些素材，但是由于素材簡(jiǎn)單、不能做到參數(shù)可調(diào)，過程可控，或者只能在電腦上運(yùn)行，大大限制了其應(yīng)用，不能滿足實(shí)際需要，因此，本文致力于建立跨平臺(tái)力學(xué)積件庫，積件庫著眼于學(xué)生難以理解的重點(diǎn)難點(diǎn)、規(guī)律等內(nèi)容，提供過程可控、參數(shù)可調(diào)的多方位積件庫，并提供快速檢索查詢功能，方便教師和學(xué)生快速找到相關(guān)積件．

本素材庫以HBuilder軟件為開發(fā)平臺(tái)，以Flash軟件作為輔助工具，結(jié)合SVG (Scalable Vector Graphics) 可伸縮矢量圖形和精靈圖技術(shù)，將矢量圖技術(shù)應(yīng)用于 HTML5中，使制作的素材庫畫面清晰、動(dòng)畫逼真．該積件庫和Flash積件庫相比，最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其跨平臺(tái)性，該積件庫不需要安裝任何插件，可在不同終端進(jìn)行操作、演示，兼容PC端與移動(dòng)端、Windows與Linux及安卓與IOS[3]．學(xué)生可在不同的設(shè)備上進(jìn)行在線預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，甚至進(jìn)行在線仿真學(xué)習(xí)．它還可以輕易地移植到各種不同的開放平臺(tái)(比如可以放到blackboard應(yīng)用平臺(tái))上供學(xué)生學(xué)習(xí)．隨著移動(dòng)通訊的發(fā)展，跨平臺(tái)積件庫成為適應(yīng)未來素材庫發(fā)展的新趨勢(shì)．

本素材庫包含宇宙演化、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、碰撞、角動(dòng)量、萬有引力、剛體、彈性體、振動(dòng)、波動(dòng)、流體力學(xué)等11個(gè)章節(jié)，如圖1所示．每個(gè)章節(jié)又包含多個(gè)重點(diǎn)積件，每個(gè)積件都可用于課堂教學(xué)，還可用于學(xué)生單獨(dú)理解力學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容．積件庫的首頁面如圖2所示，首頁面左側(cè)有各個(gè)章節(jié)的索引，上面有搜索框可以直接輸入搜索相關(guān)內(nèi)容．下面重點(diǎn)介紹幾個(gè)積件的建設(shè)情況．

圖1 力學(xué)積件庫結(jié)構(gòu)圖

圖2 力學(xué)積件庫首頁面

2 積件庫建設(shè)

2.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)

運(yùn)動(dòng)學(xué)是以運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，研究物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律．重點(diǎn)內(nèi)容是拋體運(yùn)動(dòng)的分解過程，以及位移、速度、加速度的區(qū)別和聯(lián)系．因此，其難點(diǎn)是如何讓學(xué)生更直觀地掌握拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律．比如最常見的平拋運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)方法是教師需要粉筆等教具，直接在教室進(jìn)行演示．但是這樣效果并不直接，演示過程中學(xué)生們并不能看到直接的數(shù)據(jù)，因此對(duì)規(guī)律的掌握和理解只是一個(gè)定性的印象，只能讓學(xué)生被動(dòng)地接受.為此，我們開發(fā)了關(guān)于各種拋體運(yùn)動(dòng)的虛擬仿真積件，再演示起來給學(xué)生印象深刻．

圖3所示是斜拋運(yùn)動(dòng)積件的界面，教師在課堂可以隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)或電腦上演示．通過上面的參數(shù)輸入框輸入初速度、角度等參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)．在本章，共制作了3個(gè)積件素材，將伽利略變換、拋體運(yùn)動(dòng)和位移、速度、加速度規(guī)律進(jìn)行了虛擬仿真．由于本素材庫的跨平臺(tái)性，學(xué)生也可以在自己的電腦和手機(jī)上進(jìn)行演示．

圖3 拋體運(yùn)動(dòng)積件的界面

2.2 牛頓運(yùn)動(dòng)定律

阿特伍德機(jī)、回旋加速器等的教學(xué)中，觀測(cè)和演示都需要專用的設(shè)備，但是這些儀器不適用于課堂教學(xué)，其內(nèi)部構(gòu)造也無法展示．本積件庫將力學(xué)相對(duì)性原理、阿特伍德機(jī)、回旋加速器、科里奧利力、慣性離心力等重要的實(shí)驗(yàn)和原理通過編程制作成虛擬仿真的積件庫，學(xué)生可在手機(jī)和電腦上操作實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論．教師還可以在課堂上通過投影儀進(jìn)行演示．比如：圖4中的阿特伍德機(jī)和圖5中的回旋加速器仿真實(shí)驗(yàn)．教師和學(xué)生都可以通過觀看動(dòng)畫演示，觀察了解裝置的結(jié)構(gòu)和原理，直觀明了．

圖4 阿特伍德機(jī)積件的界面

圖5 回旋加速器積件的界面

2.3 碰撞

碰撞雖然是一種比較常見的現(xiàn)象，但是碰撞接觸的瞬間人眼無法察覺，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了困擾．本積件庫根據(jù)學(xué)生難以理解的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，制作了幾個(gè)虛擬仿真素材，其中包括伽利略論證擺、對(duì)心碰撞、查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)、球的非對(duì)心碰撞等．如圖6所示，將球的非對(duì)心碰撞通過圖例、推導(dǎo)、特例展現(xiàn)出來，將抽象變?yōu)樾蜗螅?/p>

圖6 球的非對(duì)心碰撞積件的界面

2.4 萬有引力

萬有引力這一章節(jié)包含了開普勒定律、地球自轉(zhuǎn)對(duì)重量的影響、宇宙速度、萬有引力定律、卡文迪什實(shí)驗(yàn)，將各種定律儀器模型通過動(dòng)畫的形式展現(xiàn)出來，圖7所示為不同宇宙速度的物體運(yùn)動(dòng)軌跡演示．

圖7 不同宇宙速度的演示

2.5 剛體

剛體是指在運(yùn)動(dòng)中和受力作用后,形狀和大小不變,而且內(nèi)部各點(diǎn)的相對(duì)位置不變的物體．剛體是力學(xué)中繼理想模型質(zhì)點(diǎn)之后，又一個(gè)理想模型，剛體的概念對(duì)于學(xué)生而言仍很晦澀難懂，涉及到剛體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候依然不知道從何下手．

本章節(jié)從剛體的平動(dòng)、繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能定理、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量幾部分介紹了剛體有關(guān)的運(yùn)動(dòng)．這樣的虛擬仿真積件庫可以隨時(shí)在課堂進(jìn)行演示，還可以將不可見的過程變?yōu)榭梢?，如圖8所示，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定理可以將驗(yàn)證定理的過程通過動(dòng)畫的形式演示出來，讓學(xué)生一目了然，并從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)規(guī)律，比較自然地得出剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定理．

圖8 剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定理積件的界面

2.6 振動(dòng)

振動(dòng)的形式多種多樣，有阻尼振動(dòng)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)，等等．如圖9所示，可以通過動(dòng)畫演示振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線．上課時(shí)教師可以將這些動(dòng)畫實(shí)例演示給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．學(xué)生也可以直接在網(wǎng)上學(xué)習(xí)，了解振動(dòng)的形式及原理，加深對(duì)振動(dòng)的理解．

圖9 不同形式下的正弦曲線積件的界面

3 結(jié)束語

本積件庫操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)菜單選擇每個(gè)積件項(xiàng)目，還可通過模糊查詢查找需要的積件．

由于在HTML5中使用了SVG矢量圖技術(shù)，整個(gè)課件畫面清新典雅，放大后不會(huì)失真．由于本積件庫的跨平臺(tái)性，學(xué)生可通過手機(jī)、iPad，平板或電腦使用本積件庫，教師可以更加快速、方便地指導(dǎo)學(xué)生．學(xué)生也可通過本積件庫進(jìn)行預(yù)習(xí)、自學(xué)．