ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ
«ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ» В КУРСЕ
«ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ»
В статье представлены некоторые результаты
использования вычислительной техники для углубленного изучения студентами
раздела
«Динамика материальной точки». Приводится
описание программы и пример ее применения при аналитическом и визуальном
анализе движения материальной точки. Применение рассмотренных подходов
способствует повышению качества образовательного процесса и эффективности
подготовки специалистов.
Ключевые слова: информационные технологии в
образовании, теоретическая механика, динамика материальной точки, анимация
In this article some results of use of computer facilities
for profound studying by students of the section "Dynamics of a Material Point"
are presented. The description of the program and an example of its application
is given in the analytical and visual analysis of the movement of a material
point. Application of the considered approaches helps to improve the quality of
educational process and efficiency of training of specialists.
Keywords: information technologies in education, theoretical
mechanics, dynamics of a material point, animation
Стремление к наглядности и максимальному
раскрытию физической стороны изучаемых явлений вошло в традиции кафедры
теоретической механики МГТУ им. Н.Э. Баумана еще со времен ее основания Н.Е.
Жуковским. Его ученики и последователи создавали модели и приборы, демонстрация
которых существенно обогащала изложение материала. Созданный в 60-х годах
прошлого века и постоянно модернизирующийся комплект приборов по курсу
теоретической механики стал неотъемлемой частью учебного процесса не только в
МГТУ им. Н. Э. Баумана, но и в ряде других отечественных вузов.
Развитие информационных технологий привело к
появлению нескольких направлений, связанных с использованием вычислительной
техники в учебном процессе. В 90-х годах XX в. на кафедре была создана
автоматизированная лаборатория по курсам теоретической механики и теории
колебаний, позволяющая не только
демонстрировать те или иные механические процессы, но и управлять ими, а также
фиксировать их характерные параметры [1].
Еще одно направление заключается в создании анимационной
виртуальной коллекции механизмов, которые встречаются при изучении курса
теоретической механики на практических занятиях, в вариантах курсовых работ,
домашних заданиях [2,3]. В настоящий момент на кафедре разрабатывается комплекс
компьютерного тестирования студентов по различным разделам курса теоретической
механики [4,5].
Другим направлением, о котором пойдет речь в
данной работе, является создание программ, предназначенных для оказания помощи
и углубленного изучения соответствующих разделов курса при выполнении студентом
курсовых расчетно-графических работ. В рамках этого направления в настоящее
время разработано компьютерное учебное пособие по разделу
«Динамика материальной точки».
При выполнении курсовой расчетно-графической
работы по разделу
«Динамика материальной точки» студенты должны
исследовать движение материальной точки. Анализ такого движения подразумевает
как составление дифференциальных уравнений движения точки, так и их последующее
интегрирование с целью определения характера ее движения.
В ряде задач интегрирование дифференциальных
уравнений и получение кинематических характеристик движения принципиальных
трудностей не вызывает и дает возможность провести полный анализ движения
материальной точки. При этом следует отметить, что интегрирование
дифференциальных уравнений часто сопровождается довольно громоздкими
вычислениями, которые приобретают для студентов самостоятельное значение,
отвлекающие их усилия и внимание от задачи анализа движения точки. Часто задачи
динамики материальной точки приводят к необходимости решения нелинейных
дифференциальных уравнений, в большинстве случаев получить такое решение в
аналитической форме не представляется возможным. В этом случае анализ движения
приходится ограничивать получением некоторых частных результатов, которые не
дают полного представления о движении точки.
Применение вычислительной техники для решения
задач динамики материальной точки, в отличие от аналитического решения, дает
возможность полностью определить движение точки в независимости от вида
дифференциальных уравнений ее движения. Использование ЭВМ, избавляя студентов
от расчетных операций в контексте поставленной задачи, позволяет полностью
сосредоточить их внимание на физической стороне вопроса, а также провести
анализ влияния различных параметров механической системы на характеристики
движения материальной точки.
Разработанная на кафедре теоретической
механики программа, содержит весь спектр задач динамики точки, как в
инерциальной, так и в неинерциальной системах отсчета. Программа реализована в
среде «Visual
Fortran» и структурно состоит из отдельных
модулей, отвечающих за расчетную часть каждого варианта, вывод на дисплей
текстовых и графических данных, анимацию. Между собой эти блоки объединены при
помощи программной оболочки, посредством которой пользователь общается с
программой. Данная оболочка позволяет студенту выбрать вариант задачи,
просмотреть решение, провести анализ движения точки в зависимости от изменения
любого из параметров механической системы, получить графические зависимости
всех механических величин системы от координат и времени, а также просмотреть
на дисплее анимацию движения механической системы в реальном масштабе времени.
Общение студента с программой осуществляется при помощи разветвленной системы
меню и диалогов. Пример одной из задач показан на рисунке 1.
Рис.1
Параллельно с графической информацией на экран
в режиме реального
времени выводится анимация движения точки, а
так же текущие значения времени и требуемых характеристик движения (скорость,
координаты, силы).
На рисунке 2 приведены последовательные
стоп-кадры анимации движения точки, взятые через равные промежутки времени.
Рис.2
Анимация движения является одним из самых
мощных средств
визуализации результатов расчета. Движение
точки в режиме реального времени дает наглядное представление о сути задачи и о
влиянии на это движение различных параметров механической системы. Таким
образом, студент имеет возможность получить представление о движении точки и о
влиянии на это движение изменения любого из параметров механической системы.
Работа по созданию и использованию
электронного учебного пособия сочетает в себе следование классическим традициям
инженерного образования и современных информационных технологий, что
способствует повышению наглядности, информативности и доступности изучаемого
материала.
Использованные источники
1. Дубинин В.В., Витушкин В.В.,
Дубровина Г.И. Автоматизация эксперимента в лабораторном комплексе по механике.
Сб. научно- методических статей «Теоретическая механика». Изд-во Московского
университета, 2009, вып. 27, с. 117–136.
2. Дубинин В.В., Пашков А.В.
Виртуальная коллекция механизмов для курса
«Теоретическая механика». Сб. материалов IX
Международной научно- методической конференции «Новые образовательные
технологии в вузе (НОТВ-2012)». Екатеринбург, УрФУ, 2012, с. 183–189.
3. Дубинин В.В., Пашков А.В. Опыт
создания и использования виртуальных моделей механизмов в курсе теоретической
механики. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 12.
URL:
http://engjournal.ru/catalog/pedagogika/hidden/1132.html
4. Обносов К.Б., Паншина А.В. Компьютерное
тестирование студентов по теме
«Плоская статика». Материалы науч. конф.
«Фундаментальные и прикладные задачи механики», посвященной 135-летию кафедры
теоретической механики им. проф. Н.Е. Жуковского (23–25 октября 2013 г.).
Инженерный журнал: наука и инновации, 2014, вып. 1(25). URL:
http://engjournal.ru/articles/1196/1196.pdf
5. Бондаренко Н.И., Обносов К.Б.,
Паншина А.В. Компьютерное тестирование обучающихся в курсе теоретической
механики. Инженерный журнал: наука и инновации, 2014, вып. 12.
URL: http://engjournal.ru/catalog/pedagogika/hidden/1340.html
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.