結(jié)合SKETCH UP的《理論力學(xué)》教學(xué)方法探討

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。課堂授課中無法清晰描述空間位置及運動，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，《理論力學(xué)》一般都在本科二年級階段開設(shè)。此時的學(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)計三維空間問題的受力分析與運動問題為學(xué)生的理解難點。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。基于其專業(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(xué)時左右的學(xué)習(xí)時間，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)，建立牽連運動為定軸轉(zhuǎn)動的點運動軌跡——通過作業(yè)與SU結(jié)合的方式，為學(xué)生提供一個學(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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基金項目：

廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目 項目編號：2018JGA169