冉俊霞 葛大勇 代秀紅 肖成林

(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)

1 引言

力學(mechanics)主要研究的是機械運動，從宇宙到原子都隱含著力學現(xiàn)象[1]．學好力學對物理專業(yè)的大學生而言是非常有意義的．目前課堂教學模式是一章一章、一節(jié)一節(jié)板書式的教學模式,“老師講、學生聽、越講越細、越講越深”的學習思路,學生不能事先掌握學習內(nèi)容,學習主動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)恰恰彌補了傳統(tǒng)課堂的缺點．但是，由于力學中很多概念抽象難懂，規(guī)律眾多，而幫助教師教、學生理解的素材很少，使學生理解和記憶起來非常困難，致使力學教學存在“難學難教”的現(xiàn)象．即使人們做了一些素材，但是由于素材簡單、不能做到參數(shù)可調(diào)，過程可控，或者只能在電腦上運行，大大限制了其應用，不能滿足實際需要，因此，本文致力于建立跨平臺力學積件庫，積件庫著眼于學生難以理解的重點難點、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，方便教師和學生快速找到相關(guān)積件．

本素材庫以HBuilder軟件為開發(fā)平臺，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)應用于 HTML5中，使制作的素材庫畫面清晰、動畫逼真．該積件庫和Flash積件庫相比，最顯著的優(yōu)勢在于其跨平臺性，該積件庫不需要安裝任何插件，可在不同終端進行操作、演示，兼容PC端與移動端、Windows與Linux及安卓與IOS[3]．學生可在不同的設備上進行在線預習、復習，甚至進行在線仿真學習．它還可以輕易地移植到各種不同的開放平臺(比如可以放到blackboard應用平臺)上供學生學習．隨著移動通訊的發(fā)展，跨平臺積件庫成為適應未來素材庫發(fā)展的新趨勢．

本素材庫包含宇宙演化、質(zhì)點運動學、牛頓運動定律、碰撞、角動量、萬有引力、剛體、彈性體、振動、波動、流體力學等11個章節(jié)，如圖1所示．每個章節(jié)又包含多個重點積件，每個積件都可用于課堂教學，還可用于學生單獨理解力學中的重點和難點內(nèi)容．積件庫的首頁面如圖2所示，首頁面左側(cè)有各個章節(jié)的索引，上面有搜索框可以直接輸入搜索相關(guān)內(nèi)容．下面重點介紹幾個積件的建設情況．

圖1 力學積件庫結(jié)構(gòu)圖

圖2 力學積件庫首頁面

2 積件庫建設

2.1 質(zhì)點運動學

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

圖3所示是斜拋運動積件的界面，教師在課堂可以隨時通過網(wǎng)絡在手機或電腦上演示．通過上面的參數(shù)輸入框輸入初速度、角度等參數(shù)，進行參數(shù)調(diào)節(jié)．在本章，共制作了3個積件素材，將伽利略變換、拋體運動和位移、速度、加速度規(guī)律進行了虛擬仿真．由于本素材庫的跨平臺性，學生也可以在自己的電腦和手機上進行演示．

圖3 拋體運動積件的界面

2.2 牛頓運動定律

阿特伍德機、回旋加速器等的教學中，觀測和演示都需要專用的設備，但是這些儀器不適用于課堂教學，其內(nèi)部構(gòu)造也無法展示．本積件庫將力學相對性原理、阿特伍德機、回旋加速器、科里奧利力、慣性離心力等重要的實驗和原理通過編程制作成虛擬仿真的積件庫，學生可在手機和電腦上操作實驗，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行演示．比如：圖4中的阿特伍德機和圖5中的回旋加速器仿真實驗．教師和學生都可以通過觀看動畫演示，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，這給學生的學習帶來了困擾．本積件庫根據(jù)學生難以理解的重點難點內(nèi)容，制作了幾個虛擬仿真素材，其中包括伽利略論證擺、對心碰撞、查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實驗、球的非對心碰撞等．如圖6所示，將球的非對心碰撞通過圖例、推導、特例展現(xiàn)出來，將抽象變?yōu)樾蜗螅?/p>

圖6 球的非對心碰撞積件的界面

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)對重量的影響、宇宙速度、萬有引力定律、卡文迪什實驗，將各種定律儀器模型通過動畫的形式展現(xiàn)出來，圖7所示為不同宇宙速度的物體運動軌跡演示．

圖7 不同宇宙速度的演示

2.5 剛體

剛體是指在運動中和受力作用后,形狀和大小不變,而且內(nèi)部各點的相對位置不變的物體．剛體是力學中繼理想模型質(zhì)點之后，又一個理想模型，剛體的概念對于學生而言仍很晦澀難懂，涉及到剛體運動的時候依然不知道從何下手．

本章節(jié)從剛體的平動、繞軸轉(zhuǎn)動、平面運動驗證剛體繞軸轉(zhuǎn)動、定軸轉(zhuǎn)動動能定理、轉(zhuǎn)動慣量的測量幾部分介紹了剛體有關(guān)的運動．這樣的虛擬仿真積件庫可以隨時在課堂進行演示，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)動的轉(zhuǎn)動定理可以將驗證定理的過程通過動畫的形式演示出來，讓學生一目了然，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)動的轉(zhuǎn)動定理．

圖8 剛體定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動定理積件的界面

2.6 振動

振動的形式多種多樣，有阻尼振動、簡諧振動，等等．如圖9所示，可以通過動畫演示振動時的運動軌跡曲線．上課時教師可以將這些動畫實例演示給學生，激發(fā)學生學習興趣．學生也可以直接在網(wǎng)上學習，了解振動的形式及原理，加深對振動的理解．

圖9 不同形式下的正弦曲線積件的界面

3 結(jié)束語

本積件庫操作簡單，可根據(jù)菜單選擇每個積件項目，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)，整個課件畫面清新典雅，放大后不會失真．由于本積件庫的跨平臺性，學生可通過手機、iPad，平板或電腦使用本積件庫，教師可以更加快速、方便地指導學生．學生也可通過本積件庫進行預習、自學．