結合SKETCH UP的《理論力學》教學方法探討

朱嘉

摘要：《理論力學》是土木工程及機械類專業的基礎必修課，其中有關三維空間的內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。此時的學生已經完成了《高等數學》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。經過多屆教學經歷與學生反饋，《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，以數字圖形學的形式創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。根據授課要求，選擇三維輔助教學軟件的依據為：（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。基于其專業性與易操作性，教學老師可以在課堂上布置基于SU的剛體受力分析作業，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。在作業類型上，可結合空間力系、空間約束、空間運動學的內容，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，建立牽連運動為定軸轉動的點運動軌跡——通過作業與SU結合的方式，為學生提供一個學以致用的任務環境。

3.結論

作為土木工程、機械類專業的專業基礎課的《理論力學》課程，部分章節對空間想象力有很高要求，傳統的“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。現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，并激發學生的學習興趣，建立成就感，顯著提升教學效果。

參考文獻

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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