В. Д. Бертяев, Л. А. Булатов, В. В. Глаголев, В. И. Латышев, А. Г. Митяев. ЭВМ в курсе теоретической
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
В. Д. Бертяев, Л. А. Булатов, В. В. Глаголев, В. И. Латышев, А. Г. Митяев
ЭВМ в курсе теоретической механики
Применение вычислительной техники в учебном процессе
Учебное пособие
Рекомендовано Учебно-методическим объединением ВУЗов по университетскому
политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений обучающихся по машиностроительным специальностям
Издательство ТулГУ, 2005
УДК 534.1 + 538.56
ЭВМ в курсе теоретическоймеханики(Применение вычислительной техники вучебном процессе): Учебное пособие / В. Д. Бертяев, А. Л. Булатов, В. В. Глаголев, В. И. Латышев, А.Г. Митяев; Тул. гос. ун-т, – Тула, 2005. – 236 с.
ISBN – 5 – 7679 – 0079 – 5
Описаны контрольно-обучающие программыпо статике икинематике: назначение, состав методическогообеспечения, особенности работы с программами. Рассмотреныперспективы применения современных математическихсредна примере пакета Mathcad при изучении теоретическоймеханики. Приведена информация о системедистанционного обучения ТулГУ, описанучебно-методический комплекс по теоретическоймеханике, рассмотрены возможные технологиии имеющийся опыт использования комплекса вучебном процессе.
РекомендованоУчебно-методическим объединением ВУЗов поуниверситетскому политехническому образованию в качествеучебного пособия для студентов высших учебных заведенийобучающихся по машиностроительным специальностям.
Ил.: 158. Табл.: 3. Библиогр.: 9
Печатается по решениюбиблиотечно – издательского совета Тульского государственного университета
Рецензенты: Заведующий кафедройтеоретическоймеханики МГТУ им. Н.Э. Баумана В.В. Дубинин Заведующий кафедройтеоретическоймеханики Липецкого государст-
венного технического университета О.П. Бузина
ISBN 5 – 7679 – 0079 – 5 |
© |
В. Д. Бертяев, А. Л. Булатов, В. В. Глаголев, |
|
В. И. Латышев, А.Г. Митяев; 2004 |
|
|
|
|
|
© |
Тульский государственный университет, |
|
|
2004 |
ВВЕДЕНИЕ
Теоретическая механика занимает особое место в подготовке инженера. Она является одной из базовых дисциплин современной техники: методы механики находят широкое применение при расчёте различных сооружений, проектировании машин, при изучении движения летательных аппаратов.
Механика является первой из изучаемых будущим инженером дисциплин, в которой методы математики, в том числе вычислительной, находят благодатную почву для применения при решении практически важных задач, а инструментом их реализации служит электронная вычислительная машина.
Заметим также, что успехи в создании электронной вычислительной техники позволили существенно расширить круг задач, решаемых механикой. Однако ЭВМ можно использовать не только как средство доведения до числа сложных задач, но и как инструмент обучения и контроля. Обе эти стороны применения вычислительной техники учитываются кафедрой теоретической механики Тульского государственного университета (ТулГУ) в работе по внедрению ЭВМ в учебный процесс. Во-первых, на кафедре создано и постоянно обновляется программное обеспечение курсовых работ. Во-вторых, важным дополнением учебного процесса являются разработанные на кафедре кон- трольно-обучающие программы-тренажёры (ДОС, локальная сеть) по основным темам статики и кинематики.
Программы-тренажеры можно использовать при проведении практических занятий в дисплейном классе с группой студентов (методическое обеспе-
3
чение программ гарантирует получение каждым студентом индивидуального задания), для проведения контрольных работ, при приеме расчетнографических и курсовых работ, а также при самостоятельной работе студентов.
Перспективными направлениями работы кафедры по внедрению ЭВМ в учебный процесс являются применение сетевых технологий как средства поддержки и контроля самостоятельной работы студентов и использование возможностей современных математических сред.
В главе 1 описаны контрольно-обучающие программы по статике и кинематике: назначение, состав методического обеспечения, особенности работы с программами.
Глава 2 посвящена возможностям и перспективам применения современных математических сред (пакет Mathcad) при изучении теоретической механики.
В главе 2 приведена информация о системе дистанционного обучения ТулГУ, описан учебно-методический комплекс по теоретической механике, рассмотрены возможные технологии и имеющийся опыт использования комплекса в учебном процессе.
Главы 1 и |
3 написаны В. В. Глаголевым и В. И. Латышевым, глава 2 – |
В. Д. Бертяевым |
и Л. А. Булатовым. |
4
ГЛАВА 1. КОНТРОЛЬНО-ОБУЧАЮЩИЕ ПРОГРАММЫ ПО СТАТИКЕ И КИНЕМАТИКЕ
На кафедре разработаны следующие контрольно-обучающие программы:
o Равновесие твёрдого тела под действием плоской системы сил.
o Равновесие системы твёрдых тел под действием плоской системы сил. o Равновесие твёрдого тела под действием пространственной системы сил.
o Определение скоростей точек твёрдого тела при плоском движении (метод МЦС).
o Определение ускорений точек твёрдого тела при плоском движении (метод разложения плоского движения на поступательное движение вместе с полюсом и вращательное движение относительно полюса).
oСложное движение точки (определение характеристик абсолютного движения точки по известным переносному и относительному её движениям).
Контрольно-обучающие программы предназначены для использования
oна практических занятиях в аудитории (в присутствии преподавателя) при отработке навыков решения задач по соответствующей теме;
o при самостоятельной работе студентов (в дисплейном классе кафедры при отсутствии преподавателя или на личной ЭВМ);
o при проведении контрольных работ;
o при защите расчетно-графических и курсовых работ;
oпри приеме зачетов и экзаменов.
Впрограммах реализован один из следующих вариантов взаимодействия с пользователем:
1)диалог в форме «вопрос-ответ»;
2)диалог через посредство меню.
Контрольное задание, которое может содержать одну или несколько задач по данной теме, формируется случайным образом при вызове программы (после ввода пользователем учетных данных). Методическое обеспечение про-
5
грамм гарантирует получение каждым студентом индивидуального задания. На экран выводятся:
o условие задачи;
o схема конструкции или механизма;
oчисловые значения исходных данных (выбираются случайным образом из заданного интервала значений для каждой величины при формировании за-
дания, но могут и отсутствовать).
Если задание включает несколько задач, то они выводятся на экран в определенном программой порядке: данная задача становится доступной после решения предшествующей ей задачи.
Отличительной особенностью контрольно-обучающих программ является тотальный и, в то же время, ненавязчивый контроль работы студента: программа либо ведёт обучающегося по алгоритму, либо предоставляет ему определённую свободу при решении задачи. Последнее достигается с помощью различного рода меню, элементами которого являются отдельные этапы алгоритма.
Программы обеспечивают обучающегося всем необходимым для решения задачи: студент может строить расчетные схемы, составлять необходимые уравнения и проводить вычисления.
Предназначенные в основном для контроля знаний, программы содержат также и элементы обучения (в частности, алгоритму решения задач), так как в ходе работы они проверяют и оценивают все действия студента по решению задачи, постоянно информируя его об этом.
Ниже приводится краткое описание программ (подробнее см. [6]).
6
1.1 КОНТРОЛЬНО-ОБУЧАЮЩИЕ ПРОГРАММЫ ПО СТАТИКЕ
1.1.1. ПРОГРАММА «РАВНОВЕСИЕ ТВЁРДОГО ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПЛОСКОЙ СИСТЕМЫ СИЛ»
Программа содержит набор задач четырех типов:
Задача 1. Определение проекций силы на оси координат и ее алгебраического момента относительно точки.
Задача 2. Равновесие ломаного бруса при защемлении одного конца.
Задача 3. Равновесие ломаного бруса при его опирании на подвижный и неподвижный цилиндрические шарниры.
Задача 4. Равновесие ломаного бруса или рамы при шарнирном опирании или при защемлении (усложненный случай).
В наборе содержится по 60 задач каждого типа. Нагрузки – сосредоточенные и распределенные силы, а также пары сил.
Переместите курсор на соответствующее данной связи представление реакции и нажмите клавишу Enter
Курсор 
Поле вопросов и ответов
Рис. 1.1
Программа имеет два режима: режим обучения и режим контроля. Выбор режима работы осуществляется после запуска программы. Взаимодействие
7
с пользователем реализовано в форме «вопрос-ответ». При решении задачи 1 студент отвечает на три вопроса:
1)спроектируйте силу на ось X;
2)спроектируйте силу на ось Y;
3)определите момент силы относительно точки A.
При решении задач 2 — 4 студент строит расчетные схемы и составляет уравнения равновесия. В этих задачах он отвечает на пять или шесть вопросов, связанных с изображением на расчетной схеме реакций связей, заменой распределенной нагрузки равнодействующей силой и составлением уравнений равновесия. Расстановка реакций связей и замена распределенной нагрузки равнодействующей силой осуществляется с помощью специальных меню
(рис. 1.1; 1.2).
Расставлены реакции опор. Распределенная нагрузка заменяется сосредоточенной силой.
Рис. 1.2
В режиме обучения программа контролирует действия студента по решению задач, не оценивая их в баллах. При контроле составляемых уравнений выдаются сообщения об ошибках с указанием слагаемых, в которых они допущены. Количество попыток составления уравнений равновесия не ограничено.
8
Следующий вопрос предлагается студенту только в случае правильного ответа на предыдущий.
«Сборка» уравнений равновесия осуществляется с помощью меню силовых и геометрических параметров (рис. 1.3), элементами которого являются активные силы и реакции связей, размеры конструкции, тригонометрические функции заданных углов, знаки арифметических действий и т. п. Порядок сборки уравнений равновесия не влияет на результат контроля.
При работе в режиме обучения имеется возможность вызвать для решения задачу любого типа.
Идет сборка уравнения проекций сил на ось x
Меню силовых и геометрических параметров
Рис. 1.3
В режиме контроля действия студента оцениваются в баллах. Контрольное задание содержит четыре задачи (по одной задаче каждого типа). Максимальная оценка за контрольную работу – 100 баллов. Информация о набранных баллах сообщается студенту по окончании решения каждой задачи.
9
1.1.2. ПРОГРАММА «РАВНОВЕСИЕ СОВОКУПНОСТИ ТВЁРДЫХ ТЕЛ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПЛОСКОЙ СИСТЕМЫ СИЛ»
Программа содержит 60 схем конструкций, состоящих из двух тел. Каждая конструкция нагружена сосредоточенной силой, парой сил и распределенной нагрузкой (треугольной или постоянной интенсивности). В качестве связей использованы цилиндрический шарнир, жесткая и скользящая заделки, невесомый стержень и шарнирно-подвижная опора.
Студент, располагая схемой конструкции, нагрузками и геометрическими параметрами (рис. 1.4), строит необходимые расчетные схемы и составляет уравнения равновесия. Программа для заданных числовых значений исходных параметров решает систему уравнений равновесия и сообщает результат студенту для анализа.
Схема конструкции
Рабочее поле |
|
Основное меню |
|
|
|
Рис. 1.4
10