Применение программного обеспечения при преподавании теоретической механики



Курс теоретической механики является одним из основных профессиональных курсов в программе подготовки специалистов с высшим инженерно-техническим образованием. Начиная с 2021–2022 учебного года, мы обновили некоторые задания самостоятельных работ по теоретической механике, при выполнении которых помимо графических и аналитических методов студент использует программное обеспечение, и, сравнивая результаты своего расчета, самостоятельно может выявить и исправить ошибки без участия преподавателя. Обучающее программное обеспечение «GIM: Кинематический анализ механизмов», разработанное исследователями и преподавателями кафедры машиностроения Университета Страны Басков, Испания, имеет широкую возможность для выполнения расчетных работ и самостоятельных заданий по некоторым темам статики.

Ключевые слова: электронное обучение, расчет плоских ферм, равновесие конструкции.

Благодарность

The authors wish to acknowledge Alfonso Hernández, CompMech, Department of Mechanical Engineering, UPVEHU for the permission to use the GIM® software (www.ehu.es/compmech).

Введение

В современную эпоху глобализации и интенсивного развития информационных технологий необходимо внедрять инновации в университетах. Согласно исследованиям, проведенным организацией экономического сотрудничества и развития, интенсивно внедряются такие инновационные методы, проведение индивидуального обучения, совершенствование оценки знаний, использование новых методов преподавания, а также открытый доступ к учебным материалам. Сегодня аудитории и лаборатории ведущих университетов мира превращаются в гнездо инноваций, а университеты считаются главным двигателем инноваций. Раньше университеты концентрировались на создании новых идей, знаний, теорий и методов, но сегодня они больше сосредоточены на поиске способов их реализации [1].

Электронное образовательное программное обеспечение играет очень важную роль в процессе обучения, вызывает интерес и стимул у учащихся, повышает желание учиться, также влияет на развитие навыков мышления и совершенствование творческих способностей. Используя электронные средства обучения и программное обеспечение, студенты могут учиться самостоятельно в любое время, независимо от времени и расположения, повторять лабораторные эксперименты, которые не были выполнены в классе, максимальное количество раз, а также решать задачи как отдельно, так и вместе с другими.

Можно назвать некоторые инновационные идеи использования технологий для поддержки обучения, такие как создание и использование образовательных игр и онлайн-лабораторий, использование преимуществ технологий для совместной работы над проектом, непосредственная оценка обучения и результатов обучения, а также разработка и реализация программ обучения навыкам [1].

Применение программного обеспечения при преподавании теоретической механики

В условиях резкого сокращения числа аудиторных часов ведущие лекторы вынуждены искать пути оптимизации процесса обучения теоретической механике, поскольку даже при очном обучении студент существенную часть времени занят самостоятельной работой. Такое положение вещей обусловливает потребность в поиске и создании эффективных средств дистанционного обучения, направленных на организацию самостоятельной работы студентов, усвоение знаний по изучаемым дисциплинам и формирование способностей применить эти знания в будущей профессиональной деятельности. Именно поэтому применение технологий и средств дистанционного обучения в образовательном процессе высших технических учебных заведений находит своё отражение не только в работах исследователей, но и в практической деятельности вузов [2].

Решая задачи по теоретической механике, студенты проводят многочисленные расчеты, и поскольку результат следующего расчета зависит от предыдущего, при ошибке одной величины приходится заново все начинать . Преподаватель в свою очередь посвящает немало времени при проверке самостоятельных работ студентов. В этой связи для повышения мотивации студентов к процессу изучения дисциплины и облегчения решения задач мы начали использовать различные программы, такие как GIM, Mathcad, Maple, Microsoft Excel для решения задач по теоретической механике. Автор отмечает, что при использовании различных программных обеспечений у студентов повышается интерес, мотивация к процессу изучения данной дисциплины. Студенты, работая в команде, изучают вопрос комплексно и решают их в различных вариантах. Использование различных программ при проведении занятий дает возможность сэкономить время на математические вычисления [3].

Использование обучающей программы «GIM: Кинематический анализ механизмов» на занятиях теоретической механики

Учебное программное обеспечение «GIM: Кинематический анализ механизмов» было разработано исследователями и преподавателями кафедры машиностроения Университета Страны Басков, Испания.

Нами была исследована возможность использования данного программного обеспечения не только при решении задач или для выполнения самостоятельных работ, но и в электронных лабораторных работах по некоторым темам статики при изучении теоретической механики.

1. Расчет реакций опор плоской конструкции

При расчете реакций опор плоской фермы использовали теорему о равновесии трех непараллельных сил, условия равновесия плоской системы произвольно расположенных сил и программу GIM, результаты которых представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета определения реакций опор плоской из фермы

№	Методы расчета	Реакция опоры, кН
		Х А	Y А	R А	R B
1.	Теорема о равновесии для трех непараллельных сил	-	-	15.29	11.56
2.	Равновесие плоской системы произвольно расположенных сил	10	11.56	15.29	11.56
3.	Использование программы GIM	10	11.55	15.28	11.55

Рис. 1. Учебная программа «GIM: Кинематический анализ механизмов» и схема расчета реакции опор плоской фермы

2. Расчет плоской фермы

Усилия в стержнях фермы определяют методом вырезания узла. При использовании данного метода проводится множество математических вычислений и в некоторых случаях требуют геометрические решения. Студенты часто допускают ошибки при выполнении этого задания, поэтому использование программного обеспечения позволит им проверить результаты своих расчетов и исправить ошибки.

По результатам расчета мы выбрали следующие 3 стержня, находящиеся в разных нагрузках. На рисунке 2 видно, что 4-й стержень является нулевым, 6-й находится в растяжении, и вектор усилия направляется от узла, а поскольку 10-й стержень находится при сжатии, вектор его усилия направляется, наоборот, к узлу.

Рис. 2. Расчет плоских ферм. Определение усилий в стержнях фермы методом вырезания узла и использованием программы

3. Равновесие составных конструкций

При выполнении этой задачи сложную конструкцию разбирают на две части и для каждой составляют по три уравнения равновесия. Решая систему уравнений равновесия с 6 неизвестными, определяют реакции опор А, В и шарнира С. Поскольку одно неизвестное рассчитывается в зависимости от других, в случае ошибки дальнейшие результаты расчета будут также не верными. Но при использовании программного обеспечения студенты потратив 2–3 минуты на рисование конструкции и приложение нагрузки, тут же получают ответы на экране.

Рис. 3. Схема расчета реакции опоры композитной конструкции с использованием условий равновесия обобщенной плоской системы сил

Кроме того, при заданной внешней нагрузке составной конструкции можно легко оптимизировать выгодную конфигурацию для минимальной величины реакции опор, изменяя только их вид и расположение.

С помощью данной программы, помимо упомянутых выше задач, также можно решить задачи и проводить электронные лабораторные работы по следующим темам, таким как «Связи, виды связей, их реакции», «Проекция силы на ось» и другим, и использовать в обучении.

Также электронные материалы могут быть подготовлены и использованы для обучения по теме кинематики «Плоское движение твердого тела». Мы продолжаем изучать возможности данной программы в преподавании других дисциплин технической механики.

Выводы

— Образовательное программное обеспечение «GIM: Кинематический анализ механизмов» имеет широкий спектр применения в обучении дисциплин по технической механике.

— Наблюдались у студентов повышение активности, интереса к процессу обучения, также умение работать в команде.

— В дальнейшем необходимо изучать и сравнивать другие программные обеспечения, разрабатывать электронные материалы для использовать их в обучении.

Литература:

1. «Высшее образование и инновации. Изменения в политике высшего образования», Серия № 6, 2018.
2. О. А. Хохлова, Е. В. Пономарева, А. В. Хохлов «Использование компьютерной программы для обучения кинематике студентов строительных вузов» Научные труды КубГТУ, № 13, 2015.
3. Дорж, Оюунчимэг. Некоторые возможности применения Microsoft Excel при решении задач по теоретической механике / Оюунчимэг Дорж. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 18 (465). — С. 234–238. — URL: https://moluch.ru/archive/465/102248/ (дата обращения: 10.05.2024)
4. Д. Оюунчимэг, Б. Должинсурэн «Теоретическая механика 1», Улан-Батор, 2024.
5. Петуя, В.; Мачо, Э.; Альтузарра, О.; Пинто К. и Эрнандес А. «Образовательное программное обеспечение для кинематического анализа механизмов». Комп. Прил. англ. Образование. Впервые опубликовано в Интернете: 24 февраля 2011 г. DOI: 10.1002 cae.20532. ISSN: 1061–3773