Опыт использования компьютерных технологий при изучении дисциплин механического цикла

Эффективная многоуровневая подготовка, переподготовка и повышение квалификации инженерных кадров невозможны без повышения их профессиональной и социальной компетентности в области компьютерных технологий, ее эффективного применения в практической деятельности.

С этой целью рабочие программы по ряду механических дисциплин, согласованные с учебными планами, предполагают непрерывное использование мультимедийных технологий при чтении лекций, проведении практических занятий, а также использование стандартных офисных пакетов (Word, Excel, PowerPoint и др.) при выполнении индивидуальных курсовых расчетно-графических заданий.

В последние годы кафедрой теоретической и прикладной механики МГГУ накоплен определенный опыт применения компьютерных технологий в учебном процессе, в том числе при выполнении студентами курсовых заданий и решении прикладных задач по механике, разработке мультимедийных презентаций и их использовании во время конференций, защиты курсовых и дипломных проектов. В качестве программного обеспечения использовались редактор Word для пояснительной записки, электронные таблицы Excel для расчетной части работы, PowerPoint для краткого и эффективного отражения постановки задачи, используемой методики и основных результатов, в том числе в графической форме, а также пакеты Delfi, Qbasic, Pascal, MacroMediaFlesh, C++, Wolfram.com, Mathematica и др.

Такая технология выполнения текущих заданий охватывала следующие разделы теоретической механики [1]:

кинематика поступательного, вращательного и плоскопараллельного движения твердого тела;

кинематические связи. Кинематический анализ простейших плоских шарнирно-рычажных механизмов;

применение  принципа суперпозиции для записи уравнений пространственного движения твердых тел;

геометрические и массовые характеристики твердого тела, определение положения его центра тяжести;

равновесие плоских систем сил, определение реакций опор твердого тела и составных конструкций;

пространственные конструкции и системы сил, определение реакций опор таких конструкции;

динамика материальной точки и интегрирование дифференциальных уравнений ее движения под действием постоянных сил;

применение теоремы об изменении кинетической энергии для изучения движения механической системы;

применение общего уравнения динамики к исследованию движения механической системы с одной степенью свободы.

Отмечена эффективность применения описываемой технологии в других курсах механического цикла, в том числе при кинематическом и динамическом анализе шарнирно–рычажных и иных механизмов, при анализе кинематических связей, определении угловых скоростей и ускорений звеньев в теории механизмов и машин.

Накопленный опыт позволяет рекомендовать его к распространению, акцентируя особое внимание на следующих преимуществах компьютерных технологий выполнения любых типов заданий, в том числе курсовых работ:

• 1)    при решении стандартных задач по общепринятой (классической) технологии (с применением, например, калькулятора) студент использует алгоритм решения один раз путем набора чисел и операций на калькуляторе. В результате получает набор чисел, правильность которых определяет преподаватель. При обнаружении ошибки студент должен повторить набор алгоритма вторично с возможным внесением новой или повторением старой ошибки;

• 2)    при решении задач с использованием ПК студент записывает алгоритм в виде программы, которая остается в памяти ПК. При выявлении ошибки он вносит исправления в сохраненную программу, вероятность внесения новых (или повторение прежних) ошибок уменьшается или полностью исключается;

• 3)    алгоритм, записанный в виде программы, может быть использован для повторных вычислений параметров системы, например при новом ее положении или при изменении нагрузок, а также для родственных задач с измененными исходными данными. Поэтому переход на ПК должен предусматривать не частные, а более общие задачи (с возможностью изменения исходных данных: нагрузок, линейных размеров, углов и пр.). В результате получаем не число, а функции, что позволяет анализировать процессы (не состояния, а изменение состояний). Появляется возможность, не меняя программы, за счет изменения исходных данных (расстояния между

осями шарниров, направления сил, их значения и пр.) анализировать реакцию системы на изменение конструктивных параметров, внешних нагрузок и пр., что углубляет понимание механических процессов и основных законов механики;

• 4)    переход от частных задач в обычной постановке, например, в сборнике курсовых заданий по теоретической механике под редакцией А.А. Яблонского [2], к более общим, ориентированным на применение ПК, вызывает у студентов определенные трудности, так как включает элементы анализа и синтеза: в новой постановке задача должна включать как исходную частную задачу, так и как можно больше родственных по смыслу и структуре задач с единым алгоритмом их решения. Этот факт имеет большое значения для развития инженерного подхода к решению любых задач: для выбора правильного алгоритма решения исходную задачу надо обобщить и конкретизировать по числу исходных параметров, искомых функций, способам проверки правильности результатов;

• 5)    при переходе на новую технологию студент лучше понимает разницу между переменными зависимыми и независимыми, числом степеней свободы и числом внешних параметров системы, более четко различает параметры, вводимые в качестве «исходных данных» и вычисляемые через введенные «исходные данные»;

• 6)    решение на ПК учит анализировать результаты решения (изменение результатов по направлению движения, знаку скоростей и ускорений по отношению к выбранной системе координат, по свойствам производных в зависимости от изменения исходных данных, времени движения и пр.);

• 7)    электронная форма работы обеспечивает практически круглосуточный контакт студента с преподавателем (через E-mail) и необходимую помощь при возникновении различных затруднений;

• 8)    появляется возможность протоколирования хода выполнения работ и замечаний по каждой из них.

Отметим и другие преимущества перехода на компьютерные технологии:

• •  1) для большой части студентов - это начальный этап освоения

современных и перспективных компьютерных технологий (Excel, Word, PowerPoint и графические пакеты). Чем раньше они пройдут этот этап, тем более эффективно они будут использовать ПК в последующем;

• •  2) при обычной методике выполнения курсовых работ (с применением,

например, калькулятора) студент до 70% времени тратит на вычисления, при компьютерной - более 90% уходит на обдумывание алгоритма и написание программы, 5-8% на оформление работы и менее 1% - на вычисления;

• •  3) мощные графические возможности такой технологии позволяют

представлять результаты вычислений в виде различных графиков, что также способствует более глубокому пониманию решаемой задачи, процесса и результатов вычислений;

• •  4) предусматриваемая как в обычной, так и в компьютерной

технологиях проверка позволяет студенту самостоятельно достаточно просто (за счет перехода в исходных данных к анализу самых простых нагружений и видов движения, например одна ориентированная по осям координат сила или прямолинейное движение) выявлять ошибки алгоритма и «опечатки» программы. Это очень важные первые шаги по самопроверке собственных работ. По найденным значениям (числам) перемещений, скоростей, ускорений и пр. в некотором состоянии системы (в фиксированный момент времени, в фиксированном положении и пр.) нельзя обоснованно судить о характере движения системы, их точности. Графики функций перемещений, скоростей, ускорений и пр. на любом интервале времени позволяют судить об их правильности или ошибочности по выполнению, например, непрерывности траекторий, свойств производных, характеру их изменения в простейших случаях нагружения или движения;

• •  5) выполнение работ на ПК повышает интерес студента к освоению

программного обеспечения и изучаемого предмета, решение заданий в значительной степени приближается к игровым технологиям изучения основных понятий и законов механики;

• •  6) более полное освоение практически неограниченных возможностей

компьютерных технологий способствует превращению ПК (для освоивших указанные выше, а затем и более сложные программы, например, для анимации различных движений) в мощный инструмент при решении любых интеллектуальных задач. Это даёт огромный толчок в изучении не только предмета, в частности механики, но и самого компьютера, что не менее, а может быть и более важно;

• •  7) компьютерные технологии помогают «не забывать» основные

разделы математики, в том числе дифференциальное и интегральное исчисление, используемые в механике, являются эффективными носителями современных методов решения задач механики, способствуют объединению практических, научных и образовательных информационных пространств. В центре внимания студента теперь не числа, а алгоритм, функции, их графики, иллюстрирующие процесс, отражающий основные понятия и особенности изучаемой дисциплины (теории). Студенты учатся не считать, а решать инженерные задачи.

Отдельные образцы студенческих работ по различным разделам механики в электронном виде помещены на сайтах allmechanics.narod.ru, mexcaf.narod.ru, mehanixx.narod.ru, tpm-msmu.narod.ru, asp05.ru и др.