Номер
УДК 004.4

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОННОГО КУРСА ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ

Истратова Е.Е., кандидат технических наук
Ласточкин П.В., начальник отдела технического обеспечения
Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств

 

Аннотация. В статье рассматривается опыт создания электронного курса по дисциплине «Теоретическая механика» для использования в образовательном процессе Новосибирского государственного университета архитектуры, дизайна и искусств. Отличительной особенностью курса является наличие комплекса виртуальных лабораторных работ, представляющего собой программное приложение. Авторская разработка, визуализирующая процесс решения практических задач и позволяющая выполнить расчет реакций опор балки, написана на языке программирования C#. Интерактивные практики позволяют смоделировать нужную ситуацию даже в том случае, если ее не воспроизвести в реальных условиях. Разработанный программный продукт представляет собой интерактивный мультимедийный курс, элементы которого объединяют в себе проработанный методический аппарат, результаты математического моделирования и удобный пользовательский интерфейс.

 

Ключевые слова: электронное обучение, виртуальные лабораторные работы, разработка электронного курса.

 


     Электронное обучение и такие его основные элементы, как электронные образовательные ресурсы и интерактивные обучающие программы, на сегодняшний день стали неотъемлемой частью современного образовательного процесса. Доказано, что при соблюдении баланса применения классических и инновационных методов, включающих использование образовательных информационных технологий, у обучающихся наблюдается повышение мотивации к процессу изучения дисциплины, а также происходит развитие проектных и исследовательских навыков. В связи с этим для интенсификации изучения технических дисциплин было предложено разработать электронный курс, включающий помимо теоретической базы также и комплекс виртуальных лабораторных работ.
      Целью разработки электронного курса стала визуализация решения практических задач на определение реакций опор балки. Готовый программный продукт предназначен для использования в учебном процессе Новосибирского государственного университета архитектуры, дизайна и искусств по дисциплине «Теоретическая механика».
Одним из наиболее распространенных типов задач по дисциплине «Теоретическая механика» являются задачи на определение реакций связей тел и систем тел. Это связано с тем, что данный тип задач наиболее ярко и точно иллюстрирует основные теоремы и принципы статики. Суть решения подобных задач сводится к определению неизвестных опорных реакций твердого тела на основе решения составленных уравнений равновесия системы заданных сил и реакций связей.
     Алгоритм решения задач на определение реакций связей включает следующие шаги:
    1) изображение силовой схемы;
    2) составление уравнений равновесия;
    3) расчет неизвестных величин.
     Таким образом, для любой типовой задачи метод решения будет заключаться в изображении схемы конструкции с заданными внешними силами и опорами, дальнейшем построении силовой схемы, для чего равномерно распределенная нагрузка должна быть заменена равнодействующей силой, при необходимости наклонные силы должны быть разложены на горизонтальные и вертикальные составляющие без изменения точек их приложения. Затем, согласно принципу освобождаемости от связей, вместо отброшенных опор изображаются замещающие их реакции (силы). Для плоской системы сил, приложенных к балке, составляются три уравнения равновесия:

Рис.1

     В рассматриваемых в рамках дисциплины конструкциях количество неизвестных реакций связей равно числу уравнений равновесия (статически определимая задача). Поэтому, решая совместно три уравнения равновесия (1) (с тремя неизвестными), можно определить все три искомые реакции связей.
      Для контроля правильности составления трех уравнений равновесия и выполнения вычислений дополнительно записывается уравнение моментов всех сил относительно нового центра моментов. Если в результате вычислений данное уравнение обратится в тождество, то выполненная таким образом проверка подтвердит правильность решения задачи [1].
    Для создания виртуальных лабораторных работ была выбрана типовая схема (рис. 1), включающая горизонтальную балку, опирающуюся на две шарнирно-подвижные опоры, на которую действует нагрузка, представленная силой F. В качестве основного задания необходимо определить реакции опор, в зависимости от точки приложения нагрузки (силы). В зависимости от места расположения нагрузки реакции опор можно рассчитать различным образом.

Рис.2

Рис. 1. Исходная схема


     Программное приложение для выполнения виртуальных лабораторных работ, созданное при помощи языка программирования C#, предназначено для использования в учебном процессе по дисциплине «Теоретическая механика» и может применяться для иллюстрации алгоритма решения практических задач на определение реакций опор балки.
      При создании комплекса лабораторных работ была предусмотрена реализация следующих этапов разработки:
  1) проектирование (определение задач, исходных данных, неизвестных величин и ограничений, разработка алгоритма работы программы);
    2) кодирование (создание программного кода);
    3) тестирование и отладка готовой программы.
     В программном продукте предполагается реализация следующих задач:
    1) выбор точки приложения нагрузки (силы);
    2) ввод исходных геометрических параметров балки и величины нагрузки;
    3) проведение расчетов опорных реакций балки.
    В качестве исходных данных в поля формы вводятся геометрические размеры согласно схеме конструкции, а также величины нагрузки. Неизвестными величинами, которые требуется найти в ходе расчетов, являются реакции опор.
     К основным применяемым ограничениям относятся:
    1) в текстовые поля (элементы TextBox) возможно вводить только числовые значения и BackSpace;
   2) отсутствие возможности перехода к следующему этапу без ввода значений в текстовые поля (элементы TextBox).
     Алгоритм работы разработанного ИТ-решения приведен на рис. 2.
    Для удобства работы с программным продуктом рабочая область (рис. 3) была визуально разделена на две части. Верхняя часть содержит графические элементы (схему и действующую нагрузку), размещенные в PictureBox. Нижняя часть формы содержит элемент TabControl, разделяющий процесс работы со схемой (вкладка «Схема») и непосредственный ввод исходных данных и их расчет (вкладка «Расчет»).

Рис.3

Рис. 2. Алгоритм работы с программой

 

Рис.4

Рис. 3. Рабочее окно программы

 

     При выборе точки приложения нагрузки (силы F) и нажатии на кнопку «Выбрать» в рабочем окне программы происходят два изменения. Во-первых, графический объект с нагрузкой F перемещается в выбранную точку приложения силы. Во-вторых, происходит переход на следующую вкладку для ввода исходных данных (рис. 4).

Рис. 5

Рис. 4. Ввод исходных данных и расчет

 

      После ввода исходных данных (геометрические размеры и величина нагрузки) и нажатия на кнопку «Рассчитать» программа на основании выбранной точки приложения силы осуществляет расчет реакций опор балки по уравнениям. Результаты расчетов (рис. 5) выводятся в отдельном окне (MessageBox).

Рис. 6

Рис. 5. Вывод результатов расчетов

 

     Разработанный программный продукт представляет собой интерактивный мультимедийный курс, элементы которого объединяют в себе проработанный методический аппарат, результаты математического моделирования и удобный пользовательский интерфейс. Отличительной особенностью интерактивных практик, представленных в рамках электронного курса, является возможность смоделировать нужную ситуацию даже в том случае, если ее не воспроизвести в реальных условиях.
     Каждая виртуальная лабораторная работа в интерактивном практикуме включает такие следующие обязательные блоки:
    1) название и цель работы;
    2) теоретический материал по теме работы;
    3) описание виртуальной модели, на основе которой создана работа;
    4) пошаговое руководство по выполнению работы;
    5) таблицы для внесения результатов работы;
    6) вопросы для самопроверки.
       Помимо этого, каждая виртуальная лабораторная работа включает методические материалы в формате pdf, что удобно как для просмотра на экране, так и для распечатки и применения в качестве раздаточного материала.
       Организационно работа с комплексом виртуальных лабораторных работ включает в себя три основных этапа:
    1. Проведение экспериментальных измерений.
    2. Ввод данных в программное приложение.
    3. Анализ полученных результатов.
      Таким образом, применение виртуального методического обеспечения в образовательном процессе способствует развитию творческого мышления, повышению мотивации к изучению дисциплины и формированию проектного мышления.

 

Библиографический список

    1. Шутов В.А., Миренков В.Е. Строительная механика: учеб. пособие. Ч. 1. Теоретическая механика. – Новосиб. гос. архит.-худ. акад. – Новосибирск, 2014. – 112 с.

 


THE SOFTWARE APPLICATION FOR THE ELECTRONIC COURSE DEVELOPMENT IN THEORETICAL MECHANICS

Istratova E.E., Candidate of Technical Sciences
Lastochkin P.V., Head of Technical Support Department
Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts

 

Abstract. The article presents the experience of the electronic course creating on the discipline «Theoretical Mechanics» for use in the educational process of the Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts. The distinctive feature of the course is the availability of a set of virtual laboratory works, which is a software application. Author's development, which visualizes the process of solving practical problems and allows to calculate the reactions of the beam supports, is written in the C# programming language. Interactive practice allows to simulate the desired situation, even if it is not reproduced in real conditions. The developed software product is the interactive multimedia course, the elements of which combine a well-developed methodical apparatus, results of mathematical modeling and convenient user interface.

Keywords: e-learning, virtual laboratory work, e-course development.