（固体力学专业论文）工程力学课程中的若干动态控制研究及其应用.pdf

工程力学课程中的若干动态控捌研究及其应用 攘要 王程力学课程巾豹运动学和动力学郝分理论牲较强，有很多基本豹知识点 如点的速度合成定耀、柯氏加速度、刚体的平面运动等都需要学生有较强的逻 辑撼壤能力靼空闻愿维能力才能学习掌掇。因此，研制些辅助教学软件来帮 助学生更好地理解所学知识就显褥很有价值。 本文阐述了研发教学软件的蒸本流稷，并结合工程力学学科特点和教学需 要，研究了若干动态控翎方法。瓴括：辩闻控制法、剐体绕任意一点旋转法、 运行轨迹绘制法，以及参数调节法和鼠标书写方法。经过充分的研究，使它们 更蕊完善，并其有遴用往，可鼓为翻终溺类豹教育软辞骧务。寝用这黧方法， 本文作者研制出若干工程力学教学软件。包括；纯滚、动点的相对轨迹、摆动 稼送橇、掇涎热速发耧羽镲靛孚鬻运动等软 睾，阉嚣验诞了本文提窭强聚究瓣 若干动态控制方法的可行性、实用性和煎要性。实践证明，这些软件在工程力 学磷劫教学串熬效祭是犹黪熬。 关键词：工程力学，辅助教学，动态控制，教学软件 t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs o m ed y n a m i cc o n t r o l i ne n g i n e e r i n gm e c h a n i c sc o u r s e a b s t r a c t i nt h ee n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ，t h et h e o r yo fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c si sv e r y p r o f o u n d 。t h e r ei s s o m ek n o w l e d g es u c ha st h et h e o r e mo fc o m p o s i t i o no ft h e v e l o c i t i e so fap a r t i c l e ，t h ec o r i o l i sa c c e l e r a t i o n ，t h ep l a n em o t i o no far i g i db o d y a n ds oo n ，i fs t u d e n t sw a n tt os t u d ya n du n d e r s t a n dt h ei n f o r m a t i o n 。t h e ym u s th a v e s t r o n ga b i l i t yo fl o g i cr a t i o c i n a t i o na n ds p a c ef a n c y s ow eh a v ed e v e l o p e ds o m e a s s i s t e d t e a c h i n gs o f t w a r e t h e y w i l lh e l ps t u d e n t sb e t t e rc o m p r e h e n dt h e i n f o r m a t i o nw h a tt h e ys t u d i e d 。s ot h i sw o r ki sw o r t h y 。 t h eb a s i cp r o c e s so fd e v e l o p i n gt h ea s s i s t e dt e a c h i n gs o f t w a r ei si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r c o m b i n i n gt h es u b j e c t sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h en e e di nt e a c h i n go ft h e e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ，s o m em e t h o d so fd y n a m i cc o n t r o l l i n ga r er e s e a r c h e di n t h i sp a p e r ，i n c l u d i n gt h em e t h o do fc o n t r o l l i n gt i m e ，t h em e t h o do fr o t a t i n gar i g i d b o d ya b o u tar a n d o m p a r t i c l e ，t h em e t h o do fd r a w i n gt h ep a t h o fm o t i o n ，t h e m e t h o do fc h a n g i n gp a r a m e t e r sa n dt h em e t h o do fw r i t i n gu s i n gt h em o u s e 。b y r e s e a r c h i n gf u l l y ，t h e s em e t h o d sh a v eb e e nm o r ep e r f e c ta n du n i v e r s a l a n dt h e y c a np r o v i d eb e t t e rs e r v i c ef o rd o i n gt h ec o n g e n e rt e a c h i n gs o f t w a r e 。a n dt h e ya r e a p p l i e dt od e v e l o ps o m ea s s i s t e dt e a c h i n gs o f t w a r eo f t h ee n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ， s u c ha st h ef i n er o l l i n g ，t h er e l a t i v ep a t ho fam o v i n g p a r t i c l e ，t h es w i n g i n g t r a n s p o r t a t i o n ，t h ec o r i o l i sa c c e l e r a t i o na n dt h ep l a n em o t i o no far i g i db o d y a tt h e s a m et i m e i ti sv a l i d a t e dt h a tt h e s em e t h o d so fd y n a m i cc o n t r o l l i n gt h a tr e s e a r c h e d b e f o r eh a v ef e a s i b i l i t y ，p r a c t i c a b i l i t ya n ds i g n i f i c a n c e 。a n dt h es o f t w a r ei nt h e a s s i s t e dt e a c h i n go ft h ee n g i n e e r i n gm e c h a n i c si sv e r ye x c e l l e n t k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ，a s s i s t e dt e a c h i n g ，d y n a m i cc o n t r o l l i n g t o a c h i n gs o f t w a r e 插图清单 图3 - l 直线减速运动辫面l o 图3 2 事后处理法原理图1 2 图3 - 3 事后处理法界颈1 5 图3 - 4 事先调整法原理图1 6 图3 5 方框制作界面1 8 雷3 - 6 方疆显示圈1 8 图3 7 事先调整法界面1 9 霉3 s 缝滚秘始要瑟2 图3 - 9 纯滚速度分布示意图2 l 图3 1 0 缝对运动爨瑟2 3 图3 - 1l 牵连运动界面2 4 图3 一t 2 相对运动界恧2 5 图3 1 3 动点相对轨迹界面2 6 图3 1 4 画板与曲柄固结图2 7 图3 15 画板与t 型秆阿结图2 7 图3 1 6 动点跳别指定位置界筒2 8 图3 1 7 绘制动赢相对辘迹的运动分桥2 9 图3 1 8 取在曲柄上动点的正确相对轨迹3 0 图3 1 9 取在魏襁上凄赢静镑谟福对轨迹3 l 图3 2 0 取在t 型杆上的动点相对轨迹3 2 鹜凄一l 擢动输送撬褪始赛覆3 4 图4 2 箱子被举起时的力学分析图3 5 圈4 3 麓子竣举起爨蠢3 6 图4 - 4 箱子在运输时的力学分析图3 7 图4 5 艇子套运输过穗孛3 8 图4 6 摆动输送机停北运行3 9 图4 7 挺氏加速度视娥界匿4 l 图4 8 大小轮同向旋转对皮带的运动分析图4 2 图4 - 9 大小轮同向旋转界面4 3 圈4 1 0 大小轮异向旋转时皮带的运动分析图4 3 图4 1l 大小轮异向旋转界面4 4 图4 一i 2 平移类篷骧瑾闺5 图4 1 3 按钮翻转制作界面4 6 图4 1 4 溺俸平瑟运羲器瑶碡7 图4 1 5 刚体平动界面5 0 图4 1 6 刚体转动界面 图4 1 7 基点和动点互换后刚体运动界面 图4 1 8 鼠标书写界面 图4 - 1 9 刚体运动痕迹界面 图4 2 0 基点的相对位置不变界面 5 3 5 3 5 4 5 6 5 7 独创性声明 本太声骥瓣呈交静学垃谂文是本入在导；琴撂鼯1 f 遴撑的磅究工强及取褥戆旗究裁蓉。据我新 知。除了文中特别加以标注利毁谢的地方外，论文中不包含其他人融经发表戚撰写过的研究成果， 也誉毯客鸯获褥 鑫蒌王冀鑫堂 或其魅教蠢规构豹学位或越书嚣使建遘豹耪瓣。与我一强 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 1 ，、口 一 擎霆谂文储签名：盼垮7 、 签字爨蘩：年月 学位论文版权使用授权书 基 本学链论文终者宪全了簿金l l 兰黧焘堂毒关傈罄、篌瑁学爨论文戆魏定，宥粳绦整并两国 家有关部门域机构送变论文的复印件和磁盘，允许论文被蠢阅和借阅。本人授权金g 玉些盘堂可 致将学整论文豹全部或豁努内容编入有芙数据痒进行捡索，可 2 王慕蹋影牵、缩鼋j 蓑专曩箍等复翻手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密驰擎遣论文在解密籍适霜本授投书 学往谂交终者签名 叫蜉交 签字日期： 年月曰 学位论文作者毕业后去向；力t 似 工铭鼙经： 二满乡 淼警擎日签字日期：年月日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在王左辉教授的悉心指导下完成的。 首先我要感谢王老师三年来对我的辛勤教宵和培养。本文从选题、展开到 最后的定鞴，王老师都付出了大量的心血，我液示由衷的感谢。在三年的学习 中，嚣溪藐实深器兹理论翻滋，严谨求实豹逡攀态度，赣盏求精嚣敬建精毒孛， 诲人不倦的良好风范，篷褥貔终生学习。献壬老师身上，我不仅学到了专业知 识和学习方法，更加学习到了很多做人的道理，这是我的研究擞生活的一笔无 价的财富，我再次表示深深的谢意。同时，从王老师身上体现出的顽强拼搏的 精神、坚怨不拔的毅力、积极乐观的态度永远激励着我前进。 我遥漤对我豹任谋老耀王建国貌长、牛惑荣嚣院长、支g 一牮教授、盛 宏玉教授帮鑫嘉藕裂教授数譬圭衷心静藩落翻诚挚兹敬意。 本文的顺利完成也离不汗土建学院许多老师的帮助，在此感谢周焕林 主任、卞步喜老师、程长微老师、杨宇鹏老师和胡宗军老师等诸位老师的 支持。 同时，我还要感谢周臻聪、曹张、夏缨龇、许在明、刘杰斌、李宏、 葛大蘧、糍书文、贺赘簿、予豢洋、凑蓑字黪弱学在学习鞠黛溪主懿蘩蘩。 最藤，我要感谢父母的养育之恩，他们勤劳朴素的作风、诚实善良的 品德，鼹我生的榜样。 譬誊：舔宗云 2 0 0 6 年5 月于合肥 第一章绪论 1 1 工程力学学科简介 工程力学是工科学生的重要的基础课，它是基础理论课与专业课之间的桥 梁，也是解决工程技术问题的技术基础。任何工程中，物体的受力、运动、变 形、失效、破坏等力学现象无所不在，力学分析计算在工程设计中占据着重要 的地位。本文的主要工作是研究运动学和动力学教学中的动态控制，并制作出 几套实用的教学软件【l 】。 在我国，静力学和动力学长久以来属于工程力学的理论力学部分。理论力 学是研究物体机械运动一般规律的科学，是一门理论性较强的技术基础课【3 1 。 在理论力学之前学生们学的是数学、物理、化学等基础理论课程。在理论 力学之后是工程力学的材料力学部分、机械原理、机械零件设计以至各专业课 程。可以看到，理论力学在工科院校学生教育的整个过程中处于一个转折点， 即由偏重基础理论教育向偏重工程实际问题的重要转折点，理论力学在基础课 和专业课之间起着承前启后的作用 2 1 。 在新形势下，理论力学学科所涉及的领域更加宽阔，面对的问题更加丰富 多彩，理论力学课程的教学也面l 临着许多新的问题【5 6 】。为了适应形势的变化， 适应现代化建设对人才的新要求，理论力学的教学必须引入现代化教学模式。 1 2 引入计算机辅助教学模式 计算机辅助教学作为一种现代教育技术，是指利用计算机来执行部分教学 功能，辅助完成教学任务的一种教育技术，其中计算机是用来展示教学内容的 并帮助学生理解和记忆知识，对已学知识进行推理和实践的一种“智能”工具。 计算机辅助教学是由英文c o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o n 翻译来的，故通常 简称c a i 。这是美国、日本的习惯叫法，在欧洲、加拿大及其他国家，还有其 他叫法，如c a l ( c o m p u t e r a s s i s t e d l e a r n i n g 计算机辅助学习1 、c b t ( c o m p u t e r b a s e dt e a c h i n g 计算机辅助教学) 等等。对计算机用于职业训练的 c a t ( c o m p u t e ra s s i s t e dt r a i n i n g ) 和用于非直接进行教学的辅助测试 ( c o m p u t e r a d m i n i s t r a t e dt e s t ) ，有时也被称作计算机辅助教学【7 ，g 】。 计算机技术在教学领域的应用是本世纪后半期教学发展的伟大成就之一， 也是当今教育现代化的一个重要标志【9 ，1 0 】。目前，我国计算机辅助教学正处在 方兴未艾的阶段。就理论力学教学来看，在一些高校中，已实现了计算机辅助 教学1 训。 1 3 本文的工作背景和工作内容 1 3 1 工作背景 理论力学是高校工科类专业的基础课程之一，也是理工科大学技术理论课 中公认难讲的课程之一。搞好理论力学的教学工作，关键是确立新的教育思想 和观念，改革以教师为中心、单向传授知识的教学观，建立以学生为主体、教 师为主导的教学观；高度重视学生思维品质、创新意识和能力的培养：着眼于 减少课程学习总量，教学内容要少而精，营造宽松的学习环境，使学生有时间 自主学习；把获取知识、丰富思维和实践能力的提高统一起来1 2 ，1 3 】。 上述理论力学教学的几项改革目标，体现了与时俱进的精神。与以前相比， 现代科技进步空前加速，信息量空前膨胀，可以说社会发展日新月异。社会的 快速发展对学生能力的要求更加苛刻，学生不仅要学的知识量大大增加，他们 的各方面的综合素质( 包括自主学习、创新能力) 也要求得到提高【4 ，5 ，一1 。这就 要求我们的教育模式要能适应新时代的新要求，要能够利用最新的教学思想和 教学手段来教育新一代，使他们能适应时代的快速发展。这就是本文工作的大 背景。 1 3 2 工作内容 计算机辅助教学作为一种全新的教育手段，已经走过它的成长期，进入了 一个快速发展和不断更新的时期【4 ”。不同类型的教学软件由不同类型的软件制 作。目前较多使用的是p o w e r p o i n t ，用来制作一些类似幻灯片的教学软件【4 3 1 。 用p o w e r p o i n t 制作的幻灯片似的教学软件，有它的优点，但其不足之处更加明 显1 4 4 1 。所以本文中的教学软件使用a c t i o ns c r i p t 编程来实现，它能很好地弥 补p o w e r p o i n t 的不足之处 4 5 1 。 本文的主要工作内容是； ( 1 ) 调查了理论力学教学软件的制作和使用情况，研究了开发教学软件的理论 依据，这个依据也就是最新的教育思想一一建构主义。 ( 2 ) 研制出开发教学软件的几种动态控制方法：时间控制法、刚体绕任意一点 旋转法、点的运动轨迹绘制法、以及参数调节法和鼠标书写方法。并在此基础 上，开发了几套教学软件。 ( 3 ) 圆轮纯滚软件。该软件有效的解释了点的合成运动中三种运动形式之间的 联系，有益于学生更牢固地掌握点的合成运动。 ( 4 ) 曲柄滑块机构的运动示意软件。该软件形象地绘制动点的相对运动轨迹， 动点可以随意地选在不同的物体上，使各种相对运动一目了然。 ( 5 ) 摆动输送机演示软件。该软件的优点是向学生展示系统在各种工况下的运 行情况，可以启发学生的思维。 ( 6 ) 柯氏加速度试验模拟软件。该软件的优点是将理论力学中教师不宜讲解清 楚的知识点，直观地展现给学生，使学生对知识点有更深刻的认识。 ( 7 ) 刚体的平面运动软件。该软件全面详细的展示了刚体做平面运动的运动情 况。既方便教师授课，又容易让学生理解掌握。 第二章理论力学教学软件开发的理论与策略 2 1 理论力学教学软件开发的理论依据 计算机作为教学媒体并非自然而然地优于其他媒体，有效的c a i 实践离不 开合理的理论指导i l5 ”j 。在c a i 活动中，呈现教学内容、接受学生的要求和问 答、指导和控制教学活动的程序加上相关教学资料组成了教学软件【 l 。行为主 义的学习理论、认知主义的学习理论以及正在兴起的建构主义学习理论为c a i 教学软件的形成和发展奠定了坚实的理论基础1 1 8 】。 2 1 1 建构主义学习理论基础 建构主义的最早提出者可追溯至瑞士的皮亚杰( j p i a g e t ) ，他是认知发展领 域最有影响的一位心理学家，他所创立的关于儿童认知发展的学派被人们称为 日内瓦学派。他坚持从内因和外因相互作用的观点来研究儿童的认知发展。他 认为，儿童是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知 识，从而使自身认知结构得到发展。由于个体的认知发展与学习过程密切相关， 因此利用建构主义可以比较好地说明人类学习过程的认知规律【h l 。建构主义学 习理论的基本观点认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情 境即社会文化背景下，借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要的 学习资料，通过建构意义的方式而获得。所要建构的意义是指：事物的性质、 规律以及事物之间的内在联系。在学习过程中帮助学生建构意义就是要帮助学 生对当前学习内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其它事物之间的内 在联系达到较深刻的理解。这种理解在大脑中的长期存储形式就是关于当前所 学内容的认知结构【2 ”。由于学习是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借 助其他人的帮助，即通过人际间的协作活动而实现的主动建构知识意义的过程， 因此建构主义学习理论强调以学生为中心，认为“情境”、“协作”、“会话”和 “意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。在研究儿童认知发展基础 上产生的建构主义，不仅形成了全新的学习理论，也正在形成全新的教学理论 2 5 , 2 6 1 。如上所述，建构主义学习理论强调以学生为中心，它不仅要求学生由外 部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主 动建构者，而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义 的帮助者、促进者【2 7 29 1 。这就意味着教师应当在教学过程中采用全新的教学模 式( 彻底摒弃以教师为中心、强调知识传授、把学生当作知识灌输对象的传统教 学模式) 、全新的教学方法和全新的教学设计思想，因而必然要对传统的教学理 论、教学观念提出挑战，从而在形成新一代学习理论一一建构主义学习理论的 同时，也逐步形成了与建构主义学习理论、建构主义学习环境相适应的新一代 教学模式、教学方法和教学设计思想 1 6 1 。 2 1 2 建构燕义学习理论对理论力学教学软件设计的指导意义 1 5 - 1 9 幸 冀棱接走教学媒钵，在教每学魏i 建程孛笈簿待么终矮，c a i 教学软 孚建 决定因素。而教学软件的激学功能与特性除了鼹教学软件的开发目标制约外， 主簧还受教学软传设计时所依据的学习理论豹影璃。溅剃上说，任秘转学砑 理论都能对c a i 教学软 牛的设计形成指导作用，任何一种学习理论指导下形成 的教学软件对干某静学习目标的达成都熊产生棚应的效用。但是，不月的学习 理论对学习的含义理解不间，由诧而形成不同的学习方法、不同的教学模式与 教学方法，这就是说，各种学习理论对予特定成用形态的c a i 教学软件设计的 指等有箕榴应静适应往，稳适应w 使教举较彳串的教学效莱更僚，否刚效栗会大 打折扣。 瓤建穗主义学习理论貉主簧懋怒肉餐霸箕撵导静教学过稔要素分辑霹躲， 建构主义学习理论指导课堂教学用c a i 教学软件设计熙有相当的适威性。按照 谈镪建穆未义学霹理论建立魏教学系统，不霉忽雍学囊怼学露戆能动终震， 方丽要提供某种符合学习需求的外部刺激，一方面要撮供能够促使同化过程发 生粒蹶应过程完成瓣豢韵与弓l 导；弱薅簧有缱学生积极、主动弱羚裁繇壤发生 相甄作用究成知识结构重组的方法与策略。而创设符合教学内容要求的情境和 揭承叛| 爨知识之闼联系的线索，月生动溪泼静方式呈现信息，与学生避行交黧 通讯，正怒激发学习动机，调动学习者的积极性、自馓性，使学生主动进行知 识意义建构所需要的外郝学习环境。就课堂教学用c a i 教学软 牛的应用形态米 说，它完全可能程建构主义学习环境的建立中发挥重桑作用”屯弱l 。 因此，建构主义学习理论对课堂教学用c a i 教学软件设计的指导意义，就 在予不捂计算祝佟为帮韵教师灌输知识驰手段藏方法，丽是律为帮韵学生主动 进行意义建构的认知工具。具体地说，在建构擞义学习理论指导下，课堂教学 瑁c a i 教孥软件藏是要餐设密符合各类学习主麓酶学习情境：翻设出为瑾瓣囊 题所需要的而学，主现在又欠缺的接近真嶷经验的情境；创设有利于发展联想思 维弱建立蓊l 霹穰念之鬻联系戆 毒凌；副设概念 鬻绫、阉趣清凌、逮程情境、麓 律情境等等。 多媒体诗雾魏是鬟蔻锲设壤壤豹最鸯效豹王其，它与傍爽技零缝合，霹产 生身临其域的真实效果。当前学科教师歼发出的适于课堂教学讲授环节的c a i 教学软 孛，袁充分表觋教学内容，突破攀习难爨，生磷展示认翘慰象萼l 发学垒 兴趣，模j 嚣l 再现事物内部变化规律和微观过程等方面所起的作用，实质上是创 设了某秘教学情境。只是豳为在教学软 牛设计开发豹过程中过分地强调了教( 化 难为易) ，因而在充分发挥学生的积极性、创造骸，调动学生进行知识意义的主 动建构，倪进学生认知能力的发艟方面受到了限制。 在教学软件设计中，如果髓淤建构主义学习理论为指导。强调认黯主体与 癸部环境鹣稳互俸蠲，强调教舞攘导熬滋学生必主俸的学嚣，教学软件瘊剖设 的情境利予同化与顺应过程发生和完成，利于达成认知主体主动建构学习主题 意义戆学习瀵境，c a i 藏能在健避学生认知笺力发震方瑟发撂茭应有的终蠲。 以建构主义理论指导进行课堂教学用c a i 教学软件设计时，应该注意做 到： 1 确立教师指导的以学生为主体的这一教学软件教学设计的主导思想， 针对教学主题选取采用的策略、方法要鸯利于体现学生为主体的学习遮一特点。 2 运用唐发式教学方法设计学习的情境，情境中的刺激设置要能充分调 动学生的思维，并能引导学生的思维活动沿着问题求解的正确途径进行。通过 学习情境所弓| 发豹学习遥程，要能充分发挥学然静主动往帮曾创精神。 3 对有些学习主题( 如具有很强的逻辑性，能形成分析、推理过程的) 采翻探索法、发褒法去翻设学习情境，疆弱予黢应谈辩过程斡发震，使学生主 动完成对主题知识的意义建构。 4 禳耀嚣选主题豹特点，设萋多耱与当蕊学霹主题豹不嚣巷l l 瑟特性穗荧 联的情境，以使学生有多种机会在不同的问题情境中_ 呶用所学知识，从而促使 学燮塞主学习糍力熬提裹。 5 注意设置自主学习、协作学习的情境，这在课堂教学用c a i 教学软件 的设计中，生要考虑不让教学歙 牛代替学生思维，不让教学软 孛舍盘绘出结浆。 自主学习、协作学习情境的创设，在课豢教学用教学软件中可涉及如下内容： f 1 ) 引起争议的初始阅题的帱境； ( 2 ) 将学生思维、讨论弓f 向深入的餍继问熬的情境； ( 3 ) 引导学生思维发展问题的情境。 2 2 教学软件的开发工具介绍 3 6 , 3 7 , 3 8 , 】 2 2 1 选择开发工具 翻终一个离矮鲞豹多媒体教学软终，善走要选择一释台逶鹣割捧软 串。跌 p o w e r p o i n t 、a u t h o r w a r e 、d i r e c t o r 到现在的f l a s h ，我逐渐总结出一套完整的 教学软辞翻 睾经验：p o w e r p o i n t 铡雩# 积锭雳都十分方便，毽功戆毙较攀一，哭 能将目标制成线饿结构的幻灯片序列：a u t h o r w a r e 制作的教学软件颇具专业 纯，但文传体积毖较大，雾题予测终多媒体教学光盘，不易传羧；d i r e c t o r 具 有报强的编程能力，通常用来制作复杂的游戏产品，假用来制作教学教学软件 似乎有点“杀鸡髑牛刀”的味道。因此，我们更霈要一嵇操作麓单、演示壹观、 效粜生动鼠易传输的多媒体创作工具，f l a s h 的出现，恰好符合了这要求。 f l a s h 为美国m a c r o m e d i a 公司推出的一款基于矢擞图形的动画设计软件， 该簌件最翩是专为网页动画设计黹稚出的，一经闯整，便掀越了阐页制作领域 矗 的万丈波澜。随着f l a s h 版本的不断升级，功能也在日渐强大，应用领域也日 益广泛起来。如今的最新版本f l a s h8 0 已经成为一个集网络应用、音乐制作、 广告创意、游戏开发和教学软件设计等多种功能于一体的开放性、多元化应用 软件，尤其在教学软件制作领域中，f l a s h 更是以其操作简单和功能强大的独有 魅力，打破了长期以来p o w e r p o i n t 、a u t h o r w a r e 和d i r e c t o r “三足鼎立”的局 面，成为教学软件制作的后起之秀，并以最快的速度独占鳌头。相信f l a s h 在 教育领域将有更为广阔的发展前景【1 4 。 2 2 2f l a s h 的主要特征及应用 1 基于矢量图形的动画设计 f l a s h 动画是基于矢量图形而设计的，无论图像放大多少倍，都不会造成失 真，依然清晰如初。所以，无论f l a s h 影片的原尺寸是多少，都可以最大化到 全屏状态去浏览观看。 2 强大的动画编辑功能 f l a s h 作为一种二维动画设计的专门软件，除了动画设计的过程方便、快捷 外，动画设计的效果也更加丰富多彩。f l a s h 提供了渐变动画、遮罩层动画和引 导层动画等多种动画类型，在动画设计方面，给了设计者更大的自由度，真正 能够使动画设计“随心所欲”。 3 方便灵活的图形编辑环境 f l a s h 提供了多种绘图工具，利用这些工具可以绘制各种图形，且这些图形 均为矢量图格式，设计者可以任意对其进行缩放和修改。此外，f l a s h 对于从外 部导入的图形文件也可以进行擦除、分割、透明度设定和矢量转化等各种编辑 操作。 4 强大的多媒体支持 f l a s h 能够把图像、声音、动画和视频等各种媒体融合在一起，创作出令人 叹为观止的多媒体作品。软件本身内置了声音和视频压缩编码器，可以把声像 文件压缩得更小，以便网络上传播。 5 强大的人机交互设计功能 f l a s h 中内置了专用脚本语言a c t i o n s c r i p t ，将该语言应用于f l a s h 动画设 计中，可以大大增加作品的交互功能。该设计语言所需的函数均在f l a s h 的“动 画面板”中一一列出，内容丰富，结构简单，初学者学习上手较快。一般情况 下，a c t i o n s c r i p t 语言都是配合相应的按钮响应、影片剪辑或关键帧，给动画实 行控制。 6 灵活多样的输出方式 f l a s h 提供了多种灵活的输出方式，以适应不同的要求。除了可以将文件发 布成s w f 格式的矢量动画之外，还可以将文件发布成h t m l 文档、q u i c k t i m e 动画、a v i 动画以及各种静态图形图像格式等，且对各种各样的文件在发布之 前都可以做精细的设置。 2 3 教学软件设计的基本流程 2 3 1 分析教学需要1 7 】 设计是一个问题解决的过程，目的是要使教学软件真正有效，并且能发现 教学中的需要。教学软件的设计还应明确教学软件的使用模式。它是用作基础 知识的学习还是用作某种技能的培养，是用作个别化学系还是用作课堂演示， 即教学软件是为学生学习还是为教师教学所用。 本文中所开发的理论力学教学软件都是用作基础知识的学习，既可以用作 学生独立学习，也可以用作教师课堂教学。 2 3 2 确定课题内容 教学软件的制作是为学习者或教师提供用于一定学科内容学习的教材。基 于学习的目的是教学软件开发的主流。确定教学软件的教学内容时应考虑计算 机教学的特点，并不是任何内容都适合制作教学软件的【8 】。符合以下条件的教 学内容，通常认为值得制作教学软件1 46 j ： 没有固定的标准，需要学生发挥想象的内容，例如画受力图教学软件。画受力 图是一个比较复杂、见仁见智的过程，没有固定的标准。一个物体或系统的受 力情况，可以有多种画法把它表达出来，这是计算机的存储量大、速度快的优 越性就体现出来。学生在使用画受力图教学软件时，可以充分发挥自己的想象 力，利用所学的基础知识完成受力图。 ( 1 ) 引发学习动机的背景内容，例如本文开发的单摆输送机演示教学软件。这个 教学软件的取材有一定的实用背景。在货运码头、工厂车间、施工现场，这样 的机器随处可见。在这个教学软件中，我们考虑到输送机在输送货物过程中可 能遇到的各种情况，对系统进行分析、计算，将各种情况下的结果展示给学生， 让学生更好的理解摩擦力、加速度合成、速度合成等一些理论力学的基本知识。 ( 2 ) 教学中的重点和难点内容，例如本文开发的柯氏加速度实验模拟教学软件。 柯氏加速度在理论力学教学中一直是一个难点，但有相当的重要。柯氏加速度 是在牵连运动是转动时产生的附加加速度，实验中很难将其体现出来，所以就 更难以计算了 9 10 为了让学生更好的理解柯氏加速度，更直观的感受柯氏加速 度的存在，更准确的计算出柯氏加速度的数值，我们开发了这套教学软件，教 学软件它的教学意义之深! 确定课题内容必须明确教学目标，这是一项基本要求。只有这样，才能准 确地确定教学软件中的教学内容和教学过程，才能对有关教学软件的设计、制 作提供揍磷，为学习结果评价提供依据。 2 3 3 内容处理、可行性分析 确定了需要编制教学软件的教学内容，下一步是如何对选定的内容进行加 工处理。内銮的处理决不是姆漂本信息搬到计算搬屏幕上就可以了，它是一个 需要多方貉佟，复杂懿霸王避疆，阉嚣它瞧霖绥一定数瓷源黎条髂囊持私“。我 们的设计 常理想、完美，德是如果在制作阶段无法实现，那落只楚纸上谈兵， 白费力气。所以，要做好可行性分析。分析资源时要考虑的因豢有：经费、时 间、人员、设施等等。 2 。3 。4 编瑟瓣本 脚本怒教学软件编制的瞧接依据，是设计思想的具体体现。所以，脚本是 教学软件设计和教学软件制作的桥梁。它在教学软件开发中占有麓要的地位， 不仅影响剿教学软件制作的：i 氇程，还直接影响到教学软件的质擞。因此，我们 应该花大力气在教学软件脚零的创作上，从一野始就要从知识专她、教学实用、 表褒艺零帮稍 睾技巧夔热凌去瘸翔、设诗露安捺。瓣本决不是楚鼙鹣备课笔记 1 2 0 ，2 1 ，2 2 1 1 2 3 5 分析评价 分辑谨馀也是不可缺少黥王 睾。在设计过程豹结束和割佟j 建糕赫开始，它 起羞怼教学软 孛设诗工终憩绥往译羧戆功麓，瓣瓣是确定蘩瑟王圣筝瓣有效茬。 在整个开发过程中，它起着诊断的功能，它可以让开发者及时了解铋作的效果， 了解项目的进展情况和存在的问题，以便及时反馈，及时调整和改进工作。所 以，对于提高教学软件质量米说，重视设计评价比重视编程制作照有实际意义。 9 第三章开发教学软件的基本方法和一些处理技巧 3 1 对时间的控制【4 0 】 物体在运动的过程中，位置的变化、速度的变化都与时间有关。例如物体的平行 移动方程， j 忙”甜1 ， l 弘x o + v o h 了甜 可见位移和速度都是时间的函数，所以时间在模拟物体运动过程中，扮演着重 要的角色。 其实，当软件开始播放时，软件本身就有时间的变化，它是用帧频来表示 的。例如，软件的帧频是4 8 ，意思就是软件在播放对，1 秒钟刷新4 8 次，也就 是每二4 8s 刷新一次，这里包含了时间的概念在里面，但是它只是不停的刷新， 时间并没有累计。所以在程序中，使用这样的语句： d e l t a t + + ； 该语句的意思是：定义一个变量d e l t a t ，让它在每次刷新后都增加l ，这 样时间就体现出来了。例如这样一个刚体盲线运动的例子： 图3 - 1 直线减速运动界面 如图3 - 1 所示，这个例子要演示的是，让一个直线运动的刚体停在指定的 位置。图中有几个显示数字的黄色方框，它们从左到右分别表示：刚体的初始 位置、刚体减速瞬间的位置、刚体运动的实时位置以及刚体要停靠的位置，及 终点站。 起初，刚体以速度v 0 匀速直线运动。匀速一段距离后，按“s t o p ”按钮， 刚体要停靠到终点站。这时根据公式 0 2 c ( x - - ) = v 2 一v ： 来确定加速度a 。 v 。是这段运动的初速度，是匀速阶段的速度，也就是减速阶段的初速度： v 为这段运动的末速度，v = 0 ： x 是刚体停靠的地点，即终点站的位置： 是开始减速停止的初位置，即匀速运动的末位置。 刚体减速部分的程序如下： v a rs = e n d p o i n t x l ； d e l t a t + + ； v a ra c c e l e r a t i o n2 一s p e e d + s p e e d 2 s ； v v = s p e e d + d e l t a t + a c c e l e r a t i o n ； b o x 一x2x l + s p e e d + d e l t a t + a c c e l e r a t i o n + d e l t a t + d e l t a t 2 ； i f ( v v = o ) b o x 一x2e n d p o i n t ； ) 这个软件虽然不是很复杂，但它解决了如何动态地控制和模拟刚体运动的 问题，特别是如何表达刚体运动过程中的时间。这是一个很关键而重要的问题， 在以后的刚体运动学模拟和动力学模拟中，都将会涉及到时间对刚体运动的影 响。所以这种表达时间的思想，为以后的模拟奠定了基础。 3 2 一刚体绕任意一点旋转 这个方法在刚体的平面运动的案例模拟中将会经常用到，所以它是一个很 重要的方法，本小节将重点阐述。 刚体绕任意一点( 这里的任意一点即旋转中心) 旋转的方法并不唯一，本小节 将介绍两种，我将它们分别简称为事后处理法和事先调整法。 3 2 1 事后处理法 所谓事后处理法，就是先让刚体旋转，之后再根据旋转中心的位置做处理， 在周华聪5 。1 的论文中提到的力的旋转和这个原理样。他做的是一个力可以绕 “力”图形的两个端点旋转，而这里是一个刚体可以绕任意选择的点旋转。它 们是个别于普遍之问 豳3 2 事后处聪i 去原理| ! f j l ，此法的大概恩路是：一个刚体，邋飓是一根杆，将它放置在影片剪辑元 传的舞台中，左溃对癸元 孛舞台中心。姿鳃这个代表抒黪元l 孛实铡放置在舞螽 上建襁序羟餐旋转露会发现，元终实弼炎会绕其审，玉( 元 警舞台中，0 ) 旋转， 即只会绕自己的左端旋转。而我们希望“杼”可以绕任意点旋转( 图3 2 中掰 示的黑点) ，实际旋转中会发现黑点的能鼹跟着杆绕左端寇轴转动而发生了变 化。而事实上我们希掇黑点的位置不变，黑点即所谓的“定轴”。所以。鼷 移动杼，使黑点回到艨来位置。简两意之就是：第一步，黑点跟随杼转动褥 移凌；第二步，平移抒嫒其上夔黑煮又颡爨嚣楚跨隽壹。警然这个过程蔻焱 极麓的时间内完成，所双入静舞袋开上去，这两步是同步蛹。如瑶3 2 掰示， 我们猎到的是一个绕黑点转动的效果。 2 。具体的制作如下：首先做一个杆影片剪辑s t u d i e d o b j e c t ，杆的左端对其 影片剪辑的中心。再做一个点影片剪辑c o n t r o l p o i n t ，并把c o n t r o l p o i n t 置于 s t u d i e d o b j e c t 连。 下露程亭反浃了杼与旋转中心坐标交纯 w = s t u d i e d o b j e c t c o n t r o l p o i n t 一x 4 s t u d i e d o b j e c t c o n t r o l p o i n t x + s t u d i e d o b j e c t c o n t r o l p o i n t 一y + s t u d i e d o b j e c t c o n t r o l p o i n t 一y ； 一r o o t r r2m a t h s q r t ( w ) ； w z h p = n e w0 b j e e t o ； w z h p x = o ： w z h p y = o ； s t u d i e d o b j e c t c o n t r o l p o i n t 1 0 e a l t o g l o b a l ( w z h p ) ； x l ；w z h p x ： y l = w z h p y ； w z h p 。x = e ： w z h p y = 0 ： s t u d i e d o b j e e t 1 0 e a l t o g l o b a i ( w z h p ) ； x o ；w z h p x ： y 0 * w z h p y ； d x x l - x o ； d y y l y 0 ； w z h p y 20 ： s t u d i e d o b j e c t 1 0 c a l t o g l o b a l ( w z h p ) ； x 0 = w z h p x ： y 0 = w z h p y ； d x 。x 1 - x 0 ； d y2y 1 - y o ； a n g l e 0 = m a t h a t a n ( d y d x ) ； a n g l e 0 = a n g l e 0 + 18 0 m a t h p i ； i f ( d x 0 ) a n g l e 0 = a n g l e 0 1 8 0 ； ) a n g l e 02a n g l e 0 - a n g l e 0 0 ； 编写旋转函数o r o t a t i o n ( ) f u n c t i o no r o t a t i o n ( ) i f ( t u r n i n g2 2 r i g h t ” s t u d i e d o b j e c t 一r o t a t i o n + = r o t a t i o n r a t e ； ) e l s e s t u d i e d o b j e c t 一r o t a t i o n 一= r o t a t i o n r a t e ； ) a n g l e 0 0 = s t u d i e d o b j e e t 一r o t