基于HTML5的跨平臺(tái)力學(xué)積件庫

1、基于HTML5的跨平臺(tái)力學(xué)積件庫摘要：力學(xué)(mechanics)是物理學(xué)的重要分支學(xué)科，也是大學(xué)物理中非常重要的一門課程.但是由于力學(xué)中 有些概念、原理抽象難懂；規(guī)律難以理解和掌握，教師在教授、學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中都遇到了很大的瓶頸.因此，從教學(xué) 實(shí)際出發(fā)，針對教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)，開發(fā)出一套基于HTML5的跨平臺(tái)力學(xué)積件庫.素材庫中的積件素材采用動(dòng)畫 編程、仿真等手段完成，將力學(xué)中的抽象原理概念變形象，不可見過程變?yōu)榭梢?，?fù)雜原理變?yōu)楹唵蝿?dòng)畫.解決了力 學(xué)教學(xué)中的素材缺乏、素材表達(dá)不到位的現(xiàn)實(shí)情況.該界面友好、易于操作、查詢方便.該素材庫包含普通物理力學(xué) 教學(xué)中的全部章節(jié)，為力學(xué)教學(xué)提供了大量的輔助

2、、仿真素材.關(guān)鍵詞：虛擬仿真HTML5 素材庫 力學(xué) 跨平臺(tái)1 引言力學(xué)(mechanics)主要研究的是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從 宇宙到原子都隱含著力學(xué)現(xiàn)象1(.學(xué)好力學(xué)對物理 專業(yè)的大學(xué)生而言是非常有意義的.目前課堂教學(xué) 模式是一章一章、一節(jié)一節(jié)板書式的教學(xué)模式，“老 師講、學(xué)生聽、越講越細(xì)、越講越深*的學(xué)習(xí)思路，學(xué) 生不能事先掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性得 不到充分發(fā)揮，創(chuàng)造能力的培養(yǎng)受到限制.而多媒 體課件的出現(xiàn)恰恰彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂的缺點(diǎn).但是，由 于力學(xué)中很多概念抽象難懂，規(guī)律眾多，而幫助教師 教、學(xué)生理解的素材很少，使學(xué)生理解和記憶起來非 常困難，致使力學(xué)教學(xué)存在難學(xué)難教*的現(xiàn)象.即 使人們

3、做了一些素材，但是由于素材簡單、不能做到 參數(shù)可調(diào)，過程可控，或者只能在電腦上運(yùn)行，大大 限制了其應(yīng)用，不能滿足實(shí)際需要，因此，本文致力 于建立跨平臺(tái)力學(xué)積件庫，積件庫著眼于學(xué)生難以 理解的重點(diǎn)難點(diǎn)、規(guī)律等內(nèi)容，提供過程可控、參數(shù) 可調(diào)的多方位積件庫，并提供快速檢索查詢功能，方 便教師和學(xué)生快速找到相關(guān)積件.本素材庫以HBuilder軟件為開發(fā)平臺(tái)，以 Flash軟件作為輔助工具，結(jié)合SVG (Scaiabie Vector Graphics)可伸縮矢量圖形和精靈圖技術(shù)， 將矢量圖技術(shù)應(yīng)用于HTML5中，使制作的素材庫 畫面清晰、動(dòng)畫逼真.該積件庫和Flash積件庫相 比，最顯著的優(yōu)勢在于其跨

4、平臺(tái)性，該積件庫不需要 安裝任何插件，可在不同終端進(jìn)行操作、演示，兼容 PC端與移動(dòng)端、Windows與Linux及安卓與 I 0S3.學(xué)生可在不同的設(shè)備上進(jìn)行在線預(yù)習(xí)、復(fù) 習(xí)，甚至進(jìn)行在線仿真學(xué)習(xí).它還可以輕易地移植到 各種不同的開放平臺(tái)(比如可以放到blackboard應(yīng) 用平臺(tái))上供學(xué)生學(xué)習(xí).隨著移動(dòng)通訊的發(fā)展，跨平 臺(tái)積件庫成為適應(yīng)未來素材庫發(fā)展的新趨勢.本素材庫包含宇宙演化、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓運(yùn)動(dòng) 定律、碰撞、角動(dòng)量、萬有引力、剛體、彈性體、振動(dòng)、 波動(dòng)、流體力學(xué)等11個(gè)章節(jié)，如圖1所示.每個(gè)章節(jié) 又包含多個(gè)重點(diǎn)積件，每個(gè)積件都可用于課堂教學(xué)， 還可用于學(xué)生單獨(dú)理解力學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)

5、容. 積件庫的首頁面如圖2所示，首頁面左側(cè)有各個(gè)章 節(jié)的索引，上面有搜索框可以直接輸入搜索相關(guān)內(nèi) 容.下面重點(diǎn)介紹幾個(gè)積件的建設(shè)情況.圖1力學(xué)積件庫結(jié)構(gòu)圖圖3拋體運(yùn)動(dòng)積件的界面圖圖1力學(xué)積件庫結(jié)構(gòu)圖圖3拋體運(yùn)動(dòng)積件的界面圖2 力學(xué)積件庫首頁面2 積件庫建設(shè)2.2 牛頓運(yùn)動(dòng)定律阿特伍德機(jī)、回旋加速器等的教學(xué)中，觀測和演 示都需要專用的設(shè)備，但是這些儀器不適用于課堂 教學(xué)，其內(nèi)部構(gòu)造也無法展示.本積件庫將力學(xué)相對 性原理、阿特伍德機(jī)、回旋加速器、科里奧利力、慣性 離心力等重要的實(shí)驗(yàn)和原理通過編程制作成虛擬仿 真的積件庫，學(xué)生可在手機(jī)和電腦上操作實(shí)驗(yàn)，觀察 現(xiàn)象，得出結(jié)論.教師還可以在課堂上通過投影

6、儀進(jìn) 行演示.比如：圖4中的阿特伍德機(jī)和圖5中的回旋 加速器仿真實(shí)驗(yàn).教師和學(xué)生都可以通過觀看動(dòng)畫 演示，觀察了解裝置的結(jié)構(gòu)和原理，直觀明了.2.1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)是以運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，研究物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律. 重點(diǎn)內(nèi)容是拋體運(yùn)動(dòng)的分解過程，以及位移、速度、 加速度的區(qū)別和聯(lián)系,因此，其難點(diǎn)是如何讓學(xué)生更 直觀地掌握拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.比如最常見的平拋運(yùn) 動(dòng)，傳統(tǒng)方法是教師需要粉筆等教具，直接在教室進(jìn) 行演示.但是這樣效果并不直接，演示過程中學(xué)生們 并不能看到直接的數(shù)據(jù)，因此對規(guī)律的掌握和理解 只是一個(gè)定性的印象，只能讓學(xué)生被動(dòng)地接受.為 此，我們開發(fā)了關(guān)于各種拋體運(yùn)動(dòng)的虛擬仿真積件， 再演示起來給學(xué)生印

7、象深刻.圖3所示是斜拋運(yùn)動(dòng)積件的界面，教師在課堂 可以隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)或電腦上演示.通過上面 的參數(shù)輸入框輸入初速度、角度等參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)調(diào) 節(jié).在本章，共制作了 3個(gè)積件素材，將伽利略變換、 拋體運(yùn)動(dòng)和位移、速度、加速度規(guī)律進(jìn)行了虛擬仿 真.由于本素材庫的跨平臺(tái)性，學(xué)生也可以在自己的 電腦和手機(jī)上進(jìn)行演示.圖4 阿特伍德機(jī)積件的界面圖5 回旋加速器積件的界面2. 3 碰撞碰撞雖然是一種比較常見的現(xiàn)象，但是碰撞接 觸的瞬間人眼無法察覺，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了困擾.本積件庫根據(jù)學(xué)生難以理解的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，制 作了幾個(gè)虛擬仿真素材，其中包括伽利略論證擺、對 心碰撞、查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)、球的非對

8、心碰撞 等.如圖6所示，將球的非對心碰撞通過圖例、推導(dǎo)、 特例展現(xiàn)出來，將抽象變?yōu)樾蜗?圖6球的非對心碰撞積件的界面2. 4 萬有引力萬有引力這一章節(jié)包含了開普勒定律、地球自 轉(zhuǎn)對重量的影響、宇宙速度、萬有引力定律、卡文迪 什實(shí)驗(yàn)，將各種定律儀器模型通過動(dòng)畫的形式展現(xiàn) 出來，圖7所示為不同宇宙速度的物體運(yùn)動(dòng)軌跡演 示.請選擇拋體拋出時(shí)的速度為第一宇宙速度 為第二宇宙速度,v=vl vivv2 v=v2宇屋逐壹請選擇拋體拋出時(shí)的速度為第一宇宙速度 為第二宇宙速度,v=vl vivv2 v=v2宇屋逐壹 圖7不同宇宙速度的演示剛體是指在運(yùn)動(dòng)中和受力作用后,形狀和大小 不變，而且內(nèi)部各點(diǎn)的相對位置不

9、變的物體.剛體是 力學(xué)中繼理想模型質(zhì)點(diǎn)之后，又一個(gè)理想模型，剛體 的概念對于學(xué)生而言仍很晦澀難懂，涉及到剛體運(yùn) 動(dòng)的時(shí)候依然不知道從何下手.本章節(jié)從剛體的平動(dòng)、繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證 剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能定理、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量 幾部分介紹了剛體有關(guān)的運(yùn)動(dòng).這樣的虛擬仿真積 件庫可以隨時(shí)在課堂進(jìn)行演示，還可以將不可見的 過程變?yōu)榭梢姡鐖D8所示，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定 理可以將驗(yàn)證定理的過程通過動(dòng)畫的形式演示出 來，讓學(xué)生一目了然，并從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)規(guī)律!比 (8 一較自然地得出剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定理.圖8 剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定理積件的界面2. 6 振動(dòng)振動(dòng)的形式多種多樣，有阻尼振動(dòng)、簡諧振動(dòng), 等等.如圖9所示，可以通過動(dòng)畫演示振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng) 軌跡曲線.上課時(shí)教師可以將這些動(dòng)畫實(shí)例演示給 學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.學(xué)生也可以直接在網(wǎng)上學(xué) 習(xí)，了解振動(dòng)的形式及原理，加深對振動(dòng)的理解.圖9 不同形式下的正弦曲線積件的界面3 結(jié)束語本積件庫操作簡單，可根據(jù)菜單選擇每個(gè)積件 項(xiàng)目，還可通過模糊查