Мультимедийный курс теоретической механики. Теория и компьютерный эксперимент: 29 лекций с раздаточным материалом. 24 компьютерные модели физических систем с широким диапазоном настроек. + CD

Настоящая книга представляет собой печатный вариант электронного курса лекций по теоретической механике, разработанного и читаемого с применением компьютерных технологий. Книга является неотъемлемой частью мультимедийного комплекса, включающего в себя электронный и печатный варианты, взаимно дополняющие друг друга. Цель создания мультимедийного комплекса лекций по теоретической механике --- выработка у будущих специалистов правильного понимания закономерностей развития научного познания, углубленное изучение фундаментальных и прикладных научных аспектов исследования современных технических систем и подвижных материальных объектов. Содержание курса включает в себя три базовых раздела: статика, кинематика, динамика, а также дополнительные разделы: элементы аналитической механики, элементы теории удара, элементы нелинейной динамики и теории детерминированного хаоса в механических системах.

В печатном варианте электронного курса представлен основной текстовый и графический материал лекций, изложены основные особенности методики проведения лекций и приведено описание программных модулей, реализующих динамическую визуализацию движения механизмов, а также правил работы с программами.

Книга и электронный вариант курса предназначены для преподавателей, читающих данный курс лекций; могут быть использованы для дистанционного обучения студентов и аспирантов естественно-научных специальностей, а также для самообучения.

От авторов

Настоящая книга представляет собой составную (печатную) часть мультимедийного проекта, в который входит электронный курс лекций по теоретической механике с применением компьютерных технологий, записанного на CD или другие носители информации.

Для базового варианта общий объем курса 210 часов. Из них: лекции 51 час; практические занятия -- 51 час; самостоятельная работа 108 часов.

Данная книга предназначена для преподавателей, читающих этот курс лекций, и она может быть использована для дист нционного обучения студентов и аспирантов естественно-научных и технических специальностей и их самообучения.

В печатном варианте представлен основной текстовый и графический материал лекций, изложены основные особенности методики проведения лекций и приведено описание программных модулей, реализующих динамическую визуализацию движения рассматриваемых мех низмов, а также правил работы с программами. Электронный вариант курса может воспроизводиться непосредственно с CD, если нет необходимости менять исходные данные в программных модулях.

В противном случае необходимо скопировать содержимое CD на жесткий диск компьютера.

•  Цель преподавания курса -- выработка у будущих специалистов правильного понимания закономерностей развития научного познания, углубленное изучение фундаментальных и прикладных научных аспектов исследования современных технических систем и подвижных материальных объектов.
•  Курс предназначен для фундаментальной подготовки будущего специалиста к инженерной и научно-исследовательской работе по проблемам, связанным с проектированием, созданием и эксплуатацией современной техники.
•  В процессе изучения студент должен получить следующие знания:

  -- Знакомство с основными понятиями и положениями теоретической механики.

  -- Знания основных законов, методов, задач и направлений развития теоретической механики.

  -- Знания о методах вывода уравнений движения и равновесия материальных объектов.

  -- Представление об основных математических моделях, используемых в теоретической механике, и о новых подходах и задачах теоретической механики в области исследования нелинейных динамических систем.

•  Студент должен приобрести следующие умения и навыки:

  -- Умение выводить и анализировать уравнения движения и равновесия, составляющие основу математических моделей подвижных и взаимодействующих материальных объектов.

  -- Умение и навыки применять полученные знания по теоретической механике для решения научных и инженерных задач при проектировании новых конструкций, приборов, машин, сооружений и других технических объектов и систем.

  -- Умение и навыки самообучения, т.е. студенту прививаются такие знания и навыки, которые позволят ему в дальнейшей работе всю необходимую дополнительную информацию находить и усваивать с мостоятельно.

  Прежде чем приступить к изложению основного материала, рассмотрим несколько важных вопросов, ответы на которые позволят читателю яснее понять суть и смысл данной книги.

•  Зачем нужен такой курс лекций?

  -- Этот курс, читаемый студентам -- будущим специалистам в области естественно-научных и технических дисциплин включает в себя весьма сложный, как по содержанию, так и по форме, учебный материал.

  -- В настоящее время неуклонно повышаются требования к качеству образования студентов при одновременном сокращении времени на обучение.

  -- Необходимы существенный рост эффективности обучающего процесса и оптимизация преподавания.

•  Реально ли это осуществить?

  Да, поскольку накопленный интеллектуальный опыт преподавания и имеющиеся возможности современных стандартных и специально разработанных программных и аппаратных средств позволяют проводить обучение не только с помощью "мела и доски", но и с помощью компьютера, мультимедийного проектора и специально разработанного программного обеспечения.

•  Каковы ключевые задачи при разработке данного курса?

  -- Разработка методики чтения лекций и применения программных средств.

  -- Создание необходимого дидактического, алгоритмического и программного обеспечения.

•  Каковы основные особенности предлагаемой методики?

  -- Весь материал курса (рис.  А.1) разбит на разделы и представлен в виде пакетов презентационных слайдов в стандартной программной среде PowerPoint и программ математического моделирования рассматриваемых материальных точек и систем, твердых тел, механизмов и устройств.

  -- В курсе лекций предусмотрено компьютерное математическое моделирование, анимация и динамическая одно- двух- и трехмерная визуализация решений кинематических и динамических уравнений движения материальных точек, тел и механизмов (рис.  А.2). При этом предусмотрен вывод основных кинематических и динамических характеристик (векторов скоростей, сил и других), изменяющихся в процессе движения материальной точки, твердого тела или механизм и их графиков, как функций времени. В необходимых случаях движение тела или механизма можно посмотреть с различных ракурсов, управляя поворотом рисунка при нажатой левой клавиши мыши компьютера.

  Для динамической визуализации разработано специализированное программное обеспечение c использованием программного комплекса Borland C++ Builder и графического интерфейса Open GL.

  Вызов специализированных программ из презентаций PowerPoint осуществляется с помощью гиперссылок.

  Математическое моделирование и динамическая визуализация позволяет наглядно представить функционирование того или иного рассматриваемого механизма и изучить влияние параметров на его движение.

  -- Разработанное программное обеспечение адаптировано к станд ртной вычислительной среде персональных компьютеров, использует типовую операционную систему Windows, требуемая оперативная п мять 512 МБ, оно полностью автономно и не требует дополнительных программных средств.

  -- Сложные рисунки, формулы, графики, таблицы, примеры, задания для самостоятельной работы, программа курса лекций и т.п. распечатываются и выдаются студентам по мере необходимости на лекциях как раздаточный материал (рис.  А.3).

  Общий объем компьютерного курса, включая все презентации слайд-шоу, программы динамической визуализации и раздаточный материал, не более 120 МБ.

  -- При чтении лекций используется ноутбук, мультимедийный проектор с достаточной яркостью, чтобы слайды были хорошо видны с любого места в аудитории при дневном освещении и большой экран.

•  На основе каких источников и материалов составлен курс?

  При разработке компьютерного курса лекций по теоретической механике использованы учебники, задачники и книги выдающихся ученых по теоретической механике и работы авторов данной книги [1--17].

  Компьютерный курс лекций по теоретической механике зарегистрирован [12] в Фонде алгоритмов и программ государственного координационного центра информационных технологий (рис.  А.4).

•  Каковы главные возможности разработанного подхода?

  -- Практически полное отсутствие надобности в работе "с мелом и доской" и существенное сокращение времени на выполнение других рутинных операций (диктовка программы курса и литературы, вопросов к экзамену и др.).

  -- Гибкая и эффективная система компоновки, изменения и модернизации научного и учебного материала курса путем замены, добавления и исключения тех или иных его фрагментов.

  -- Возможность демонстрации (в виде рисунков, фотографий, нимационных и видеофильмов, включения дополнительных презентаций и т.д.), сложных кинематических схем механизмов, реальных конструкций приборов и механизмов, их работы, исторических, документальных и других материалов.

  -- Возможность подключения к Интернету в режимах on-line или off-line и использования из него тех или иных необходимых данных и материалов, например, материалов конференций.

  Применение разработанной методики и программных средств, позволяет, на взгляд авторов, решить следующие важные педагогические задачи.

  Для студентов -- это углубленное изучение, понимание и усвоение сложного материала, повышение интереса к предмету исследования и возможность изучения самых новых достижений в области теоретической механики.

  Для лектора -- оптимизация и повышение эффективности обучения, обеспечение наглядности результатов.

  В целом, применение предлагаемого подхода должно способствовать решению важной задачи подготовки научно образованных, квалифицированных специалистов, разработчиков и создателей современной техники.

•  Как пользоваться материалом данной книги?

  Текстовый и графический материал книги полностью соответствует электронному варианту лекций по теоретической механике с программами динамической визуализации, записанному на CD диске или другом носителе.

  Этот печатный материал может быть использован преподавателями и студентами как руководство при самостоятельном изучении курса или при дистанционном обучении, естественно за исключением динамической визуализации решений кинематических и динамических уравнений движения материальных точек, тел, механизмов и приборов.

  Для ориентации при изучении материала, в печатной версии, около текста, рисунков, формул, таблиц и других, которые предполагается использовать, как раздаточный материал, стоит пометка (РМ).

  Эта пометка означает, что в специальной папке "Раздаточный м териал" электронной версии курса лекций имеется этот материал, который можно распечатать в необходимом количестве экземпляров и раздать его студентам.

  Если в электронной версии используется анимация стандартными средствами программной среды PowerPoint, в тексте печатной версии стоит значок (А).

  Если в программе динамической визуализации имеется возможность просмотра (при нажатой левой клавиши мыши) механизма с различных ракурсов, то в тексте печатной версии стоит значок (Р).

  В том месте материала, где в электронной версии необходимо использовать разработанное программное обеспечение, в тексте изображается управляющая кнопка с гиперссылкой, с помощью которой вызывается из презентационного слайда программа динамической визуализации, другая презентация и т.д. <...>
  
  Издание: обложка.
  Параметры: формат: 60x90/16, стр.