[0001] 本发明涉及理论力学教学实验技术领域，具体地，涉及一种游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置及方法。

[0002] 理论力学(Theoretical Mechanics)是研究物体机械运动的基本规律的学科，是高等工科院校很多专业的技术基础课。理论力学中的科氏惯性力主要是由坐标系的转动与物体在动坐标系中的相对运动引起的，理论力学课程内容涵盖宽泛，知识点众多，理论性较强，部分内容和知识点抽象，对许多工科学生来讲，部分概念并不直观，容易感觉枯燥乏味，学习积极性不高，真正切身体会和掌握相关理论颇有困难。然而，理论力学实验教学长期以来一直以所属课程的辅助教学形式出现，普遍存在学时较少问题，基本以4‑6学时为主，课程在具体实验项目上的选择也不多，而且都是演示性实验。游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验在这个基础上衍生而出，在游戏对抗式教学实验中可以在这个基础上增加更多目标，通过实验环节不但可以更好的激发学生学习力学课程的兴趣，直观地从简单现象引出复杂问题从而揭示力学原理，还可以培养学生动手能力以及科学思维和素养，激发学生竞争意识：近来，计算机虚拟仿真技术也开始进入理论力学实验的探索，也是对验证性和演示性实验在演示和表现方式上的改革探索，缺少创新性的实验设计项目。通过游戏对抗的形式，让学生更积极主动地参与实验过程，而不是被动地按照步骤操作，通过演示性实验，学生固然可以验证课堂上所学的概念和知识，帮助消化基本理论概念，但是仅依靠常规验证性和演示性实验，没有创新实验，学生缺乏兴趣，没有较为显著的参与感，不能满足学生的创新精神和综合素质的培养。

[0044] 以下结合说明书附图对本发明的技术方案进行具体描述，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0045] 一种游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置具体如图1所示，包括桌台支撑1，设置在桌台支撑1上方的旋转桌台2，固定设置在旋转桌台2侧边的靶标3，固定在旋转桌台2上的横梁4，水平方向设置在旋转桌台且竖直方向固定在横梁4顶部的摄像装置5，与摄像装置5互联的显示记录装置6以及固定支撑在旋转桌台2上的激发装置7。

[0046] 其中，桌台支撑1用以固定和支撑创新游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置。可配合旋转桌台2控制预留管线和管路，桌台支撑1的材质可以是金属制品或木质材料或钢筋混凝土材料或复合材料。桌台支撑1的形状可以是圆形或方形或椭圆形或异形。

[0047] 旋转桌台2通过旋转形成非惯性系角速度，用于固定和支撑激发装置7和靶标3，支撑旋转桌台的桌面上小球8移动。可按需求调节旋转桌台的角速度ω，角速度可以为正也可为负，可以保持匀速或匀加速。角速度和角加速度均可以实时进行显示。旋转桌台的桌面尽可能光滑，以减少小球的速度损失，旋转桌台2的材质可以是金属制品或木质材料或钢筋混凝土材料或复合材料。

[0048] 横梁4用以固定横梁顶部的摄像装置5，横梁4固定在旋转桌台2上，随旋转桌台2同步转动。旋转桌台2的材质可以是金属制品或木质材料或钢筋混凝土材料或复合材料。旋转桌台2的形状是圆弧形或方形或椭圆形或异形。

[0049] 激发装置7内设有控制单元，用以水平击发小球8，使得小球8在桌面滚动具有初速度，可按需求设置击发小球的初速度Vr，可以调节击发小球8水平方向。激发装置7击发小球水平方向采用线控或遥控或程控。

[0050] 摄像装置5水平固定在旋转桌台2上，用以补捉激发装置视角的小球8水平向的运动轨迹；竖向固定在横梁4的顶部，随旋转桌台2同步转动，用以补捉击发后小球8在旋转桌台平面内的运动轨迹。

[0051] 显示记录装置6用于接收摄像装置5的输入，将摄像装置5捕捉的击发小球8运动轨迹实时记录并显示出来。显示方式可以是电脑显示，也可以采用独立的显示装置进行显示。

[0052] 靶标3固定设置在旋转桌台2的侧边，可按需求设置不同类型的靶标、图案和颜色，靶标3的材质可以是金属制品或木质材料或钢筋混凝土材料或复合材料。靶标3的形状可以是圆形或方形或椭圆形或异形。

[0053] 该游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置工作和计算原理如下：

[0054] 1.游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置接收信号或指令后，旋转桌台2以一定的角速度ω旋转，以提供非惯性系的角速度。

[0055] 2.游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置接收信号或指令后，激发装置7给予小球8初始速度Vr，在旋转桌台的桌面上滚动。

[0056] a.旋转桌台角速度为0时，小球8以Vr初始速度直线运动向前，小球竖向桌面支持力与重力平衡，水平向滚动摩擦力和空气阻力影响很小，忽略不计，小球8在桌面平面内几近以均速直线运动向前，直至撞击旋转桌台相对位置侧边缘。

[0057] b.旋转桌台角速度为ω时，小球以Vr初始速度向前运动，在非惯性系中，小球8竖向桌面支持力与重力平衡，水平向滚动摩擦力和空气阻力影响很小，同样忽略不计。不同的是小球在非惯性系中，由于角速度ω和相对速度Vr同时存在，产生科氏加速度ak＝2ω×Vr，对小球来说在非惯性系中运动，会受到科氏惯性力影响Qk＝‑2mω×Vr，从而在桌面内曲线运动。

[0058] 3.在旋转桌面的非惯性系中，忽略空气阻力和摩擦力带来的影响，竖向支持力与重力平衡，水平受科氏加速度ak影响，通过加速度求得小球的轨迹方程。

[0059] a.已知加速度ak(t)，使用牛顿第二定律F＝ma来推导指点的轨迹方程。

[0060] b.求速度，通过对加速度进行积分得到速度v(t):v(t)＝∫ak(t)dt+C1，C1是积分常数，通过初始条件确定。

[0061] c.求位移，通过对速度进行积分得到位移s(t):s(t)＝∫v(t)dt+C2，C2是积分常数，通过初始条件确定。

[0062] d.确定初始条件，通过初始速度Vr和初始位置s0，确定积分常数C1和C2。

[0063] e.小球的轨迹方程则是得到的位移方程s(t)。

[0064] 一种游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验方法的流程图具体如图2所示，包括以下步骤：

[0065] S1.力学科氏惯性力教学实验设定对抗场景，可以是海战，可以陆战；

[0066] S2.将学习者进行合理教学实验分组，分组场景可以为一组进行目标打击或两组进行对抗打击；

[0067] S2包括以下具体步骤：

[0068] S21.分组场景一：将学习者进行合理教学实验分组，教学实验分组采用一组进行目标打击；

[0069] 其中，S21包括以下具体步骤：

[0070] S211.学习者选择炮台，即激发装置7，布置炮台位置；

[0071] S212.教学者按需求设置靶标3位置，设置旋转桌台2的角速度ω，并告知学习者；

[0072] S213.学习者测量必需数据，包括靶标3位置参数L和旋转桌台半径R，结合旋转桌台角速度ω，计算得到小球8击中靶标的初始速度Vr，依据游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置工作和计算原理，可以采用编程计算或列表计算；

[0073] S214.学习者根据旋转桌台2角速度ω稳定场景，选择控制激发装置，击发使得小球获得计算初始速度Vr；

[0074] S215.实验教学者判定是否集中靶标，成绩是否有效。

[0075] S22.分组场景二：将学习者进行合理教学实验分组，教学实验分组采用两组进行对抗打击。

[0076] 其中，S22包括以下具体步骤：

[0077] S221.教学实验分组为红方和蓝方，分别选择己方炮台，即激发装置7，布置炮台位置；

[0078] S222.靶标分红方和蓝方设置，学习者讨论根据战术布置己方靶标3位置，靶标位置可以布置在旋转桌台2的边缘，可以布置在旋转桌台2的内部，可以均匀布置，也可以无规律布置，也可以重叠布置。

[0079] S223.教学者设置旋转桌台2的角速度ω，角速度是恒定值或是ω(t)变化值，并告知所有教学实验分组的学习者；

[0080] S224.红方和蓝方的学习者测量必需数据，包括对方所有靶标位置参数L和旋转桌台2半径R，结合旋转桌台的角速度ω或ω(t)，依据游戏对抗式理论力学科氏惯性力教学实验装置工作和计算原理，计算得到小球击中对方靶标的各种初始速度Vr；

[0081] S225.红方和蓝方的学习者，分组讨论，并制定打击战术，优化出打击对方靶标的顺序和时机，可编程计算或列表计算；

[0082] S226.红方和蓝方学习者根据旋转桌台的角速度ω或ω(t)，选择控制激发装置，依照各自战术依次击发使得小球8获得计算初始速度Vr，击中对方靶标得分，最先击中对方所有靶标，判胜；

[0083] S227.实验教学者判定是否集中靶标3，成绩是否有效。

[0084] S3.教学者和学习者进行教学实验总结，提升理论力学模拟和教学实验水平。

[0085] 其中，S3包括以下具体步骤：

[0086] S31.学习者组内讨论和分析，对方和己方靶标布置和激发时序战术的优势与问题，形成结论；

[0087] S32.游戏对抗根据需要设置多轮，双方根据对方的上一轮战术吸取经验教训，临时指定对策战术，采取回合制判胜负；

[0088] S33.教学者和学习者一起复盘，结合录像和计算结果，讨论理论力学知识点，提升理论力学模拟和教学实验水平。

[0089] 最后，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下还可以作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。