幾何畫板與物理教學(xué)

1、幾何畫板與物理教學(xué)口 文/張熙春幾何畫板原本是一個(gè)數(shù)學(xué)教學(xué)軟件，特別是在幾何方面的功能很強(qiáng)，號(hào)稱21世紀(jì)動(dòng)態(tài)幾何。它不僅受到數(shù)學(xué)老師的歡迎，同時(shí)也受到物理老師的喜愛。下面談?wù)劰P者在使用幾何畫板中的一些體會(huì)與想法。在教學(xué)中制作物理課件用哪種軟件好， 并無定規(guī)也因人而異。 不過對(duì)物理教師而言， 首 先是要易學(xué)易用，不能要求教師非常精通計(jì)算機(jī)技術(shù)， 而且用它制作課件也不難， 這兩點(diǎn)非 常重要。而幾何畫板正好具備此特點(diǎn)，它只要求使用者熟悉數(shù)學(xué)而不要求熟悉計(jì)算機(jī)技術(shù)。經(jīng)過幾年的實(shí)踐，筆者認(rèn)為，幾何畫板有如下特點(diǎn)才使它受到物理教師的青睞。易學(xué)、易掌握在20世紀(jì)90年代初，我們?yōu)榱酥v簡(jiǎn)諧振動(dòng)，曾請(qǐng)一位計(jì)算機(jī)

2、專業(yè)教師用了兩周時(shí)間制作了一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的課件。有了幾何畫板后，物理教師利用原理制作這個(gè)課件只用10分鐘的時(shí)間。方法非常簡(jiǎn)單：先用工具作一個(gè)圓O,在圓。上作一點(diǎn)A,然后作一直線j,過點(diǎn)A作直線j的垂線k,其交點(diǎn)為Bo用菜單中的“縮放”功能制作一彈簧，給A點(diǎn)制作一動(dòng)畫按鈕，最后再稍修飾一下隱去不必要的點(diǎn)、線就 OK 了，如圖1所示。當(dāng)點(diǎn)擊動(dòng)畫按鈕 后圖中A點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其投影 B點(diǎn)即小球做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。這是任何一位稍了解幾何畫 板的物理教師在備課時(shí)都能完成的事。這樣的軟件自然會(huì)受到物理教師的歡迎。k運(yùn)動(dòng)點(diǎn)圖I圖2科學(xué)性強(qiáng)科學(xué)性強(qiáng)即用幾何畫板制作的動(dòng)畫部分要符合物理規(guī)律。這是作為一個(gè)物理教學(xué)用課件必

3、須滿足的科學(xué)性要求。課件雖然是“做”出來的，但它必須要真實(shí)地反映運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如物體做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，要符合正弦或余弦規(guī)律。如圖1中的例子。物體做勻變速運(yùn)動(dòng)， 其位移與 時(shí)間必須符合二次函數(shù)關(guān)系。用幾何畫板制作二次函數(shù)圖像是它的強(qiáng)項(xiàng)，制作起來很容易,物理老師都能勝任。圖 2中的曲線顯而易見是二次函數(shù)圖像。圖中 s點(diǎn)與s'點(diǎn)是對(duì)應(yīng)的，所 以s'點(diǎn)，即這個(gè)物塊的動(dòng)畫能很好地模擬做初速為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情景。由于幾何畫板的操作可只用鼠標(biāo)來“拖動(dòng)”、“單擊”、“雙擊”等簡(jiǎn)單動(dòng)作實(shí)現(xiàn)演示，所以只要求學(xué)生熟練掌握這幾種簡(jiǎn)單動(dòng)作后，就可自己學(xué)習(xí)。如分子之間的作用力， 是高中物理中較難理解的一個(gè)知識(shí)

4、點(diǎn)，就難就難在認(rèn)識(shí)分子力的特點(diǎn)。我們可以用幾何畫板強(qiáng)大的計(jì)算功能很方便地制作一個(gè)如圖3所示課件展示在學(xué)生面前， 讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上自己作簡(jiǎn)單的拖動(dòng)，改變兩分子之間的距離，觀察分子之間的引力、斥力、分子力隨距離變化表現(xiàn)出來的特點(diǎn)。教師不需要有太多的講解， 只要作必要的提示， 提醒學(xué)生注意上面的一些數(shù)據(jù)的變 化、分子之間的作用可忽略不計(jì)等等。由于是邊提醒邊演示的，所以把一個(gè)在物理教學(xué)中非?？菰餆o味難以講明白的分子間的作用力變得非常生動(dòng)、有趣。物理的魅力也就在其中了。分子力模型分子直徑Lt*w i.mko引力 2JH)庫為2,00斥力分子力0.00RjO*具有模擬功能用它制作的課件能“恢復(fù)”物理現(xiàn)象的

5、本來面目，使學(xué)生能在“真實(shí)”的物理情境中學(xué)到物理知識(shí)。如波動(dòng)圖像，它在課本上是一幅不能動(dòng)的圖，如圖 4所示。對(duì)此，教師怎么 講，學(xué)生一時(shí)也很難明白。 如果我們將它改成一個(gè)能動(dòng)起來的如圖5所示的課件來模擬波的運(yùn)動(dòng)，展示給學(xué)生觀察。并在這個(gè)課件中增加幾個(gè)質(zhì)點(diǎn)，如a、b、c當(dāng)點(diǎn)擊“動(dòng)畫”按鈕后，展示在學(xué)生面前的是一幅活生生的物理圖景。演示中只需提示學(xué)生觀察波在運(yùn)動(dòng)中這些質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，這樣教師就無須說明波動(dòng)與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)之間的關(guān)系、解釋“波長(zhǎng)”和“振 幅” 了，完全可以由學(xué)生的總結(jié)來代替了。當(dāng)我們?cè)诮虒W(xué)中采用由學(xué)生自己操作的教學(xué)方法后，學(xué)生可以在邊“玩”邊學(xué)習(xí)的情境中來完成教學(xué)任務(wù)。由此可見，教師可以利

6、用這種全新的教學(xué)工具，總結(jié)出一種全新的教學(xué)方法，它怎么能不受物理教師的歡迎呢 ？存在一個(gè)實(shí)用的工具庫幾何畫板雖然好用，但它在某些方面對(duì)制作物理課件也受很大局限。例如幾何畫板的作圖功能較差，它只提供畫點(diǎn)、畫圓、畫直線工具，加上菜單中畫弧、作軌跡等功能，只能畫 一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)圖形，一般不能將其他圖片粘貼過來用。而僅就這些畫圖功能又滿足不了制 作物理課件的需要。特別是滿足不了仿真實(shí)驗(yàn)課件的制作。對(duì)此，幾何畫板為我們提供了一個(gè)“工具庫”來彌補(bǔ)畫圖功能的不足。新裝的幾何畫板，這個(gè)工具庫是“空”的。我們可以運(yùn)用一些畫圖技巧，將在制作課件 過程中常用的、較復(fù)雜的物理圖形事先畫好了，存放在工具庫中。當(dāng)工具庫中

7、的“工具”隨 著你制作課件中的積累達(dá)到一定數(shù)量后，制作物理課件時(shí)便可隨時(shí)調(diào)用了。這時(shí)制作課件可以像擺放“積木” 一樣方便（當(dāng)然動(dòng)畫部分需要利用幾何畫板的計(jì)算功能）。這些仿真課件像一塊“示教板”，可供學(xué)生在上面操作、研究和探索。正是由于這個(gè)工具庫的存在，不僅彌 補(bǔ)了幾何畫板在畫物理圖形方面的不足，還可大大地?cái)U(kuò)展幾何畫板的功能，使本來在仿真課件制作方面的弱項(xiàng)成了它的“強(qiáng)項(xiàng)”。圖6是筆者存放于工具中的部分工具。圖6圖7是用工具制作的一個(gè)小課件。它像一塊示教板，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)之前在它上面先做模擬實(shí)驗(yàn)，練習(xí)按并聯(lián)電路要求連電路、測(cè)電流。它能完全模仿實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，只要連接正確，兩燈泡便能正常發(fā)光。利用幾何畫

8、板的強(qiáng)大計(jì)算功能，很方便地能做到電流表既可以測(cè)一個(gè)燈泡中的電流， 也可測(cè)兩個(gè)燈泡的總電流，還可以檢查總電流與支路電流的關(guān)系。學(xué)生在練習(xí)時(shí)，教師不必?fù)?dān)心學(xué)生會(huì)損壞電池，也不必?fù)?dān)心會(huì)損壞電表，甚至可以將“實(shí)驗(yàn)室”搬回家，即讓學(xué)生在家里的電腦中使用課件。在課前可先預(yù)習(xí)，當(dāng)學(xué)生基本掌握了測(cè)量并聯(lián)電路中的電流方法時(shí)，就可讓學(xué)生到實(shí)際中去操作了。實(shí)驗(yàn)課后還可對(duì)不明白的地方回家再“實(shí)驗(yàn)”，直至完全掌握為止。并聯(lián)電路中的電流可以“做”理想實(shí)驗(yàn)在物理規(guī)律中有些規(guī)律是根據(jù)實(shí)驗(yàn)作了科學(xué)的、合理的推理得出的，而在實(shí)際中是做不到的。伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)是一個(gè)典型的例子，如圖8所示。小球可以從左斜面滑到等高的右斜面。當(dāng)右斜

9、面坡度減小時(shí)，小球也能滑到同樣的高度。當(dāng)右斜面坡度減小到零即水平 位置時(shí)，小球不可能達(dá)到原來高度，就要永遠(yuǎn)沿著水平面以恒定速度繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)下去。牛頓第一定律就是在這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際中永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)，在幾何畫板中卻能輕而易舉地實(shí)現(xiàn)。加利喀理想實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下學(xué)生探索知識(shí)的工具教師可將對(duì)知識(shí)的要求告訴學(xué)生后將課件交給學(xué)生，讓學(xué)生在探索中獲得知識(shí)。例如對(duì)楞次定律的學(xué)習(xí)，理解楞次定律是高中物理的一個(gè)難點(diǎn)。教師利用幾何畫板可制作課件來探索電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電流方向的規(guī)律，如圖9所示。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在課堂上實(shí)際做起來是很麻煩的，而用課件來探索是較容易的。因?yàn)樗芽床灰姷膬蓚€(gè)磁場(chǎng)方向與電流方向直觀地展示在學(xué)生面前了。這樣學(xué)生在注意觀察的基礎(chǔ)上邊觀察、邊思考，探索產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件及產(chǎn)生感應(yīng)電流方向的規(guī)律。由