用几何画板制作交互式课件的实践_示波器面板_课件的制作.pdf

现代教学技术 用几何画板制作交互式课件的实践 示波器面板 课件的制作 汪 海 黑龙江省教育学院 黑龙江 哈尔滨 摘 要 在高中物理示波器原理的教学中 经常利用示波器进行学生分组实验 通过操作和分析 以加深学生对 加速电场和偏转电场的理解和认识 当前 由于很多学校示波器的数量和状态无法满足教学的需求 在一定程度 上 影响了本知识教学的质量 借助仿真模拟物理教学软件作为教学实验的补充 自然就成为目前很多学校教师 的选择 但是 由于大多数仿真模拟软件存在着诸多的弊端 不能全貌反映示波器的真实状况 使得教学的效果 不够理想 我们利用几何画板软件开发了 交互式示波器面板仿真模拟软件 使用效果良好 有效解决了教学难 题 满足了教学的需求 关键词 示波器面板 示波器 几何画板 课件制作 中学物理实验是中学物理教学的重要组成部分 然而 多年来由于中学物理实验设备的老化 实验手段的落后 致 使实验效果欠佳 示波器是开展物理实验的重要仪器 也是 中学物理教学的重要内容 在人教版高中物理教材选修 中 有一个加速电场和偏转电场的综合应用知识 示波 管的原理的内容 从教学要求上讲 学生要能够将示波器的 工作原理和示波器面板上的控制旋钮一一对应起来 以有 效理解 掌握示波器显示正弦交变电流的波形时 电子束是 如何扫描的 以及在 和 偏转电极均加上电压后 荧 光屏上的图像是如何形成的 因此 对课堂教学来说 加强 学生对示波器面板的识别 使用的练习就显得尤为重要 但 在练习使用示波器的实际教学中 由于示波器结构比较复 杂 面板旋钮比较多 需要学生有一个由抽象思维向逻辑思 维和模型对位的转化过程 这就需要我们建立载体 以有效 解决示波器教学中的问题与困难 学生做示波器实验面临的困难 结构复杂与仪器短缺 示波器是中学物理实验室 中结构最复杂 面板旋钮最多的仪器 操控的难度比较高 学生很难在一节课里 熟练掌握操控技术 还有一个现实 的困难 就是大多数学校示波器不足或者根本就没有 不 少学校的学生根本就没有见过示波器 这就形成了有示波 器的学校 由于学生上手困难 往往也就知难而退了 没有 示波器的学校 也就任凭教师在黑板上讲讲罢了 示波器 的实验无法达到教学的要求 高速粒子的观察受限 在 和 偏转电极上 分别加锯齿波电压和正弦交变电压 电子束在荧光屏上激 发的光点是如何运动的 教材利用大量篇幅给予了描述 但是 在实际操作中 由于外接信号源为家用电源 电源电 压变化过快 频率 且不可调节 无法放慢速度对光 点的移动进行监测 另外 由于荧光屏上的荧光粉存在残 光效应 操作者无法观察到光点的移动过程 最终呈现的 是电子束扫描荧光屏的最终径迹 导致学生无法真正理解 电子束扫描的过程 仪器操作不便于调节 实际实验中 接通示波器电 源后 将示波器衰减挡拨到 外 输入 时 可能存在以下 几个问题 图 无法直接得到我们 希望看 到 的 整 数 个 正 弦 波 形 如图 这就需要我们 每次 都 重 新 调 节 扫 描 范 围 和 扫 描 微 调 以 得 到 我们需 要 的 稳 定 的 整 数 个 周期的正弦图像 调节起来 既费时又费力 在实验操作完成后 示波器 各 项 参 数 不 能 够 迅 速恢复到实验前的初始状态 导致第一个班级的学生的动 手 动脑能力得到了充分的锻炼 但是接下来到实验室的 其他班级的学生就会 尽享其成 不必进行过多设置便可 得到清晰的实验图像 这样 唾手可得 的实验结果 会大 大降低学生的探究热情 对突破示波器教学难点媒体的思考 上述教学困难 无疑构成了教学的难点 如何突破呢 大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用 促进信息技 术与学科课程的整合 逐步实现教学内容的呈现方式 学 生的学习方式 教师的教学方式和师生互动的教学方式的 变革 充分发挥信息技术的优势 为学生的学习和发展提 供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具 多年的实践 我们注意到 信息技术与学科的有效整合 是突破示波器 教学难点的有效路径 并进行了很多的尝试 有了较深刻 的体验和认识 归纳起来有如下几点 现在大家应用的仿真模拟物理实验软件不少 但 没有功能非常完整的示波器仿真软件 所见到的基本上都 是功能比较单一 只能实现示波器的一个或者几个功能 而且界面粗糙 仿真性差 与教材中的实验不相符 操作起 来学生没有 身临其境 的感觉 物 理 教 师 第 卷第 期 年 在多数仿真软件中 人机交互性都不是很出色 如 使用者无法改变示波器面板大小 不能改变操作旋钮大 小 更关键的是 软件使用者无法实现实验参数的调节 更 不用说对各项实验参数进行精细的调节了 就目前来讲 流行的多数教学课件仅仅能够实现 调节旋钮后 图像随之变化 但并非根据输入的数据 通过 函数计算而得到相应的定量变化 即存在图像与参数之间 的 假响应 现象 交互式示波器面板仿真模拟软件的功能 利用几何画板制作物理课件 是用动态方法研究物理 过程 用数和形相结合的方法研究物理问题 用虚拟方式 模拟和演示实验仪器和实验本身 能很好地促进物理学科 自主性学习和科学探究活动等教学环节 用几何画板制作 的物理课件不但可以供教师上课使用 还可供学生自主学 习 针对实际教学的需要和一般仿真软件出现的上述问 题 我们利用 几何画板 版 设计并制作了一款交互 式示波器面板仿真模拟软件 该软件有以下几个特点 学生可以自主复习 只要把课件安装到电脑中 即便 没有教师的帮助 学生也可以大胆放手进行模拟实验 增加了 学生实验的现场感 加快了学生正确使用示波器的速度 图 功 能 仿 真 程度较高 完全 复制了示波器面板 如图 软件界面 上所有旋钮的位置 与真实示波器面板 旋 钮 位 置 完 全 吻 合 并 且 在 缩 放 以 后各部件均等比例 放 大 相 对 位 置 均 分布无变化 实验参数与图像之间完全利用物理公式结合 数学函数计算 得到的结果相应变化 十分流畅 图 放慢光点移动时间 由于本课件采用慢速播放的 方式 光点扫描径迹的周期很 大 学生可以跟踪动点的运动 情况与扫描径迹的关系 即能 够看到光点移动过程 同时也 可以看到荧光粉残光效应 如 图 所以模拟的实验过程更 加直观 有利于学生深刻理解 电子束的扫描运动 实验数据复位功能 假如软件使用者将数据调节 到一团糟时 只需要将实验数据恢复至原值 即退出软件 并点击 不保存 再打开软件后 数据恢复如初 这样 就 可实现学生每次进行仿真实验时 都可以从最基本的数据 开始调节 人机对话界面友好 使用者可以随意缩放示波器 面板及操作旋钮的尺寸大小 还可以根据需要实现与示波 器一样的任意调节实验参数 基本实现 完全仿真 交互式示波器面板仿真模拟软件的安装与使用 该软件大小只有 在装有几何画板 或以上版本的电脑中都可以使用 由于高版本的几何画板 软件汉字往往会出现乱码 故建议安装几何画板 版 本 高版本几何画板出现乱码后 也可以手动重新键入汉 字进行修正 该软件对计算机软硬件要求很低 在能够稳 定运行 或者 系统的电脑上都可以 顺利运行 软件界面逼真 该软件的界面分为 个区域 区 如图 甲 信号输入区 用来打开电源总开关及 单独进行 或 方向接入信号 区 如图 乙 软件控制区 可以控制示波器面板 的等比例缩放 以及实验数据的初始化 实验者可以对各 个旋钮的精细调节可以做到轻松自如 并且可以在实验图 样一团糟的时候将屏幕迅速清空 图 区 如图 丙 主使用区 所有实验涉及到的旋钮 参数都在这个区域内进行调节 区 如图 丁 实物图片对比区 使用者可以随时 观察对比真实示波器面板和仿真模拟面板的各部分旋钮 此区域仅做对比使用 不参与实验调节 软件的使用 打开软件 调节缩放滑块 使示波器面板大小与屏 幕适配 初始设置 屏幕上有一个点 表示电子束在荧光屏 上打出的光点 这里称之为 动点 下同 先点击 准备 按钮 若该点能够位于横轴上 则画出的图像为正负最大 值对称相等的正弦曲线 若该点不在 轴 可以调节 竖直位移旋钮 使该点移至横轴上 分方向加偏转电压 点击 扫描 可以看到动点在 轴做单向平移扫描运动 轨迹为直线 动点运动至最右端 时 瞬间跳回至起点后继续重复扫描 这一运动可以让学生 深刻理解动点在 极板加锯齿波电压后的运动情况 第 卷第 期 年 物 理 教 师 例谈微元法在物理解题中的应用 邵明孝 枣庄市第八中学 山东 枣庄 微元法是物理研究中的一种基本方法 通俗地说就是 把研究对象分为无限多个无限小的部分 而后取出其中有 代表性的一部分来进行分析处理 再从局部到全体综合起 来加以考虑的科学思维方法 在这个方法里充分地体现了 积分的思想 此类问题近年来在物理竞赛和自主招生考试 中多有涉及 如何恰当地选用微元法才能迅速有效地解决 问题 下面通过几个例题加以说明 一般来讲利用微元法解决问题有以下几个步骤 微元的选择常见的有线元 面积元 质量元 体积元 时间 元 角元等 分析元过程找出微元遵循的规律 将 元过程进行必要的数学方法或物理思想处理 综合分 析所有元过程进行数学处理得出结论 图 例 线 元 的 选 择 如 图 所 示 一个半径为 的 光滑球面 放在水平桌面上 球面上放置一光 滑均匀铁链 其 端固定在球面的顶 点 端恰与桌面不接触 铁链单位 长度的质量为 试求铁链 端受的 拉力 解析 微元的选择 以铁链为研究对象 由于整 条铁链的长度不能忽略不计 所以整条铁链不能看成质 点 要分析铁链的受力情况 需考虑将铁链分割 使每一 小段铁链可以看成质点 分析每一小段铁链的受力 根据 物体的平衡条件得出整条铁链的受力情况 在铁链上任 取长为 的一小段 微元 为研究对象 图 元过程遵循的物理规 律 对此小段 进行受力分析 如图 所示 由于该元段处于静 止状态 所以受力平衡 在切线 方向上应满足 由于每段铁链沿切线向上的拉力比沿切线向下的拉 力大 所以整个铁链对 端的拉力是各段上 的 总和 即 对元过程进行数学方法或物理思想处理 观察 点击 准备 按钮 将动点复原 点击 扫描 可以看到动点在 竖直方向做往复运动 简谐运动 这一运动可以让学生深刻 理解动点在 极板加正弦交变电压后的运动情况 研究动点的合运动 点击 准备 按钮 将动点复原 点击 开始扫描 可以看到 扫描 和 扫描 按钮均被 按下 动点做正弦轨迹的运动 由于本实验在预先保存时 处于扫描微调和扫描范围恰好合适的数值 即横向扫描电 压的周期和纵向扫描电压的周期恰好相等 故可以看到动 点始终在同一正弦轨迹上做单向扫描运动 图 基本旋钮操作 如图 点击 准备 开始扫 描 按钮 使动点开始扫描 拖 动 辉度 旋钮控制点 可以看到轨迹颜色随之改变 这里由于面板屏幕为浅色 故 采用黑色表示高灰度 拖 动 粗 调 聚 焦 和 微调聚焦 旋钮 可以看到光点的大小发生变 化 模糊 精细 轨迹粗细也 随之变化变粗 调节至最细状 态 轨迹最清晰 调节 水平位移 竖直位移 旋钮 可 以观察到动点及轨迹可以在屏幕上平移 调节轨迹至屏幕 中央 调节 增益 增益 可以观察到图像纵向 横向幅度拉宽或变窄 调节 扫描微调 和 扫描范围 可以看到 由于 和 两对偏转板所加电压周期不吻合 将出现 麻 花 图形或者 李萨如图形 而如果调节适当 可以得到整 数个周期的稳定正弦图形 调节 同步 旋钮 可以看到轨迹图