探讨《几何画板》在物理实验教学中的应用，本文主要内容关键词为：画板论文,几何论文,物理实验论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着现代计算机技术的迅猛发展，我国教育改革的进一步深化，教学手段的不断提高，全国各级学校积极推广现代教育技术，提倡CAI 教学，近几年来已涌现出不少适合于课堂教学和个别教学的计算机辅助教育软件，这些软件充分发挥了多媒体计算机的特点，生动、直观、准确地反映了教学内容的重点、难点，寓教于乐，为帮助教师讲授、学生理解和自我学习起到了很好的作用，《几何画板》就是其中的一种优秀学习软件。
作为全国中小学计算机教育研究中心推荐使用的教学软件，《几何画板》的突出特点是在教学中能够动态地保持所给定的几何关系，在动态的几何图形变化中来观察、探索、发现恒定不变的几何规律，而且特别适合于学生自己动手制做演示，体现“从做中学”的教学思想。作为能让学生自己动手主动参与学习的一种教学软件，它不仅适合于中学数学中几何知识的教学，而且还适合于中学物理的教学。中学物理教学中的物理概念、物理规律在传统的教学中，主要通过教师的讲解，学生的理解，沿着条条框框死记硬背的，学生对这种学习索然无味，也不便于培养学生认真观察思考，提高分析与解决实际问题的能力。利用《几何画板》软件，学生就可以运用它的作图、计算、函数、动画和OLE功能，以研究者的方式，用动态变化方式清晰准确地表述出许多物理现象，探索出物理变化规律，因而它在中学的物理教学中具有良好的教学效果。我们在这几年的教学课件制做中，利用《几何画板》软件在中学物理教学中做了一点探讨，积累了一些经验。
一、几何画板功能划分
根据《几何画板》在物理教学课件制做中的用途，将《几何画板》的功能归纳为以下三点：
1.几何作图功能
《几何画板》中具有我们过去画几何图形的铅笔、直尺和圆规，利用它能准确地绘制各种欧几里德几何图形，并且保持几何元素点、线、圆之间的几何关系，点、线、圆之间的几何关系我将其理解为“约束”，如：点在直线上，可以认为是直线是点的位置的约束；以某点为圆心，定直线为半径的圆，可认为是点和直线对圆的位置和大小的约束。不管你如何改变几何元素的位置、形状，这些约束关系是不会改变的。更重要的是这些“约束”还可以构成层级关系，即几何画板中的“父母子女”关系，一个“父母”可以有多个“子女”，一个“子女”也可以有多个“父母”，“子女”还可以有“子女”。将这些关系用于确定物理学中初始状态的“约束”，且指定出一些基本参数的变化范围，这对准确地表现物理现象动态变化是非常有效的。
2.度量和函数计算功能
在几何画板中可以测量许多几何元素或图形的数值参数，如长度、角度、距离、面积、坐标等，同时还可对这些数值进行数学运算，加入函数。在建立坐标系后，可绘制各种函数曲线，这些功能尤其适合于物理教学，因为在物理学中往往有很多物理现象、原理是不能用简单的量变关系来度量，必须用带参数的函数公式来表示其关系的，如物体的受力，波的干涉等。另外由几何图形得到的度量值和函数值在几何画板中也是被测对象的子女，同样受到约束，如果几何参数发生变化，这些约束对象的数值也会相应变化，这对于从物理现象中研究规律，得出理论，达到物理教学目的提供了良好的条件。
3.动画演示和OLE功能
在确立了约束关系后，《几何画板》可实现一定的平面动画功能，如点在圆上，则点可绕圆运动；在坐标系中绘出某函数曲线，改变函数中的参数，则曲线形状亦发生变化。利用此功能，加上WINDOWS系统中强大的OLE（对象链接）功能，进行物理现象演示，既准确又生动形象。在WINDOWS系统中具有OLE功能的对象很多，象声音、MIDI、图表、图形图像甚至视频等都可嵌入几何画板。
二、教学课件的制作步骤及演示
在本人使用《几何画板》制作物理教学课件的过程中，总结出其一般制作步骤。下面以本人制作的抛物运动课件为例，说明制作过程及达到的教学效果。
1.将实际问题转化为物理问题
实际中的物理问题往往是错综复杂的，物理教学中抽象的概念、原理是从现实的物理现象中分析总结得出的。因此，运用《几何画板》制作课件的第一步是将实际问题转化为物理问题。即按照物理学的原则，忽略一些不考虑的因素，如抛物运动里的风、空气阻力等，只将我们关心的要素，如初速度的大小、方向、重力作用等全部进行量化，并给出它们之间的物理变化关系。
2.建立解决问题的数学模型，使之上升到理论化
要能真实反映物理现象就必须建立准确的数学模型，即所说的理论化。如研究抛物运动，我们先从一般的斜抛运动开始，建立如下数学模型：
已知：初速度V[,0]（给定大小）
初射角（0°～90°）
时间t（0～∞）
水平位移：S[,H]＝（V[,0]cosθ）t
垂直位移：S[,V]＝（V[,0]sinθ）t—1／2gt[2]
3.确定约束要素、约束关系
首先在几何画板中建立坐标系，如图1所示。
（1）对时间t的约束：因为t的变化范围为0～∞，我们可以在X 坐标轴上建立一条从原点起始沿X轴正向的射线L1，再在该射线上取一点，这个点的横坐标值即是t，当这个点沿射线运动时，t的变化范围即为0～∞。
（2）对初射角和初速度的约束，如图2所示：初速度是有大小和方向的，大小一般用一条线段L2的长度来约束，方向用初射角约束，因初射角θ变化范围为0°～90°， 所以我们应先在坐标轴第一象限内以线段L2为半径画一四分之一圆弧，让一点在其上运动，该点与原点及X 坐标正向的夹角即是θ，圆弧的半径长度即是初速度大小。
4.利用作图功能和函数计算功能完成动态控制
画一个由原点起始的箭头，箭头的方向受θ约束，箭头的长度受V[,0]的约束；
用函数计算出S[,H]＝（V[,0]cosφ）t和S[,v]＝（V[,0]sin θ）t－1／2gt[2]，以S[,H]为横坐标、S[,v]为纵坐标绘出物体运动点M，如图3所示：
5.用动画功能和OLE功能表述抛物运动，并跟踪物体运动轨迹
首先在几何画板中建立时间t由0～∞变化的动画按钮；其次用OLE功能将一个球体图象链接到物体运动点M上； 再次将一段发射球体的声音链接到动画按钮上，如图4所示：
然后，设定物体运动点M为被跟踪点；
显示时间t由0～∞变化时的物体运动轨迹；
将运动参数初速度V[,0]、初射角θ、时间t的实际数值及物体运动点坐标显示出来。
到此为止，斜抛物体运动的动画基本制作完成，用鼠标点击动画按钮，已可看到球体沿抛物轨迹运动，改变V[,0]和θ， 抛物轨迹形状就会跟着相应变化。
6.将物体运动规律用物理理论和公式表示出来
在教学过程中，学生观察过现象后我们应该将其分析、总结为物理理论，并给出有关的计算公式，让学生重点掌握。
在课件中还应加入说明：斜抛运动可分解为水平方向的匀速直线运动和垂直方向受重力作用的匀加速直线运动，给出公式如下：
为利于教学，还应制作一个显示／隐藏按钮，在演示现象时隐藏说明；在总结时再将说明显示出来。
7.改变其约束值，类推到其他物理现象
一个课件在功能上应充分发挥效用，不能只限于完成一个课题的教学，应将与其类似的物理现象、物理理论一同反映出来。比如：斜抛运动在一些特殊情况下可变为其它抛物运动，如当初速度V[,0]＝0时，它就变为自由落体运动；当初射角θ＝0时，就变为了平抛运动， 当初速度V[,0]＞0、初射角θ＝90°时，就是垂直上抛运动，所以在几何画板中改变参数V[,0]、θ到特定值，可同时研究其它三种抛物运动， 我们对这三种情况也建立相应的动画按钮和说明，学生可利用这种综合课件掌握自由落体、垂直上抛、平抛、斜抛几种运动的规律及其相互关系。制作好的课件界面如下图5所示：
8.建立帮助按钮，完成课件测试
完成以上步骤以后，我们再设定帮助按钮说明，在教学过程中利用说明按钮就可以获得该课件的正确的操作方法即学习的知识要点。最后测试每个动画按钮的操作是否正确。整个课件就制定完成了。
9.教学效果分析
该课件既可用于课堂教学又可用于学生个别学习，既能通过动态演示对每种抛物运动进行教学，又能对几种抛物运动进行比较、总结。我们通过在教学实践对该课件的教学效果分析后，总结出以下几个优点：
（1）能动态地精确演示物理现象，并配有物体运动测量值， 比做实物实验更好。
（2）可多次重复动画，也可手动方式用鼠标拖动物体运动， 研究物理现象；
（3）一个课件包含多个知识点，同时反映多种物理现象， 有利于学生在学习时建立知识结构，融会贯通。
（4）采用动画和OLE功能，使教学内容以多媒体信息形式呈现，生动直观，形象逼真，提高了学生学习兴趣。
（5）制作方便，不需投入大量精力和时间，随做随用。 熟练人员一般两三天即可完成一个课件。
（6）生成的计算机文件小，一般只有100KB～200KB，便于交流。
三、结束语
几何画板是一个非常简便实用的课件制作工具，不仅适合于数学、几何课件的制作，只要充分发挥其功能，在物理实验教学课件制作上亦有广泛的应用范围，本人用与上面同样的方法还制作了象波的干涉、电磁场理论研究、光的折射（透镜成像）等多个物理课件，都达到了良好的教学效果，将自己的一点体会写出来，希望与广大教师共同探讨。