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用《几何画板》改进高中物理难点的教学
8月21日

  在探索如何用计算机辅助教学的热潮中,笔者与众多教师们一起,在全国中小学计算机教育研究中心的引导下,尝试了用《几何画板》制作高中物理教学课件。经过一段时间的实践,深深感到《几何画板》做出的课件很适合用于改进高中物理难点的教学。虽说《几何画板》也不是万能,但是它在由函数牵动动画的功能上独具一格,使做出来的物理课件既似模拟实验又可以量化地研究问题,源于实验而胜于实验。教师和学生可以在课件上进行物理实验的延伸,探索物理条件逐渐变化后的未知结果,用以探讨一定难度的练习题。充分体现了计算机在实验与理论之间搭桥的辅助教学作用。

  由于《几何画板》课件在人机对话时只用鼠标操作,直接拖动表示某个量的点,而不需要掌握计算机专用术语和键盘操作,因此专心于物理知识而缺少计算机知识的师生也很容易操作。在使用《几何画板》辅助教学的课堂上,无论是学生还是来听课的老师,都感觉不到是为显示计算机而用计算机,而是在很容易理解的物理图景面前,大家都沉浸在思考的气氛之中。

  计算机辅助教学的理论认为,由于教学过程不能缺少教师对学生的思想教育和情感作用,也就是教师的主导作用应与学生的主体作用并举。所以探讨多媒体教学并不是要用计算机完全取代教师,而是要利用计算机的优越功能,改进教学的模式,使教师和学生都能在课件平台上发挥作用。《几何画板》做出来的物理课件就是能起到这样的平台作用。下面举例说明这些功能。

  首先,《几何画板》课件并不是简单地模拟物理现象,而是可以通过连续改变某些参量,量化地探讨问题的答案。

  以受力分析为例。对于高中刚开始学习力学的学生来说,受力分析是第一个难点,演示实验可以使学生理解和接受各个力学的规律。但一遇到具体问题时,要把各条规律联系起来考虑,就不容易明白了。

  例如:重100牛的物体置于水平面上,它与水平面间的滑动摩擦系数为 。使它沿水平面作匀速直线运动,至少加多大的力?

  学生往往简单地认为沿水平拉,只要刚好克服最大静摩擦力就行了。这时打开用《几何画板》做的、名为“受力物1”的课件,按条件设定物体重力和摩擦系数的大小,再用鼠标改动拉力的大小和方向,即可发现,拉力与水平成300仰角时,使物体刚好开始产生加速度(例如a=0.01m/s2)所需的力是最小的。而沿其它方向拉物体时所用的力都要大些。为什么会有这个结果呢?学生看了在课件上的“试验”,不但看到准确结果,还同时看到随着拉力方向的改变,支持力是怎样变的,由此引起摩擦力是怎样变。这是真实实验中看不到的,因为在真实实验中很难准确控制摩擦系数的大小。学生看了课件上的“试验”后,就容易想出原因,因而激发出探索的积极性。随后,在老师的引导下,根据已学知识列出方程组,联立解得最小拉力为F=μGcos300/[cos(300-θ)]。从式子也看出当θ=300时,因分母最大,所以F有最小值。这样,学生就理解了理论推算的实际意义了。

  可见《几何画板》课件并不是简单地显示物体的受力情况,而是可以象做真实验那样,把受力条件改来改去,量化地探索问题的答案。笔者曾在一节习题课上用这一课件连续地探索了六道习题,把本来很抽象的问题显示为很简单直观。教学过程老师的语言不多,学生很容易看到答案,因此思路很明确,课堂气氛平静而令人深思。学生们在教研座谈会上都说这种教法很好,希望多用这种教法。

  其次,《几何画板》课件可以按照物理公式来设定动画,所以演示的结果比真实实验还要准确,因此教师无需以“误差影响”来修饰实验结果。

  以匀变速运动的教学为例,两个质点作同向或相向运动。当两质点的初速度、加速度有什么关系时,两质点会在什么时间、什么位置相遇?相遇的次数是多少?打开“变速追赶”课件,按题目条件设定初速度和加速度的大小和方向,双击“运动”框,两质点就严格按照匀变速运动规律运动起来,相遇时间和地点都丝毫不差。也可以慢慢改变运动时间,逐秒观察质点的位移和瞬时速度,比看真实实验还清楚。

  由于在真实实验中很难控制速度和加速度的大小,也就无法用真实实验来演示这类问题,使这类问题显得比较抽象。现在用《几何画板》课件演示这类问题,由抽象变为直观,教学就不那么难了。

  再以动量的教学为例,两个球相碰,若动能没有损失,应该是完全弹性碰撞。那么两球的末速度如何?在什么条件下会出现反弹?在什么条件下会出现交换速度?大球撞小球是怎样的?小球撞大球又是怎样的?若动能损失最大,应该是完全非弹性碰撞,那么碰后两球是否必定会粘在一起?若动能损失不多不少,介于两种极端情形之间,两球的末速度是怎样的呢?在做完真实的完全弹性和非弹性碰撞的演示实验后,打开“两球碰撞”课件,在重演实验的基础上延伸实验,动画和测量值完全符合公式计算结果,不用修饰误差,很容易说明结论。然后让学生分析具体题目,就不用再作很多的推论分析和提示,学生就能找出正确答案。这样的教学,效率显然比常规教学法要高得多。

  第三,《几何画板》描绘轨迹的功能很强。在高中物理教学中,是经常要描绘质点的运动轨迹,但却无法做演示实验。这时若用《几何画板》课件模拟实验,以弥补演示实验的不足,显然是最好的了。例如在运动学中有这样一个无法用实验来演示的题目:两个互成角度为θ(θ≠00和1800)的初速不为零的匀加速直线运动,其合运动可能是:( )

A,匀变速曲线运动 B,匀变速直线运动

C,非匀变速曲线运动 D,非匀变速直线运动

  回答这一题的关键,是要理解产生直线运动与产生曲线运动的条件:物体初速度的方向与加速度的方向如果在同一直线上,物体就作直线运动;不在同一直线上,物体就作曲线运动。还要理解两个恒定加速度合成后仍是恒定的加速度。老师要全面讲清楚这题,就要列举各种情况,逐个作图分析,判断运动轨迹是否是曲线?由于学生看不到演示实验,所以感觉此题有一定的难度。这时可以打开“运动合成”课件,分别设定两个分运动的初速度和加速度,再改变两个分运动方向之间的夹角,就可以看到各种形状的轨迹了。当慢慢改变某一个量时,轨迹形状是逐渐演变的,因此很容易理解。

  也可以利用这一课件研究小船渡河运动问题。设一个分运动是沿水平向右匀速的,表示河水的运动。另一个分运动是指向画面上方,表示小船向着对岸行驶。若小船是匀速的,可以从显示的测量值对比发现:小船垂直指向对岸行驶时所用时间最短,但路程不是最短。若小船是匀加速的,可以看到小船的轨迹呈抛物线。

  还可以利用这一课件研究斜抛运动。设一个分运动是水平向右匀速的,另一个分运动是竖直向上匀减速的,就可以看到斜抛运动的轨迹。如果改设一个分运动是斜向上的匀速运动,另一个分运动是初速为零的匀加速竖直下落运动,也同样可以看到斜抛运动的轨迹。可见斜抛运动可以有两种分解方法。

  又例如电磁学中的速度选择器,带电粒子垂直射入复合的匀强电场和匀强磁场中。电场和磁场的方向是互相垂直的,电场力是恒定的,但磁场力是随速度大小和方向而改变,因此受力情况很复杂,使得带电粒子运动轨迹的形状也很复杂。在中学,这也是无法做实验来演示的。这时打开“电磁偏转”课件,任意改变带电粒子的质量、电量和初速度,改变电场强度的大小和方向,改变磁感应强度的大小和方向,就可以看到各种条件下的运动轨迹了。有时是直线的,有时是抛物线的,有时是圆形的,有时是摆线形的,有时是叶形的。再双击“显示力”和“显示速度”框,就可以看到带电粒子在各时刻的速度和受力。逐秒改变飞行时间,还可以看到磁场力是怎样随速度大小和方向而改变。虽然这不是真实的实验,但它显示的轨迹是严格符合物理规律的,而且比真实实验还细致清楚。在没有条件做真实实验的情况下,最好以此代替真实实验,这给教学带来极大的方便。

  在同一课件上研究不同的问题,通过某些量的逐渐改变,看着轨迹形状的变化,就能把复杂问题简单化了。

  此外,利用《几何画板》的函数功能,很容易制作出各种关于波动的课件,可以解决有关波动难点的教学。利用《几何画板》的作图功能,很容易作出各种光路图和透镜的课件,解决光学难点的教学。这里就不一一谈了。

  由于物理教学有着独特的特点:通过简化了条件的物理实验,单独理解某一定律是不难的。但实际上常常要综合应用几个规律来理解某一现象,使得推论比较困难,学生往往不能只通过看物理演示实验(或从网上看模拟实验)就能解决问题。因此还需要有一些可以研究问题的平台式课件,让师生在与计算机对话中深入了解现象的延伸变化。用《几何画板》制作的物理教学课件,就相当于在物理实验与理论推想之间搭桥,或者说是演示实验的延续和补充。

  从现有的《几何画板》物理课件来看,已经可以感觉到对高中物理难点的教学是有很大的帮助。只要更广泛地开展研究,可以相信,丰富多彩的《几何画板》物理课件将会改进高中物理难点的教学模式,使以后的学生学习高中物理不再那么难了。

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