利用几何画板实现高中物理力学和运动学的深度教学

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　　摘 要 “几何画板”是一款常用的物理、数学多媒体教学软件，其带有丰富的创造功能，可方便教师按照自己的设计思想编写出所需的教学课件。它既能创设静态的几何图形，又能动态的保持几何关系，很容易开发出配合数学、物理等课程的课件，已成为制作中学物理教学课件的主要创作平台之—。在高中物理的力学与运动学部分经常会遇到动态问题，而传统教学中教师凭借粉笔和黑板仅能绘制出静态图像，学生很难想像变化的物理过程。文章介绍了利用几何画板开发力学与运动学课件的过程，这些课件能较好的展示动态的物理过程，从而提高教学效率。论文的结尾部分讨论了几何画板教学的有效性及作者对软件教学应用的体会。
　　关键词 几何画板 高中物理 力的合成 运动学
　　中图分类号：G424                                     文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.12.068
　　Using Geometric Sketchpad to Realize the Deep Teaching of
　　Physics Mechanics and Kinematics in Senior High School
　　WEI Chunxiang
　　（Chengdu Foreign Languages School， Zigong， Sichuan 643000）
　　Abstract "Geometry Sketchpad" is a commonly used multimedia teaching software for physics and mathematics， which has rich creative functions， and it is convenient for teachers to write the required teaching courseware according to their own design ideas. It can not only create static geometric figures， but also maintain dynamic geometric relations. It is easy to develop courseware for mathematics， physics and other courses. It has become one of the main creation platforms for making middle school physics teaching courseware. In the mechanical and kinematic part of high school physics， dynamic problems are often encountered. In traditional teaching， teachers can only draw static images with chalk and blackboard， so it is difficult for students to imagine the changing physical process. This paper introduces the process of developing mechanics and kinematics courseware by using geometric sketchpad. These courseware can show the dynamic physical process better， so as to improve the teaching efficiency. At the end of the paper， we discuss the validity of geometry Sketchpad teaching and the author's experience of software teaching.
　　Keywords Geometry Sketchpad; high school physics; force synthesis; kinematics
　　0 引言
　　多媒體技术已广泛应用于高中物理教学。“几何画板”短小精悍，功能强大，尤其是它具有由函数牵动动画功能，使作出的物理课件不仅能模拟试验还可以量化研究问题，既源于实验又胜于实验。教师和学生可以利用课件进行物理实验的延伸，探索已知条件逐渐变化的未知结果，探讨具有较大难度的例题习题。将一些学生难以理解和用语言难以表达清楚的重难点知识形象、生动地表现出来，优化教学过程，提高教学效率，从而极大地激发学生的学习兴趣和学习的主动性，培养学生的空间形象能力、逻辑推理能力及创造思维能力。
　　高中力学和运动学的知识中有很多关于动态变化的问题，教师仅用一支粉笔和一块黑板只能画出一两幅静态图形。利用几何画板可以使传统教学中只能在黑板上静态表现的结果变成动态的展示过程，从而使学生对一些物理问题理解得更快、更深刻。利用几何画板制作的课件，区别于传统教学模式，真正体现了现代教育技术与物理教学的紧密结合。
　　1 课件设计与制作
　　1.1 力的合成
　　1.1.1 设计目标
　　用平行四边形法则来求解力的合成。能够动态的表现力的连续变化，任意改变某一分力就能观察到合力的变化，可改变分力间的夹角，从而改变合力的大小和方向。 　　1.1.2 制作过程
　　（1）构造线段AB和线段CD。作一点O，以点O为圆心，分别以线段AB，线段CD为半径作圆C1，圆C2。在圆C1上取一点E作线段OE;在圆C2上取一点F，作线段OF。
　　（2）过点E，作线段OF的平行线j，过点F作线段OE的平行线k。平行线j和平行线k交于一点G，构造线段EG，线段FG，线段OG。
　　（3）创建点E的动画，使点E沿圆C1逆时针以中速运动，设置点G为追踪点。
　　（4）选中点O，将其按r=1.0厘米， =90.0度的极坐标形式平移得到点O’。选中点O点O’，以“圆心和圆周上的点”绘圆C3。圆C3交线段OG，线段OF 于点H点I，依次选中点I点H和圆C3，选择“作图”——“圆上的弧”命令，绘出由点I到点H的一段弧，度量角度IOH。度量线段AB，线段CD，线段OG的长度。
　　（5）选中点E，按“直角坐标向量”方式，在“水平方向”上平移0.4厘米，得到点E’。以点E为圆心，E’点为圆周上的点绘圆C4，圆C4交线段OE于点J。以点E为中心，按20度方向旋转点J得到点J’，以点E为中心，按-40度方向旋转点J’得到点J’’。选中点J’点E点J’’构造三角形内部，并将其设置为黑色。用同样的方法绘制线段OG和线段OF的箭头。
　　（6）在对应位置用文本注释相关文字。将不必要的信息隐藏。
　　1.2 行星的运动
　　1.2.1 设计目标
　　本课件动态展示月球、地球、水星、金星、火星的运动过程，展示单个行星运动的轨迹以及其在远日点和在近日点运动快慢的不同，此外也可以同时演示行星的运动，形象逼真。
　　1.2.2 制作过程
　　（1）作点A和点A’，点B和点B’，点C和点C’，点D和点D’，点E和点E’，点F和点F’之间的线段，分别表示月球半径，月球轨道半径，地球半径，水星半径，火星半径，金星半径。
　　（2）作点G和点H，以点G为圆心经过点H作圆C1。以点太阳为中心，按180.0度旋转点G得到点G’。在圆上选一点I，做线段GI 和线段G’I，作G’I的中点 J，过点J作线段G’I 的垂线j，交线段GI 于一点，将此点命名为点火星。创建点I的动画“火星运动”，使点I以中速逆时针沿圆C1单向运动。设置点火星为追踪点。
　　（3）作点K和点L，以点K为圆心经过点L作圆C2。以点太阳为中心，按180.0度旋转点K得到点K’。在圆上选一点M，做线段KM 和线段K’M，作K’M的中点 N，过点N作线段K’M 的垂线k，交线段KM 于一点，将此点命名为点水星。创建点M的动画“水星运动”，使点M以中速逆时针沿圆C2单向运动。设置点水星为追踪点。
　　（4）在y轴上选取点O和点P，以点太阳为中心，按180.0度旋转点O得到点O’ ，以点O’为圆心经过点P作圆C3。在圆上选一点Q，做线段OQ和线段O’Q，作线段O’Q中点R，过点R ，作线段O’Q的垂线l，与线段O’Q 交于一点， 将此点命名为点地球。创建点Q 的动画“地球运动”，使点Q以中速逆时针沿圆C3单向运动。设置点地球为追踪点。
　　（5）在X轴上选取点F1，以点太阳为中心，按180.0度旋转点F1得到点F2。构造线段A’’B’’，以F1为圆心，线段A’’B’’为半径，构造圆C4。在圆C4上选一点S，做线段F1S，线段F2S，作线段F2S 的中点T，过点T作线段F2S 的垂线m，交F1S 于一点将此点命名为点金星。创建点S的动画“金星的运动”，使点S以中速逆时针沿圆C4单向运动。设置点金星为追踪点。
　　（6）以点U为圆心，线段“月球轨道半径”为半径作圆C5。在圆上取一点V，点地球按向量U到V平移得到点V’，此点命名为点月亮。创建点V的动画，使点V以中速逆时针沿圆C5单向運动。设置点月亮为追踪点。
　　（7）以点火星为圆心，以线段“火星半径”为半径绘圆，构造圆内部。以点水星为圆心，以线段“水星半径”为半径绘圆，构造圆内部。以点地球为圆心，以线段“地球半径”为半径绘圆，构造圆内部。以点月球为圆心，以线段“月球半径”为半径绘圆，构造圆内部。以点金星为半径，以线段“金星半径”为半径绘圆，构造圆内部。
　　（8）依次选中“火星运动”，“水星运动”，“地球运动”，“金星运动”，“月亮运动”按钮，在“编辑”——“操作类按钮”——“系列”中设置为同时运动，标签为“行星运动”。
　　2 应用几何画板的体会
　　“力的合成”中通过设置代表某一分力的线段端点的动画，使其沿选定的轨迹运动，继而使合力发生变化。这一课件可以动态的演示合力随分力的变化过程，使学生可以看到任一时刻合力与分力的关系。“行星运动”中主要运用了几何画板的动态功能，利用椭圆的形成过程绘制各行星的运动轨迹，使运动一目了然。[1]
　　“几何画板”学习容易，操作简单，自学就可以掌握其基本用法。因其具有强大的图形图像功能、突出的动画功能等，使得课件制作花时少，课件存储容量小，易于携带，方便交互，已成为制作中学物理教学课件的主要创作平台。
　　“几何画板”变革了教学方法。它使物理教学由传统的教师凭嘴说、凭手写的教学模式转变为现代化的多媒体教学方式，有利于学生掌握知识，使其获得成功体验，拉进师生间的距离。它作为学生探究的工具，有效的培养学生的创新精神和实践能力，使学生也可以自己制作课件。[2]同时，它能加大课堂教学的密度，提高学生信息吸收率。
　　“几何画板”变革学习方式。它做出的图形图像都是动态的，在动态的过程中又保持不变的几何关系，为学习过程中提出、分析和解决问题提供了很好的条件，从而更好地培养学生的能力。[3]它动态反映过程，可以方便地解决难点问题。它交互性强，能够让学生更多的参与，提高学习的积极性和主动性。它有利于知识的延展，并通过对真实情境的再现和模拟，培养学生的探索和创造能力。它具有教学过程可重复性，便于复习。
　　“几何画板”提高了教学效率。它不但为教师教学提供了极大帮助，同时也为学生提供了一个自由的开阔的，十分理想的环境。[4]它可以实现资源共享，促进教师在网络上的交流和沟通。它可以让学生以研究者和探索者的身份主动参与到学习之中。它可以扩大教学信息量，节省教学时间。
　　几何画板能够将物理知识和数学知识紧密结合起来设计物理课件，在保持几何关系不变的前提下呈现动态的物理过程。但它只能解决具有几何关系的一些物理问题，还需要开发新的功能。
　　参考文献
　　[1] 张视宇，朱俊杰.“画板”的自白[J].信息技术教育，2004（3）.
　　[2] 陆亚彬.利用几何画板实现深度教学[J].陕西教育，2006（Z1）.
　　[3] 张献国.利用几何画板培养学生能力[J].兵团教育学院学报，2006（21）.
　　[4] 齐伟.让物理教学更丰富多彩[J].信息技术教育，2004（3）.
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