几何画板在初中物理教学中的具体应用和作用

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几何画板在初中物理教学中的具体应用和作用
摘要：几何画板作为物理教学中常用的教学软件，我们应该掌握它的用途，了解它的特性和优势，从而为我们今后的教学更好地服务。本文就几何画板在初中物理教学中的两个具体应用事例（几何画板在凸透镜成像规律教学中的应用；几何画板模拟电动机在电动机原理教学中的应用）四大作用（有助于提高课堂教学效率；有助于培养学生观察问题、猜想问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生学习物理的良好方法；有助于培养学生学习物理的兴趣和信心；有助于培养学生物理学习的思维）进行论述。
   关键词：几何画板；物理教学；应用；作用
新课标指出，初中物理教学应从学生的实际出发，创设有助于学生自主学习的问题情境，引导学生通过实验，思考，探索，交流，获取知识，形成技能，发展思维，促使学生在教师指导下生动活泼地，极富个性地学习。而初中物理教学中几何画板在模拟力学运动、动态演示光路传播和凸透镜成像等方面的使用改变了我们传统的一些教学方法，通过运用几何画板可以使学生能够迅速有效地掌握相关知识。从而由过去的教物理为主体转向学物理为主体，教师、学生、教学工具三者间的关系产生了根本性变化，使传统的教学方法发生了根本的变革。
几何画板（The Geometer's Sketchpad）软件是由美国Key Curriculum Press公司制作并出版的几何软件。它的全名是几何画板--21世纪的动态几何。由人民教育出版社引进并翻译的一个适用于几何及物理教学的软件平台。在初中物理教学过程中，教师可以充分利用它丰富而方便的创造功能随心所欲地编写出自己需要的教学课件，实现自己的教学思想。对于教师来说一般只需要熟悉软件的简单使用技巧即可自行设计和编写应用范例，范例所体现的并不是教师的计算机软件技术水平，而是教学思想和教学水平。
一、几何画板在初中物理教学中的具体应用
（一）几何画板在凸透镜成像规律教学中的应用
例如在初中物理教学中，凸透镜成像规律的学习是学生最感头痛的事之一。很多学生直到中考复习依然没有把这个内容弄明白。关于这个内容的教学过程其实是一个很好的培养学生探究能力的好机会。也是在中学物理中利用几何画板教学的绝好例子。
      新课标的“凸透镜成像的规律”的教学，主要是通过学生的实验“探究”得到凸透镜成像的规律，探究的结果一般分了五种情况：u>2f时，成倒立缩小的实像；u=2f时，成等大倒立的实像；2f>u>f时，成倒立放大的实像；u=f时，不能成像；u<f 时，成正立放大的虚像。其实如果仅仅通过学生实验，是很难得出这些结论的。原因至少有两点：学生怎么会想到要以2F点(u=2f)和F(u=f)点为界来做实验？如果是老师预先指定了以2F点和F点为界分五种情况来研究，也是不可能的，我想老师们应该发现了这样的问题：当蜡烛在2F点附近时，火焰和它的像都差不多都相等；当蜡烛在F点时在光屏上仍能看到一个特别大的像；当蜡烛在稍小于焦距的位置时，既能看到放大的虚像，也能看到放大的实像。这一切都会使那些越观察得仔细越是肯动脑的同学感到疑惑。真实的情况是学生实验是最多能观察到凸透镜能在光屏上成实像，还能成虚像。所以学生的实验探究是无法得到那些规律的，绝大多数的老师都是在学生实验后再给学生讲解。这样不成功的实验打击了学生的学习兴趣，然后对于老师的说教，学生又持疑惑态度。此课若借助于几何画板则会使问题得到较好的解决。

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下面是凸透镜成像规律的教学过程：
1．复习上节课的内容：
            
    表1常用光学仪器成像规律复习
        主要组成        物距        成像性质
照相机        凸透镜        较远        缩小倒立实像
投影仪        凸透镜        较近        放大倒立实像
放大镜        凸透镜        最近        放大正立虚像
2．提出问题：
教师启发学生提问:同样是凸透镜，为什么有的时候成实像，有的时候成虚像？有的时候成放大的实像，有的时候成缩小的实像？
老师或学生：凸透镜成像有何规律？成实像和成虚像的分界点在哪里？成放大的实像和成缩小的实像的分界点在哪里?
3．假设猜想：
(1)凸透镜成像是有规律可循的；
(2)成实像和虚像的物距应该有一个分界点；
(3)成放大实像和成缩小实像的物距也应有一个分界点。
4．设计实验做实验收集数据：
表2 凸透镜成像规律
        物距        像距        像的性质的变化
1         -         -         -
2         -         -         -
3         -         -         -
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5         -         -         -
6         -         -         -
7         -         -         -
5．分析数据，猜想初步的结论：
(1)成实像时，物距越小，像距越大，像也越大；成虚像时，物距越小，像越小。
(2)成实像和虚像的分界点，可能是物距等于焦距的地方。
(3)成放大的实像和缩小的实像的分界点可能是2倍焦距的地方。
6．几何画板演示：
课件说明：
(1) 通过上边 3 个按钮可以控制物距的大小。
(2) 根据对物体和像的大小的测量结果，可以找出物像大小之间的关系。
(3) 改变上方线段的长度，即可以改变凸透镜的焦距 f ，进行多次探究。

(4)成实像时，物距越小，像距越大，像也越大；成虚像时，物距越小，像越小。
(5)成实像和虚像的分界点是焦点。           
(6)成放大的实像和缩小的实像的分界点是2倍焦距的地方。
几何画板的恰当使用，很好地弥补了实验探究和老师口头讲解的不足。让学生真正地理解了凸透镜成像的本质，比较完整地掌握了凸透镜成像的规律。这个案例很好地体现了几何画板在物理教学中具有很重要的作用。

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（二）几何画板模拟电动机在电动机原理教学中的应用
初中物理中电动机一节，学生对通电绕圈为什么不能在磁场中连续转动和换向器的作用这两个问题很难理解。因为这是一个动态的过程，而电和磁又是看不见摸不着的。以往老师都是通过挂图和模型，学生看书，老师讲解，多数学生最终仍难以理解。如果在教学中适时地运用多媒体动画，可以有效提高教学效果。
下面是电动机原理的教学过程：
1．实验演示：
通电导体在磁场中受力，特别要演示导体在磁场中受力方向既与磁场方向有关也与电流方向有关。
2．提问：
电动机为什么可以连续转动？
3．学生回答：
电动机里是线圈；老师做演示实验：通电线圈在磁场中发生偏转。
4．提问：
为什么绕圈最多转180度就停止转动？学生看书却很难明白。
5．几何画板模型演示：
利用几何画板模型演示：用箭头代表线圈两边所受力的方向，当线圈平面与磁场方向不重合时，线圈两边所受力相反且不在同一直线上，导致线圈转动，可是当转到线圈平面与磁场方向重合时，线圈两边所受力在同一直线上，且相反，尽管由于惯性会转过平衡位置，但由于力的方向没有发生改变，线圈又往回转，最后会停下来。
6．提出问题：
那么生活中的电动机为什么能连续转动呢？
7．观察实物：
8．几何画板演示：
利用几何画板动态演示换向器的原理。

正是由于换向器适时地改变了线圈中电流的方向才导致了线圈能够连续转动。用红色的箭头，模拟线圈中电流的方向，可观察到线圈转过平衡位置时，换向器适时地改变了电流方向，从而导致线圈两边所受力的方向发生了改变，使线圈得以连续转动。
由于几何画板动态演示，很好地解决了依靠图片和讲解的局限性，使我们可以动态地观察线圈的转动还能观察到电流方向和受力方向的改变，从而使学生理解这个难点问题变得比较容易。
     二、 几何画板在初中物理教学中的作用
（一）有助于提高课堂教学效率，拓展知识，进行变式教学，将不同的物理问题模型化、简单化。
几何画板使物理教学由教师单凭一张嘴、一支粉笔、一块黑板进行教学的模式上升为现代化的多媒体教学模式 ；从教学法的角度看，便于突破教学中的难点，培养学生的思维能力；从课堂教学角度看，能加大课堂教学的密度，提高学生信息吸收率；画板使教师的设计思想与软件本身有效地结合为一个整体，并通过软件得到完美的表现 。由于情况的快速反馈，老师在讲课时更具有针对性，并能及时调整教学内容和节奏。
　　（二）有助于培养学生观察问题、猜想问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生学习物理的良好方法。
画板直观，能突破视觉的限制，多角度地观察对象，并能够突出要点，有助于概念的理解和方法的掌握；画板动态反映概念及过程，能有效地突破难点；画板更强的交互性，学生有更多的参与，学习更为主动，并通过创造反思的环境，有利于学生形成新的认知结构；画板通过多媒体实验实现了对普通实验的扩充，并通过对真实情景的再现和模拟，培养学生的探索、创造能力；画板教学过程的可重复性，可以有效地突破难点和克服遗忘；画板具有针对性，使针对不同层次学生的教学成为可能；画板大信息量、大容量，节约了空间和时间，提高了教学效率；这说明几何画板能发挥教学效益培养了学生在解决问题时在大脑中构建动态模型的能力，形成动态分析问题的能力

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    （三）有助于培养学生学习物理的兴趣和信心。
通过模型演示，让学生真正参与教学，为学生提供探索复杂问题、多角度理解物理的机会，让更多的学生领悟物理的乐趣，丰富学生的视野，提高学生的物理素养。
　　（四）有助于培养学生物理学习的思维
有助于培养学生物理学习的思维训练，运用几何画板从而将物理学习过程中的各种情况都能考虑到，使提出的问题更全面、更具体。几何画板使一些抽象的概念变成具体的可观察的动静画面，把抽象的思维过程通过课件变成了生动形象的动态过程，即化抽象为具体，能使学生多种感官并用，学习积极性、自主性和合作性增强，为形成和培养学生的“动画思维”提供了条件，同时对高密度理解知识提供了可能。
总之我们在组织物理教学时要有效地、有选择性地应用几何画板资源，发挥其对物理的积极作用，不要乱用，更不要拿来就用，要经过思考和研究，怎么用，如何用才能发挥它的巨大作用。几何画板不仅仅是一个教学工具，它更是一座连接传统教学方法与现代教学方法的桥梁。所以，物理教师学好用好《几何画板》会对物理教学产生积极作用，这也是信息技术与物理教学整合的有效途径。