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 150080）

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3－1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XX′和YY′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.

1 学生做示波器实验面临的困难

（1）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.

（2）高速粒子的观察受限.在XX′和YY′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50Hz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.

（3）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X输入”时，可能存在以下几个问题：

图1

①无法直接得到我们希望看到的整数个正弦波形（如图1）.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.

② 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.

2 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：

（1）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.

（2）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.

（3）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.

3 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4.05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：

（1）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2

（2）功能仿真程度较高.完全1：1复制了示波器面板（如图2），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3

（3）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3），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.

（4）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.

（5）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”.

4 交互式示波器面板仿真模拟软件的安装与使用

（1）该软件大小只有3.12MB，在装有几何画板4.05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4.05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Windows XP或者Windows7系统的电脑上都可以顺利运行.

（2）软件界面逼真.

该软件的界面分为4个区域：

I区（如图4－甲）：信号输入区，用来打开电源总开关及单独进行x或y方向接入信号.

II区（如图4－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4

III区（如图4－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.

IV区（如图4－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）.

（3）软件的使用.

① 打开软件，调节缩放滑块，使示波器面板大小与屏幕适配.

② 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x轴，可以调节“↑↓”（竖直位移旋钮），使该点移至横轴上.

③ 分方向加偏转电压.点击“x扫描”，可以看到动点在x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XX′极板加锯齿波电压后的运动情况.点击“准备”按钮，将动点复原，点击“y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YY′极板加正弦交变电压后的运动情况.

④ 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“x扫描”和“y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）.

⑤ 基本旋钮操作（如图5）：

（a）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.

（b）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.

图5

（d）调节“Y增益”、“X增益”，可以观察到图像纵向、横向幅度拉宽或变窄.

⑥ 调节“扫描微调”和“扫描范围”，可以看到，由于XX′和YY′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.

⑦ 调节“同步”旋钮，可以看到轨迹图形变为反相.

本软件经过课堂实验教学多次运用以及学生自助使用，发现效果非常理想，可以达到示波器教学的所有实验预期效果.同时，本软件的运用，为教学节省了大量的时间、精力，也克服了教学示波器不足的困难，完全实现了学生每人一组、随时操作，实现了每位学生都能够参与到示波器的实验操作中.

1 魏河川.应用几何画板促进中学物理新课程标准实施的研究与实践.广东：中山大学学报论丛，2004（3）：62—65

3 景彦君，景玲君.物理电学演示仪的制作.山西：山西师大学报（自然科学版），1997（2）：76—80