用幾何畫板制作交互式課件的實踐——“示波器面板”課件的制作

汪 海

（黑龍江省教育學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

中學物理實驗是中學物理教學的重要組成部分.然而，多年來由于中學物理實驗設備的老化，實驗手段的落后，致使實驗效果欠佳.示波器是開展物理實驗的重要儀器，也是中學物理教學的重要內容.在人教版高中物理教材選修3－1中，有一個加速電場和偏轉電場的綜合應用知識——示波管的原理的內容.從教學要求上講，學生要能夠將示波器的工作原理和示波器面板上的控制旋鈕一一對應起來，以有效理解、掌握示波器顯示正弦交變電流的波形時，電子束是如何掃描的，以及在XX′和YY′偏轉電極均加上電壓后，熒光屏上的圖像是如何形成的.因此，對課堂教學來說，加強學生對示波器面板的識別、使用的練習就顯得尤為重要.但在練習使用示波器的實際教學中，由于示波器結構比較復雜、面板旋鈕比較多，需要學生有一個由抽象思維向邏輯思維和模型對位的轉化過程.這就需要我們建立載體，以有效解決示波器教學中的問題與困難.

1 學生做示波器實驗面臨的困難

（1）結構復雜與儀器短缺.示波器是中學物理實驗室中結構最復雜、面板旋鈕最多的儀器，操控的難度比較高，學生很難在一節課里，熟練掌握操控技術.還有一個現實的困難，就是大多數學校示波器不足或者根本就沒有，不少學校的學生根本就沒有見過示波器.這就形成了有示波器的學校，由于學生上手困難，往往也就知難而退了；沒有示波器的學校，也就任憑教師在黑板上講講罷了，示波器的實驗無法達到教學的要求.

（2）高速粒子的觀察受限.在XX′和YY′偏轉電極上分別加鋸齒波電壓和正弦交變電壓，電子束在熒光屏上激發的光點是如何運動的，教材利用大量篇幅給予了描述.但是，在實際操作中，由于外接信號源為家用電源，電源電壓變化過快（頻率50Hz且不可調節），無法放慢速度對光點的移動進行監測.另外，由于熒光屏上的熒光粉存在殘光效應，操作者無法觀察到光點的移動過程，最終呈現的是電子束掃描熒光屏的最終徑跡，導致學生無法真正理解電子束掃描的過程.

（3）儀器操作不便于調節.實際實驗中，接通示波器電源后，將示波器衰減擋撥到“外X輸入”時，可能存在以下幾個問題：

圖1

①無法直接得到我們希望看到的整數個正弦波形（如圖1）.這就需要我們每次都重新調節“掃描范圍”和“掃描微調”，以得到我們需要的穩定的整數個周期的正弦圖像，調節起來既費時又費力.

② 在實驗操作完成后，示波器各項參數不能夠迅速恢復到實驗前的初始狀態，導致第一個班級的學生的動手、動腦能力得到了充分的鍛煉，但是接下來到實驗室的其他班級的學生就會“盡享其成”，不必進行過多設置便可得到清晰的實驗圖像.這樣“唾手可得”的實驗結果，會大大降低學生的探究熱情.

2 對突破示波器教學難點媒體的思考

上述教學困難，無疑構成了教學的難點，如何突破呢？大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合，逐步實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動的教學方式的變革，充分發揮信息技術的優勢，為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具.多年的實踐，我們注意到，信息技術與學科的有效整合，是突破示波器教學難點的有效路徑，并進行了很多的嘗試，有了較深刻的體驗和認識，歸納起來有如下幾點：

（1）現在大家應用的仿真模擬物理實驗軟件不少，但沒有功能非常完整的示波器仿真軟件.所見到的基本上都是功能比較單一，只能實現示波器的一個或者幾個功能，而且界面粗糙，仿真性差，與教材中的實驗不相符，操作起來學生沒有“身臨其境”的感覺.

（2）在多數仿真軟件中，人機交互性都不是很出色.如使用者無法改變示波器面板大小、不能改變操作旋鈕大小，更關鍵的是，軟件使用者無法實現實驗參數的調節，更不用說對各項實驗參數進行精細的調節了.

（3）就目前來講，流行的多數教學課件僅僅能夠實現調節旋鈕后，圖像隨之變化.但并非根據輸入的數據，通過函數計算而得到相應的定量變化，即存在圖像與參數之間的“假響應”現象.

3 交互式示波器面板仿真模擬軟件的功能

利用幾何畫板制作物理課件，是用動態方法研究物理過程，用數和形相結合的方法研究物理問題，用虛擬方式模擬和演示實驗儀器和實驗本身，能很好地促進物理學科自主性學習和科學探究活動等教學環節.用幾何畫板制作的物理課件不但可以供教師上課使用，還可供學生自主學習.針對實際教學的需要和一般仿真軟件出現的上述問題，我們利用《幾何畫板4.05版》設計并制作了一款交互式示波器面板仿真模擬軟件，該軟件有以下幾個特點：

（1）學生可以自主復習.只要把課件安裝到電腦中，即便沒有教師的幫助，學生也可以大膽放手進行模擬實驗，增加了學生實驗的現場感，加快了學生正確使用示波器的速度.

圖2

（2）功能仿真程度較高.完全1：1復制了示波器面板（如圖2），軟件界面上所有旋鈕的位置與真實示波器面板旋鈕位置完全吻合，并且在縮放以后各部件均等比例放大，相對位置均分布無變化，實驗參數與圖像之間完全利用物理公式結合數學函數計算，得到的結果相應變化，十分流暢.

圖3

（3）放慢光點移動時間.由于本課件采用慢速播放的方式，光點掃描徑跡的周期很大，學生可以跟蹤動點的運動情況與掃描徑跡的關系，即能夠看到光點移動過程，同時也可以看到熒光粉殘光效應（如圖3），所以模擬的實驗過程更加直觀，有利于學生深刻理解電子束的掃描運動.

（4）實驗數據復位功能.假如軟件使用者將數據調節到一團糟時，只需要將實驗數據恢復至原值，即退出軟件并點擊“不保存”，再打開軟件后，數據恢復如初.這樣，就可實現學生每次進行仿真實驗時，都可以從最基本的數據開始調節.

（5）人機對話界面友好.使用者可以隨意縮放示波器面板及操作旋鈕的尺寸大小，還可以根據需要實現與示波器一樣的任意調節實驗參數，基本實現“完全仿真”.

4 交互式示波器面板仿真模擬軟件的安裝與使用

（1）該軟件大小只有3.12MB，在裝有幾何畫板4.05或以上版本的電腦中都可以使用.由于高版本的幾何畫板軟件漢字往往會出現亂碼，故建議安裝幾何畫板4.05版本（高版本幾何畫板出現亂碼后，也可以手動重新鍵入漢字進行修正）.該軟件對計算機軟硬件要求很低，在能夠穩定運行Windows XP或者Windows7系統的電腦上都可以順利運行.

（2）軟件界面逼真.

該軟件的界面分為4個區域：

I區（如圖4－甲）：信號輸入區，用來打開電源總開關及單獨進行x或y方向接入信號.

II區（如圖4－乙）：軟件控制區，可以控制示波器面板的等比例縮放，以及實驗數據的初始化，實驗者可以對各個旋鈕的精細調節可以做到輕松自如，并且可以在實驗圖樣一團糟的時候將屏幕迅速清空.

圖4

III區（如圖4－丙）：主使用區，所有實驗涉及到的旋鈕參數都在這個區域內進行調節.

IV區（如圖4－丁）：實物圖片對比區，使用者可以隨時觀察對比真實示波器面板和仿真模擬面板的各部分旋鈕（此區域僅做對比使用，不參與實驗調節）.

（3）軟件的使用.

① 打開軟件，調節縮放滑塊，使示波器面板大小與屏幕適配.

② 初始設置：屏幕上有一個點，表示電子束在熒光屏上打出的光點，這里稱之為“動點”（下同）.先點擊“準備”按鈕，若該點能夠位于橫軸上，則畫出的圖像為正負最大值對稱相等的正弦曲線，若該點不在x軸，可以調節“↑↓”（豎直位移旋鈕），使該點移至橫軸上.

③ 分方向加偏轉電壓.點擊“x掃描”，可以看到動點在x軸做單向平移掃描運動，軌跡為直線，動點運動至最右端時，瞬間跳回至起點后繼續重復掃描.這一運動可以讓學生深刻理解動點在XX′極板加鋸齒波電壓后的運動情況.點擊“準備”按鈕，將動點復原，點擊“y掃描”，可以看到動點在豎直方向做往復運動（簡諧運動）.這一運動可以讓學生深刻理解動點在YY′極板加正弦交變電壓后的運動情況.

④ 研究動點的合運動.點擊“準備”按鈕，將動點復原，點擊“開始掃描”，可以看到“x掃描”和“y掃描”按鈕均被按下，動點做正弦軌跡的運動（由于本實驗在預先保存時處于掃描微調和掃描范圍恰好合適的數值，即橫向掃描電壓的周期和縱向掃描電壓的周期恰好相等，故可以看到動點始終在同一正弦軌跡上做單向掃描運動）.

⑤ 基本旋鈕操作（如圖5）：

（a）點擊“準備”“開始掃描”按鈕，使動點開始掃描，拖動“”（輝度）旋鈕控制點，可以看到軌跡顏色隨之改變；這里由于面板屏幕為淺色，故采用黑色表示高灰度.

（b）拖動 “⊙”（粗調聚焦）和“○”（微調聚焦）旋鈕，可以看到光點的大小發生變化（模糊—精細）、軌跡粗細也隨之變化變粗，調節至最細狀態，軌跡最清晰.

圖5

（d）調節“Y增益”、“X增益”，可以觀察到圖像縱向、橫向幅度拉寬或變窄.

⑥ 調節“掃描微調”和“掃描范圍”，可以看到，由于XX′和YY′兩對偏轉板所加電壓周期不吻合，將出現“麻花”圖形或者“李薩如圖形”，而如果調節適當，可以得到整數個周期的穩定正弦圖形.

⑦ 調節“同步”旋鈕，可以看到軌跡圖形變為反相.

本軟件經過課堂實驗教學多次運用以及學生自助使用，發現效果非常理想，可以達到示波器教學的所有實驗預期效果.同時，本軟件的運用，為教學節省了大量的時間、精力，也克服了教學示波器不足的困難，完全實現了學生每人一組、隨時操作，實現了每位學生都能夠參與到示波器的實驗操作中.

1 魏河川.應用幾何畫板促進中學物理新課程標準實施的研究與實踐.廣東：中山大學學報論叢，2004（3）：62—65

3 景彥君，景玲君.物理電學演示儀的制作.山西：山西師大學報（自然科學版），1997（2）：76—80