用好現代媒體技術 提升學科育人效果

摘 要：現代媒體技術的加持，使得學科育人的手段愈加豐富，途徑愈加多樣，教學效果顯著提升。本文就如何利用CAD軟件中的“面積”功能來測量高中物理實驗中不規則圖形的面積，進行了介紹和探討。

關鍵詞：不規則圖形；面積測量；數格法；CAD軟件

高中物理實驗經常會涉及不規則圖形面積的計算，例如人教版新教材實驗“用油膜法估測油酸分子的大小”，需要計算水面上覆蓋的單分子油膜層的面積（見圖1）。如何精確地計算出這些非規則幾何形狀的面積，對于確保實驗結果的準確性十分重要。

中學階段在估算不規則二維圖形的面積時，一般采用“數格法”。這種方法是將該幾何圖形置于標準方格紙背景上，數出幾何圖形覆蓋的“方格子”數量，然后用“格子數”乘以每個正方形格子的面積，從而得到圖形的總面積。然而從實驗操作和實驗精度的角度來看，這種方法存在以下弊端：①輪廓邊緣處計數時，一般認為超過半格算一格，不足半格則舍去，這種方法過度依賴人的主觀判斷；②由于格子數目龐大，統計時費時費力，在數的過程中很難保證不出錯（特別是邊緣格子數）。上述問題均會影響測量結果的準確性，由此得出的數據是否可靠，而誤差到底有多少？有沒有更精準的方法來進行測量或驗證呢？下面介紹筆者在教學中向學生展示的一種方法。

1 軟件應用方法

隨著現代技術的發展和媒體技術的廣泛應用，復雜的測量工作已變得簡單。在計算機輔助設計領域的軟件中，筆者選取了一款易學好用的CAD（Computer Aided Design）制圖軟件，用于解決高中實驗中不規則圖形面積的測量問題。這款軟件名稱為“風云CAD編輯器”，官網下載安裝后，桌面圖標如圖2所示，軟件基本操作步驟如下。

第一步：引入相關實驗照片

雙擊桌面上的軟件圖標，打開軟件后，依次單擊中的“文件”—“打開”，導入事先拍攝好的帶方格子背景的圖片。這時圖像會出現在軟件主菜單中的“查看器”頁面內（見圖3），通過轉動鼠標滾輪，可以隨意放大和縮小圖片，以便進行后續操作。

第二步：選擇面積測量功能

此時，觀察主菜單的左上角，可見“查看器”下方有一個名為“面積”的功能圖標（如圖4中虛線框內所示）。點擊“面積”圖標按鈕后，鼠標指針會變成“＋”形光標，同時在圖形右側會出現測量數據記錄窗口欄（見圖5）。

第三步：勾勒圖形邊界輪廓

將“＋”形光標置于輪廓邊緣線上的任意位置，點擊一下作為起點。然后，通過光標沿圖形輪廓游走，軟件會自動跟蹤輪廓邊緣線，并以閃動的虛線進行提示。對于跟蹤不太正確的位置，可通過單擊鼠標的方式進行人工輔助調整。當光標沿輪廓線回到起點時，雙擊鼠標，軟件會自動確認封閉曲線的勾勒已結束。此時，可以觀察到整個不規則圖形的邊緣被閃動的虛線覆蓋（見圖6），表明對測量區域的選取工作已經完成。

第四步：讀取相對測量面積

在邊界輪廓封閉虛線生成的同時，旁邊的“測量記錄窗口”中會出現三行數值（見圖7），第一行顯示的就是所選區域的面積，數值為432774.12un2（un是軟件自定義的長度單位），第二行顯示所選區域的周長，為3755.24un（如果要測質點的運動路程，可以使用這一功能）。

第五步：獲取單位參照面積

由于測得的面積數值并不是圖形的真實面積，所以還需要選擇一個已知面積的形狀作為參照。背景方格子就充當此角色。用同樣的方法，通過“＋”形光標勾勒出一個方格子的封閉區域（見圖8），“測量記錄窗口”中就會同步給出其對應的面積為1719.78un2（如圖7第5行所示）。

第六步：計算圖形實際面積

通過計算432774.12un2÷1719.78un2≈252，可以得到單分子油膜層的面積相當于252個方格子的面積。由于方格子的實際邊長為1cm，故單分子油膜層的真實面積為252cm2。這一測量結果與人教版高中物理選擇性必修三教師教學用書第13頁參考答案與提示給出的257cm2非常接近，相對百分比誤差僅為2.0%。兩個結果相互印證，效果很好。

2 實驗教學啟示

2.1 彰顯物理思想，體現學科應用

物理學習不僅在于傳承知識，更重要的是讓學生學會思想方法。在高中物理教學中，“無限分割”是一種經常用到的重要的思想方法。在求單分子油膜層面積時，我們依據這種思想“化整為零”，將形狀不規則的大圖形分割為形狀規則便于測量的許多小正方形，然后再對小正方形的面積求和，先分再聚，讓學生充分體會到“微積分”思想的美妙。這也是教材編者采用“數格法”的初衷所在。

利用軟件來處理，看似使用了不一樣的方法，但實際上它恰恰是對教材方法的“升華與升級”。在學生用數格法完成實驗后，教師可以接著讓學生思考，如果要提高“數格法”的測量精度，“格子”是大一些好還是小一些好？學生一定會認識到格子越小越好。但是，格子越小，數量越多，統計起來也越麻煩。而將數格子這個“簡單的重復勞動”交給計算機后，就可以進一步使格子更小，直至成為一個“點”，而這個“點”就是我們通常所講的屏幕的“像素”。點越小，像素越高，圖像顯示就越平滑清晰，面積測量就越精準。通過以上分析，學生會理解軟件所測的面積，實際上就是圖形所占用的屏幕像素的個數。

此時，學生就會發現，看似高大上的軟件技術，其實就是平常課堂所學的物理思想方法在生活中的具體應用，這一發現能堅定學生學好物理的信心。

2.2 合理使用技術，助力學科教學

“科學探究”能力是高中物理四大核心素養之一。當代學生對計算機及相關軟件技術非常熟悉，合理運用現代媒體技術，可以幫助教師更好地完成課內外教學，提升實驗質量，助力學科教學。例如，在教材實驗“用傳感器觀察電容器的放電過程”中（見圖9），也可以運用面積法的思想，借助本軟件測量電容器放電前所帶的電荷量。

有理由相信，現代媒體技術一定會成為現代課堂上一道獨特的風景線，讓物理學科育人更出彩！