用幾何畫(huà)板制作交互式課件的實(shí)踐——“示波器面板”課件的制作

汪 海

（黑龍江省教育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分.然而，多年來(lái)由于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的老化，實(shí)驗(yàn)手段的落后，致使實(shí)驗(yàn)效果欠佳.示波器是開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)的重要儀器，也是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容.在人教版高中物理教材選修3－1中，有一個(gè)加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的綜合應(yīng)用知識(shí)——示波管的原理的內(nèi)容.從教學(xué)要求上講，學(xué)生要能夠?qū)⑹静ㄆ鞯墓ぷ髟砗褪静ㄆ髅姘迳系目刂菩o一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，以有效理解、掌握示波器顯示正弦交變電流的波形時(shí)，電子束是如何掃描的，以及在XX′和YY′偏轉(zhuǎn)電極均加上電壓后，熒光屏上的圖像是如何形成的.因此，對(duì)課堂教學(xué)來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)示波器面板的識(shí)別、使用的練習(xí)就顯得尤為重要.但在練習(xí)使用示波器的實(shí)際教學(xué)中，由于示波器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、面板旋鈕比較多，需要學(xué)生有一個(gè)由抽象思維向邏輯思維和模型對(duì)位的轉(zhuǎn)化過(guò)程.這就需要我們建立載體，以有效解決示波器教學(xué)中的問(wèn)題與困難.

1 學(xué)生做示波器實(shí)驗(yàn)面臨的困難

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜與儀器短缺.示波器是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、面板旋鈕最多的儀器，操控的難度比較高，學(xué)生很難在一節(jié)課里，熟練掌握操控技術(shù).還有一個(gè)現(xiàn)實(shí)的困難，就是大多數(shù)學(xué)校示波器不足或者根本就沒(méi)有，不少學(xué)校的學(xué)生根本就沒(méi)有見(jiàn)過(guò)示波器.這就形成了有示波器的學(xué)校，由于學(xué)生上手困難，往往也就知難而退了；沒(méi)有示波器的學(xué)校，也就任憑教師在黑板上講講罷了，示波器的實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到教學(xué)的要求.

（2）高速粒子的觀察受限.在XX′和YY′偏轉(zhuǎn)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(fā)的光點(diǎn)是如何運(yùn)動(dòng)的，教材利用大量篇幅給予了描述.但是，在實(shí)際操作中，由于外接信號(hào)源為家用電源，電源電壓變化過(guò)快（頻率50Hz且不可調(diào)節(jié)），無(wú)法放慢速度對(duì)光點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè).另外，由于熒光屏上的熒光粉存在殘光效應(yīng)，操作者無(wú)法觀察到光點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程，最終呈現(xiàn)的是電子束掃描熒光屏的最終徑跡，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法真正理解電子束掃描的過(guò)程.

（3）儀器操作不便于調(diào)節(jié).實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，接通示波器電源后，將示波器衰減擋撥到“外X輸入”時(shí)，可能存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

圖1

①無(wú)法直接得到我們希望看到的整數(shù)個(gè)正弦波形（如圖1）.這就需要我們每次都重新調(diào)節(jié)“掃描范圍”和“掃描微調(diào)”，以得到我們需要的穩(wěn)定的整數(shù)個(gè)周期的正弦圖像，調(diào)節(jié)起來(lái)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力.

② 在實(shí)驗(yàn)操作完成后，示波器各項(xiàng)參數(shù)不能夠迅速恢復(fù)到實(shí)驗(yàn)前的初始狀態(tài)，導(dǎo)致第一個(gè)班級(jí)的學(xué)生的動(dòng)手、動(dòng)腦能力得到了充分的鍛煉，但是接下來(lái)到實(shí)驗(yàn)室的其他班級(jí)的學(xué)生就會(huì)“盡享其成”，不必進(jìn)行過(guò)多設(shè)置便可得到清晰的實(shí)驗(yàn)圖像.這樣“唾手可得”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，會(huì)大大降低學(xué)生的探究熱情.

2 對(duì)突破示波器教學(xué)難點(diǎn)媒體的思考

上述教學(xué)困難，無(wú)疑構(gòu)成了教學(xué)的難點(diǎn)，如何突破呢？大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生互動(dòng)的教學(xué)方式的變革，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具.多年的實(shí)踐，我們注意到，信息技術(shù)與學(xué)科的有效整合，是突破示波器教學(xué)難點(diǎn)的有效路徑，并進(jìn)行了很多的嘗試，有了較深刻的體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，歸納起來(lái)有如下幾點(diǎn)：

（1）現(xiàn)在大家應(yīng)用的仿真模擬物理實(shí)驗(yàn)軟件不少，但沒(méi)有功能非常完整的示波器仿真軟件.所見(jiàn)到的基本上都是功能比較單一，只能實(shí)現(xiàn)示波器的一個(gè)或者幾個(gè)功能，而且界面粗糙，仿真性差，與教材中的實(shí)驗(yàn)不相符，操作起來(lái)學(xué)生沒(méi)有“身臨其境”的感覺(jué).

（2）在多數(shù)仿真軟件中，人機(jī)交互性都不是很出色.如使用者無(wú)法改變示波器面板大小、不能改變操作旋鈕大小，更關(guān)鍵的是，軟件使用者無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)，更不用說(shuō)對(duì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)了.

（3）就目前來(lái)講，流行的多數(shù)教學(xué)課件僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)旋鈕后，圖像隨之變化.但并非根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，通過(guò)函數(shù)計(jì)算而得到相應(yīng)的定量變化，即存在圖像與參數(shù)之間的“假響應(yīng)”現(xiàn)象.

3 交互式示波器面板仿真模擬軟件的功能

利用幾何畫(huà)板制作物理課件，是用動(dòng)態(tài)方法研究物理過(guò)程，用數(shù)和形相結(jié)合的方法研究物理問(wèn)題，用虛擬方式模擬和演示實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)本身，能很好地促進(jìn)物理學(xué)科自主性學(xué)習(xí)和科學(xué)探究活動(dòng)等教學(xué)環(huán)節(jié).用幾何畫(huà)板制作的物理課件不但可以供教師上課使用，還可供學(xué)生自主學(xué)習(xí).針對(duì)實(shí)際教學(xué)的需要和一般仿真軟件出現(xiàn)的上述問(wèn)題，我們利用《幾何畫(huà)板4.05版》設(shè)計(jì)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(gè)特點(diǎn)：

（1）學(xué)生可以自主復(fù)習(xí).只要把課件安裝到電腦中，即便沒(méi)有教師的幫助，學(xué)生也可以大膽放手進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)感，加快了學(xué)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(fù)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(shí)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(duì)位置均分布無(wú)變化，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與圖像之間完全利用物理公式結(jié)合數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算，得到的結(jié)果相應(yīng)變化，十分流暢.

圖3

（3）放慢光點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間.由于本課件采用慢速播放的方式，光點(diǎn)掃描徑跡的周期很大，學(xué)生可以跟蹤動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況與掃描徑跡的關(guān)系，即能夠看到光點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程，同時(shí)也可以看到熒光粉殘光效應(yīng)（如圖3），所以模擬的實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加直觀，有利于學(xué)生深刻理解電子束的掃描運(yùn)動(dòng).

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)位功能.假如軟件使用者將數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)到一團(tuán)糟時(shí)，只需要將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)至原值，即退出軟件并點(diǎn)擊“不保存”，再打開(kāi)軟件后，數(shù)據(jù)恢復(fù)如初.這樣，就可實(shí)現(xiàn)學(xué)生每次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，都可以從最基本的數(shù)據(jù)開(kāi)始調(diào)節(jié).

（5）人機(jī)對(duì)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(jù)需要實(shí)現(xiàn)與示波器一樣的任意調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，基本實(shí)現(xiàn)“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(huà)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(huà)板軟件漢字往往會(huì)出現(xiàn)亂碼，故建議安裝幾何畫(huà)板4.05版本（高版本幾何畫(huà)板出現(xiàn)亂碼后，也可以手動(dòng)重新鍵入漢字進(jìn)行修正）.該軟件對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件要求很低，在能夠穩(wěn)定運(yùn)行Windows XP或者Windows7系統(tǒng)的電腦上都可以順利運(yùn)行.

（2）軟件界面逼真.

該軟件的界面分為4個(gè)區(qū)域：

I區(qū)（如圖4－甲）：信號(hào)輸入?yún)^(qū)，用來(lái)打開(kāi)電源總開(kāi)關(guān)及單獨(dú)進(jìn)行x或y方向接入信號(hào).

II區(qū)（如圖4－乙）：軟件控制區(qū)，可以控制示波器面板的等比例縮放，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的初始化，實(shí)驗(yàn)者可以對(duì)各個(gè)旋鈕的精細(xì)調(diào)節(jié)可以做到輕松自如，并且可以在實(shí)驗(yàn)圖樣一團(tuán)糟的時(shí)候?qū)⑵聊谎杆偾蹇?

圖4

III區(qū)（如圖4－丙）：主使用區(qū)，所有實(shí)驗(yàn)涉及到的旋鈕參數(shù)都在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié).

IV區(qū)（如圖4－?。簩?shí)物圖片對(duì)比區(qū)，使用者可以隨時(shí)觀察對(duì)比真實(shí)示波器面板和仿真模擬面板的各部分旋鈕（此區(qū)域僅做對(duì)比使用，不參與實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)）.

（3）軟件的使用.

① 打開(kāi)軟件，調(diào)節(jié)縮放滑塊，使示波器面板大小與屏幕適配.

② 初始設(shè)置：屏幕上有一個(gè)點(diǎn)，表示電子束在熒光屏上打出的光點(diǎn)，這里稱之為“動(dòng)點(diǎn)”（下同）.先點(diǎn)擊“準(zhǔn)備”按鈕，若該點(diǎn)能夠位于橫軸上，則畫(huà)出的圖像為正負(fù)最大值對(duì)稱相等的正弦曲線，若該點(diǎn)不在x軸，可以調(diào)節(jié)“↑↓”（豎直位移旋鈕），使該點(diǎn)移至橫軸上.

③ 分方向加偏轉(zhuǎn)電壓.點(diǎn)擊“x掃描”，可以看到動(dòng)點(diǎn)在x軸做單向平移掃描運(yùn)動(dòng)，軌跡為直線，動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至最右端時(shí)，瞬間跳回至起點(diǎn)后繼續(xù)重復(fù)掃描.這一運(yùn)動(dòng)可以讓學(xué)生深刻理解動(dòng)點(diǎn)在XX′極板加鋸齒波電壓后的運(yùn)動(dòng)情況.點(diǎn)擊“準(zhǔn)備”按鈕，將動(dòng)點(diǎn)復(fù)原，點(diǎn)擊“y掃描”，可以看到動(dòng)點(diǎn)在豎直方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)）.這一運(yùn)動(dòng)可以讓學(xué)生深刻理解動(dòng)點(diǎn)在YY′極板加正弦交變電壓后的運(yùn)動(dòng)情況.

④ 研究動(dòng)點(diǎn)的合運(yùn)動(dòng).點(diǎn)擊“準(zhǔn)備”按鈕，將動(dòng)點(diǎn)復(fù)原，點(diǎn)擊“開(kāi)始掃描”，可以看到“x掃描”和“y掃描”按鈕均被按下，動(dòng)點(diǎn)做正弦軌跡的運(yùn)動(dòng)（由于本實(shí)驗(yàn)在預(yù)先保存時(shí)處于掃描微調(diào)和掃描范圍恰好合適的數(shù)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(dòng)點(diǎn)始終在同一正弦軌跡上做單向掃描運(yùn)動(dòng)）.

⑤ 基本旋鈕操作（如圖5）：

（a）點(diǎn)擊“準(zhǔn)備”“開(kāi)始掃描”按鈕，使動(dòng)點(diǎn)開(kāi)始掃描，拖動(dòng)“”（輝度）旋鈕控制點(diǎn)，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(dòng) “⊙”（粗調(diào)聚焦）和“○”（微調(diào)聚焦）旋鈕，可以看到光點(diǎn)的大小發(fā)生變化（模糊—精細(xì)）、軌跡粗細(xì)也隨之變化變粗，調(diào)節(jié)至最細(xì)狀態(tài)，軌跡最清晰.

圖5

（d）調(diào)節(jié)“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(diào)節(jié)“掃描微調(diào)”和“掃描范圍”，可以看到，由于XX′和YY′兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板所加電壓周期不吻合，將出現(xiàn)“麻花”圖形或者“李薩如圖形”，而如果調(diào)節(jié)適當(dāng)，可以得到整數(shù)個(gè)周期的穩(wěn)定正弦圖形.

⑦ 調(diào)節(jié)“同步”旋鈕，可以看到軌跡圖形變?yōu)榉聪?

本軟件經(jīng)過(guò)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)多次運(yùn)用以及學(xué)生自助使用，發(fā)現(xiàn)效果非常理想，可以達(dá)到示波器教學(xué)的所有實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果.同時(shí)，本軟件的運(yùn)用，為教學(xué)節(jié)省了大量的時(shí)間、精力，也克服了教學(xué)示波器不足的困難，完全實(shí)現(xiàn)了學(xué)生每人一組、隨時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)了每位學(xué)生都能夠參與到示波器的實(shí)驗(yàn)操作中.

1 魏河川.應(yīng)用幾何畫(huà)板促進(jìn)中學(xué)物理新課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的研究與實(shí)踐.廣東：中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢，2004（3）：62—65

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