融合信息技術(shù)手段 實(shí)現(xiàn)儀器教學(xué)可視化

摘 要：筆者利用GeoGebra軟件，從螺旋測(cè)微器的測(cè)量原理出發(fā)，制作螺旋測(cè)微器課件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器教學(xué)可視化。這一教學(xué)方法能夠在幫助教師提高學(xué)生讀數(shù)能力的同時(shí)，通過動(dòng)態(tài)課件的展示突破儀器教學(xué)的難點(diǎn)，從而提升授課效率。本文主要針對(duì)實(shí)際教學(xué)中的難點(diǎn)，具體探討課件的制作，旨在為現(xiàn)代教育技術(shù)與高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效結(jié)合提供一些可行的建議。

關(guān)鍵詞：GeoGebra；長(zhǎng)度測(cè)量；螺旋測(cè)微器

1 螺旋測(cè)微器的重要性

近幾年高考實(shí)驗(yàn)題注重考查基礎(chǔ)內(nèi)容，在不回避經(jīng)典實(shí)驗(yàn)和基本實(shí)驗(yàn)技能，不過分追求實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的奇思妙想的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)基本儀器的使用、對(duì)讀數(shù)和實(shí)驗(yàn)原理的理解與分析、對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理表達(dá)與評(píng)估。

螺旋測(cè)微器是高中階段最重要的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器之一，是高中物理新教材的教學(xué)重點(diǎn)，也是近幾年高考實(shí)驗(yàn)題的高頻考點(diǎn)。隨著考試要求逐步轉(zhuǎn)向能力考查，一些靈活的實(shí)驗(yàn)讀數(shù)題要求學(xué)生對(duì)儀器原理有較深入的理解，給教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了新的挑戰(zhàn)。

2 教學(xué)誤區(qū)分析

在以往的教學(xué)中，很多教師忽略了對(duì)螺旋測(cè)微器的基本原理的教學(xué)，把教學(xué)重點(diǎn)直接轉(zhuǎn)移到對(duì)學(xué)生讀數(shù)方法的訓(xùn)練中。對(duì)很多學(xué)生而言，螺旋測(cè)微器僅僅被視為讀數(shù)考題的載體，而非實(shí)際用于長(zhǎng)度測(cè)量的工具，這種觀念不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面提升。螺旋測(cè)微器作為一種精密的儀器，其讀數(shù)方法非常嚴(yán)謹(jǐn)，然而在實(shí)際教學(xué)中，教師采用常規(guī)手段難以闡明其測(cè)量原理。為了改善這一情況，筆者以GeoGebra軟件為輔助工具，通過計(jì)算機(jī)編程，制作了一個(gè)螺旋測(cè)微器的仿真模型。這一仿真模型能夠全方位地展示螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)和原理，有助于學(xué)生對(duì)其的理解和掌握。

3 課件介紹

GeoGebra軟件不僅在數(shù)學(xué)上有廣泛的應(yīng)用，在物理教學(xué)上也有突出的貢獻(xiàn)。該軟件操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行流暢，具有較好的可視化效果，在實(shí)際展示過程中有良好的交互性。

盡管學(xué)生手邊有螺旋測(cè)微器的實(shí)物，但在課堂上進(jìn)行演示并講解其原理時(shí)，由于實(shí)物的可見度有限，常規(guī)教學(xué)手段往往難以清晰闡述。此外，教師手繪示意圖耗時(shí)費(fèi)力，且效果不佳。因此，教師可以借助GeoGebra這一教學(xué)工具進(jìn)行輔助教學(xué)，充分利用其良好的放大功能和強(qiáng)大的交互性特點(diǎn)，有效地突破教學(xué)難點(diǎn)。

3.1外觀結(jié)構(gòu)

螺旋測(cè)微器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。螺旋測(cè)微器的A測(cè)砧和B固定刻度固定在C尺架上。

E可動(dòng)刻度、D旋鈕、D′微調(diào)旋鈕與F測(cè)微螺桿連在一起，并通過精密螺紋套在B固定刻度上。

用螺旋測(cè)微器測(cè)量微小物體的尺寸時(shí)，應(yīng)先使F與A接觸，令E的左邊緣與B的零刻度線對(duì)正；再將被測(cè)物體夾在F與A之間，隨后旋轉(zhuǎn)D，當(dāng)F快靠近物體時(shí)，停止使用D，改用D′，聽到“喀喀”聲時(shí)停止；最后旋轉(zhuǎn)G鎖緊，然后再讀數(shù)，避免刻度發(fā)生變化造成的讀數(shù)誤差。

上述設(shè)計(jì)中的每個(gè)結(jié)構(gòu)，均與螺旋測(cè)微器的實(shí)物圖完全相應(yīng)，從而使得模擬功能形象化。學(xué)生在觀看課件的過程中，可以充分體驗(yàn)操作實(shí)物的感覺，課件中的螺旋測(cè)微器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.2 粗調(diào)、細(xì)調(diào)功能

課件中“快增”“快減”按鈕，對(duì)應(yīng)實(shí)物圖中的D旋鈕，通過粗調(diào)旋鈕，可以實(shí)現(xiàn)可動(dòng)刻度的快速移動(dòng)；“微增”“微減”對(duì)應(yīng)實(shí)物圖中的D′微調(diào)旋鈕，體現(xiàn)實(shí)物中微調(diào)旋鈕的功能，通過調(diào)節(jié)可以細(xì)致地觀察刻度的微小移動(dòng)情況；“鎖止”旋鈕，是G裝置功能的體現(xiàn)。

除此之外，課件額外增加了“慢增”“慢減”功能，方便教師調(diào)節(jié)位置，教師在示范過程中，通過調(diào)節(jié)“慢增”“慢減”旋鈕，可使教學(xué)呈現(xiàn)出更好的節(jié)奏感。教師展示該動(dòng)態(tài)過程，能夠讓學(xué)生深刻理解螺旋測(cè)微器的使用過程。

3.3 原理設(shè)計(jì)

正如汽車在盤山公路上繞圈的長(zhǎng)度與上升的高度存在一定的放大關(guān)系一樣，當(dāng)旋鈕D旋轉(zhuǎn)一周，螺桿F便沿著旋轉(zhuǎn)軸線方向前進(jìn)或后退一個(gè)螺距的距離。教師通過點(diǎn)擊“顯示說明”按鈕，讓學(xué)生更深入地理解螺旋測(cè)微器的設(shè)計(jì)原理。

3.4 顯示讀數(shù)

課件中有“顯示讀數(shù)”這一功能。通過顯示讀數(shù)，學(xué)生們可以自行出題，并可以通過點(diǎn)擊“顯示讀數(shù)”按鈕來檢驗(yàn)自己讀數(shù)的正確性。這一功能為學(xué)生練習(xí)讀數(shù)提供了很大的便利。

論文中設(shè)計(jì)的螺旋微器仿真模型的GeoGebra代碼見表1。

4 突破教學(xué)難點(diǎn)

4.1 螺旋測(cè)微器的測(cè)量原理

為了讓學(xué)生辨析實(shí)驗(yàn)器材的設(shè)計(jì)原理，筆者通過GeoGebra演示如圖2所示的自制仿真課件，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行以下幾個(gè)學(xué)習(xí)過程：第一，了解構(gòu)造組件；第二，觀察可動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)一周移動(dòng)的距離；第三，觀察可動(dòng)部分一個(gè)周長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的等分格數(shù)；第四，嘗試計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)等分格時(shí)測(cè)微螺桿移動(dòng)的距離。

隨后，教師組織學(xué)生小組討論，得出測(cè)量原理如下：螺旋測(cè)微器是運(yùn)用螺旋放大的原理制成的，即螺桿在螺母中旋轉(zhuǎn)一周，螺桿便沿著旋轉(zhuǎn)軸線方向前進(jìn)或后退一個(gè)螺距的距離。因此，沿軸線方向移動(dòng)的微小距離就能用圓周上的讀數(shù)表示出來。螺旋測(cè)微器的精密螺紋的螺距是0.5mm，可動(dòng)刻度有50個(gè)等分刻度，可動(dòng)刻度旋轉(zhuǎn)一周，測(cè)微螺桿可前進(jìn)或后退0.5mm，因此旋轉(zhuǎn)每個(gè)小分度，相當(dāng)于測(cè)微螺桿前進(jìn)或后退0.5mm50＝0.01mm?？梢?，可動(dòng)刻度每一小分度表示0.01mm，所以螺旋測(cè)微器可準(zhǔn)確到0.01mm。由于還能再估讀一位（可讀到毫米的千分位），所以螺旋測(cè)微器又名千分尺。^［1］

在實(shí)際教學(xué)中，這些結(jié)論可由學(xué)生自發(fā)的探索和研究得出，這比教師單方面進(jìn)行灌輸?shù)慕虒W(xué)效果更好。

4.2 螺旋測(cè)微器讀數(shù)規(guī)則的由來

學(xué)生根據(jù)螺旋測(cè)微器的實(shí)驗(yàn)原理嘗試讀數(shù)，在這一過程中，學(xué)生能夠深入思考螺旋測(cè)微器的讀數(shù)規(guī)則。根據(jù)學(xué)生的反饋，教師播放課件，并動(dòng)態(tài)展示讀數(shù)的變化，由學(xué)生自主總結(jié)讀數(shù)規(guī)則如下。

測(cè)量值＝固定刻度值＋固定刻度的中心水平線與可動(dòng)刻度對(duì)齊的位置的讀數(shù)×0.01。

讀數(shù)時(shí)，千分位有一位估讀數(shù)字，不能隨便去掉，即使固定刻度的中心水平線正好與可動(dòng)刻度的某一刻度線對(duì)齊，千分位上也應(yīng)讀取為“0”。^［2］學(xué)生在總結(jié)的過程中不斷升華理解，在這一過程中，他們的自主性和獨(dú)立性得到了充分開發(fā)。這樣的教學(xué)有助于學(xué)生形成長(zhǎng)時(shí)記憶，啟發(fā)學(xué)生思維，讓學(xué)生能夠更好地把握螺旋測(cè)微器的本質(zhì)特點(diǎn)，從而壓縮課堂教學(xué)時(shí)間，提高課堂教學(xué)效率。

4.3 注意半刻度線是否露出

在以往的教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于“半刻度線是否露出”的掌握情況很不理想，這直接導(dǎo)致了讀數(shù)結(jié)果的頻繁錯(cuò)誤，使讀數(shù)成為一個(gè)顯著的學(xué)習(xí)難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)。為了有效突破這一教學(xué)瓶頸，筆者精心設(shè)計(jì)了微調(diào)旋鈕，并通過動(dòng)態(tài)課件的放大功能詳細(xì)展示其變化過程，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察并理解“恰好露出”的定義。具體而言，當(dāng)固定刻度的中心水平線精準(zhǔn)地對(duì)準(zhǔn)可動(dòng)刻度的0刻線時(shí)，視為“恰好露出”。為了進(jìn)一步明確“即將露出”與“剛露出一點(diǎn)”的狀態(tài)，筆者進(jìn)一步闡釋：當(dāng)固定刻度的中心水平線位于可動(dòng)刻度的45刻線與0刻線之間時(shí)，表示半刻度線“即將露出”；而當(dāng)該中心水平線恰好落在可動(dòng)刻度的0刻線與5刻線之間時(shí)，則視為半刻度線“剛露出一點(diǎn)”。此過程能夠幫助學(xué)生從原理上理解知識(shí)點(diǎn)，順利突破上述教學(xué)難點(diǎn)。

改變教學(xué)方式之后，學(xué)生的投入程度顯著提升，同時(shí)也取得了非常好的教學(xué)效果。筆者觀察到，學(xué)生不僅獲得了更為豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，而且認(rèn)知深度也顯著增強(qiáng)。在自主的體驗(yàn)過程中，學(xué)生們深刻地領(lǐng)悟到了關(guān)于螺旋測(cè)微器的知識(shí)及使用方法。

4.4 加強(qiáng)“可參與”訓(xùn)練

針對(duì)實(shí)際的教學(xué)多為紙上談兵，學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)不多，對(duì)知識(shí)的掌握程度不夠的問題。教師充分利用GeoGebra軟件放大性好、靈活性高、交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，讓學(xué)生進(jìn)行一定數(shù)量的實(shí)踐練習(xí)，最終能夠幫助學(xué)生突破螺旋測(cè)微器讀數(shù)這一知識(shí)難點(diǎn)。

教師還需引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)另一個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)，即隨意丟零問題。讀數(shù)時(shí)，千分位有一位估讀數(shù)字，不能隨便扔掉，即使固定刻度的中心水平線正好與可動(dòng)刻度的某一刻度線對(duì)齊，千分位上也應(yīng)讀取為“0”。例如，如圖4所示的模型正確讀數(shù)應(yīng)為5.640mm。

在設(shè)計(jì)課件的過程中，筆者特別增設(shè)了“核對(duì)答案”的功能。

學(xué)生可以自行選定可動(dòng)刻度的位置，隨后可邀請(qǐng)其他同學(xué)進(jìn)行讀數(shù)，并通過點(diǎn)擊來顯示標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)，從而即時(shí)判斷答案的對(duì)錯(cuò)。這一設(shè)計(jì)極大地提升了學(xué)生的參與感、學(xué)習(xí)幸福感和成就感。它強(qiáng)調(diào)了“先學(xué)后教”的教學(xué)理念，鼓勵(lì)學(xué)生先進(jìn)行自主探究，隨后再進(jìn)行有效的分享與交流，從而優(yōu)化整個(gè)教學(xué)過程。學(xué)生能夠在深度研究中自然而然地獲取知識(shí)和掌握相關(guān)技能，這對(duì)于促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展大有裨益。

GeoGebra軟件在物理模型建構(gòu)教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。它可以用來模擬多種物理模型，幫助學(xué)生更好地理解和掌握物理學(xué)概念，也能彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)室的缺口，從而能夠有效地提高物理教學(xué)的效果。

在教學(xué)中運(yùn)用信息技術(shù)，不僅與大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律相契合，也完全符合如今的教育理念，凸顯了信息技術(shù)在高中物理教育中的關(guān)鍵輔助作用。隨著信息化時(shí)代的快速推進(jìn)，信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合已成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，高中物理教學(xué)與信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合更是教學(xué)進(jìn)步與創(chuàng)新的必然結(jié)果。因此，我們必須緊跟時(shí)代步伐，將現(xiàn)代化的教育技術(shù)有效地融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，以期培養(yǎng)出能夠適應(yīng)新時(shí)代需求的高素質(zhì)人才。

參考文獻(xiàn)

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