GeoGebra軟件在高中物理電磁學中應用策略思考

摘要： GeoGebra是一款操作簡單、免費開源、功能強大的教學軟件。電磁學作為高中物理學科中的重要教學模塊，在具體教學中利用GeoGebra軟件輔助電磁學模塊的教學，能夠有效解決電磁學模塊學習難度大的問題。結合GeoGebra軟件應用特性，本文對高中電磁學模塊教學進行了概念理解形象化、問題解決直觀化、構成推理動態化和原理分析可視化的實踐探究。

關鍵詞： GeoGebra軟件" 高中電磁學" 應用策略

實現教育現代化就必須要先實現教育信息化，《教育信息化2.0行動計劃》的出臺，標志著中國的教育信息化建設邁入了一個新階段。而GeoGebra軟件是信息化時代的產物，利用好GeoGebra軟件能夠有效實現信息化技術與課程教學的深度融合。GeoGebra軟件作為一項擁有幾何繪圖與代數運算功能的軟件，涵蓋作圖、模型構建、坐標設計等功能。高中電磁學是高中物理的重要模塊，由于其抽象性的特點一直是高中物理教學的難點，利用GeoGebra軟件能夠對其部分抽象的知識進行形象化處理，同時結合模擬仿真功能能夠讓電磁學相關知識得以直觀化動態演繹，以加深學生對知識的理解。

一、運用GeoGebra軟件，將物理概念理解形象化

GeoGebra軟件的應用能夠有效轉變電磁學模塊知識概念抽象性的問題，針對電磁學教學中學生難以理解的教學場景，教師可利用GeoGebra軟件的“支架”功能為學生構建起電磁學知識的理論框架，幫助學生從腦海中建立電磁學相關概念與規律的知識框架，用以輔助學生對于相關知識概念的理解。

例如，磁場概念部分的學習多以知識性講解為主，同時配以圖形的講解，來加深學生的理解，然而在具體的課堂實踐中效果并不理想，由于時間的問題學生只是大致了解磁場的概念。磁感線是磁場概念學習的重要內容，是用來描述磁體或電流周圍的磁場的有方向的假想曲線，而文本教材又多以插圖配合文字說明的方式來描述磁體的磁場分布，由于時間和經驗的原因學生很難在腦海中構建磁場分布圖，如圖1所示：

GeoGebra軟件的應用可以有效幫助學生形成對磁場場景的認知，結合GeoGebra軟件3D區繪圖工具的應用，以及文本教材，教師可選定某一磁場進行周圍磁感線的動態演繹，結合安培定則實現對教材插圖的動態化演繹，幫助學生建立空間模型，進一步提高學生的想象力，具體如下：

（1）磁鐵的繪制：在GeoGebra軟件3D畫板上用于長方體磁鐵的繪制；

（2）磁感線的繪制：利用畫圖軟件中的直線與曲線等繪圖工具進行周圍磁感線的繪制，根據序列命令和旋轉命令等確保第一層磁感線的繪制；

（3）磁感線方向的標記：利用繪圖工具中的向量選項進行磁感線周圍指令的繪制，重點要選好磁感線周圍相近的兩個點；

（4）根據長方體磁鐵進行上述步驟的重發，用于第二層磁感線的繪制。

最終繪制結果，如圖2所示：

完成上述磁感線空間分布圖的繪制后進行直線電流周圍磁場的繪制：

（1）進行電流的繪制，利用相關工具進行電流方向的繪制；

（2）圓、序列等指令圍繞直接電流示意圖進行內外環的圓圈磁感線繪制；

（3）在相鄰的圓上選擇最近的點，利用向量工具進行對接，確保磁感線方向的繪制。

最終繪圖如圖3所示：

通過將文本教材中的圖形進行立體化繪制，讓學生更加直觀地了解磁體的磁場分布，同時結合GeoGebra軟件動態演繹功能將磁感線圈進行360度全方位展示，以立體圖形的方式讓學生更加直觀地了解磁感線概念的形成過程。

二、運用GeoGebra軟件，將物理構成推理動態化

電磁學與其直接讓學生學習相關概念，不如讓學生了解知識概念形成的過程，而利用GeoGebra軟件則可以達到這一目標。在具體的課程實踐中，教師可利用GeoGebra軟件的演繹功能，將電磁學相關復雜多變的知識形成過程進行直觀準確的表達，通過動畫演繹的方式來描繪電磁學相關知識的運動軌跡，讓學生全方位地了解知識概念形成的過程，以進一步加深學生對規律原理的理解，更加透徹地學習物理知識。

例如，電流與電路相關知識學習中多以學生通過計算與推導學習自由電子的移動與電流的關系，雖然該方法能夠從微觀與宏觀不同角度來實現學生知識素養的提升，但是在具體的學習中由于學生的思維能力不同，極易造成部分學生理解跨度較大的弊端。因此，在具體的教學中教師可利用GeoGebra軟件繪圖與動畫演繹相結合的功能，來實現對電流與電路相關知識學習過程的認知，結合文本教材中自由電子的定向移動知識點，來進行GeoGebra軟件的場景制作與畫面演繹。

（1）導線的繪制：利用繪圖工具中的圓柱工具進行電流導線的繪制；

（2）進行電流方向的標記：利用向量工具進行電流雙向方向的標記與繪制；

（3）進行電子運動方向的標記：結合向量工具通過輸入啟動、暫停的功能指令來確保圓柱中的電子電流方向能夠保持一致，同時結合序列按鍵功能確保電子電流移動方向和數據的準確性；

（4）進行輸出與輸出按鈕的設計：根據軟件操控功能按鈕進行各項工具的按鍵融合，同時進行動畫按鈕的輸出。

具體動畫演繹功能如圖4所示：

在繪圖工具上完成圖形的繪制后，點擊動畫演繹功能中的啟動按鈕，上述電流微觀模型圖中的電子便會開始動態演繹，在演繹過程中電流線中的電子用不同顏色進行標識，學生能夠更加清晰地了解電流對電子的影響，進而更加有效和快速地推導出電流的微觀表達與宏觀定義。

三、運用GeoGebra軟件，將物理問題解決直觀化

在高中物理電磁學相關知識學習中，有很多知識點為數學學科知識點，對于學生而言既要學好電磁學相關知識，也要學好相關數學知識。根據電磁學相關知識點解析，筆者認為教師可利用GeoGebra軟件來解決電磁學中的數學問題，如矢量問題、數形結合問題、函數問題等，通過GeoGebra軟件的應用來讓物理中的數學問題得以直觀化和形象化，引導學生以數學思維來詮釋物理問題。同時GeoGebra軟件的應用可以進一步為學困生提供學習與成長的“支架”。

例如，電磁學中矢量學習是重要知識點，在物理學科中矢量的表示多以線段性表示為主，線段的長度代表著物理量的大小，箭頭的指向代表著物理量的方向，從數量問題上來看兩者的轉換多以幾何性問題為主。而在課堂學習中筆者發現雖然現階段的高中生對于矢量的問題合成與分解能夠結合數學的向量知識來解決，但是當涉及電場強度、磁感應強度等空間性問題后，學生的學習效果卻不盡如人意，而且學習難度也較大，因此在具體問題的講解中教師可利用GeoGebra軟件的3D功能來繪制空間向量，以幫助學生更好地理解知識，具體案例如下：

（1）變量的設置，通過3D繪圖工具控制電荷量大小；

（2）通過幾何畫板刻畫立體圖形，以正方體圖形為主，通過正方體各頂點描點的刻畫來實現電荷設計；

（3）場強建立，確定電荷的數量與位置，通過連接線來標志向量的方向；

（4）通過平行線工具來進行場強位置的管理與設計，通過3D畫板進行各個頂點與平行線的交匯設計，確保合場強突出顯示。

最終成果如圖5所示：

在完成場景的構建后通過GeoGebra軟件的一鍵轉換系統進行各點面的轉換，教師可借助滑動滑條來控制電荷量的變化，同時通過電荷量的電荷滑動條來進行場強大小與方向的改動。

四、運用GeoGebra軟件，將隱藏原理分析可視化

物理學科中物理原理的學習多以實驗演示為主，而傳統的實驗演示多以表象的研究為主，雖然能夠取得一定的教育效果，但很多學生常會被復雜的知識結構所迷惑，很難認清復雜知識結構下的知識框架；同時因為學生難以了解一些專業性的儀器，造成相關演示教學質量不高的問題。因此，教師可利用GeoGebra軟件對一些特殊的儀器進行分化，讓學生更加深入地了解專業性儀器的構成，在此基礎上再進行儀器的演繹教學，從而提高學生的學習質量。

例如，洛倫茲力演示儀的學習，教師可利用GeoGebra軟件進行繪制，通過GeoGebra軟件的應用將洛倫茲力演示儀的內部原理進行分解，學生可以進一步了解洛侖磁力演示儀的內部結構，如電場、電磁線圈、工作原理等，在完成相關軟件的構建后再拿出儀器為學生進行演示，便能取得事倍功半的效果。同時，假如遇到一些突發情況，如儀器損壞，教師依舊可以通過GeoGebra軟件的演繹功能進行儀器的演繹，具體案例如下：

（1）變量設置，通過3D工具進行洛倫茲力演示儀的變量設計；

（2）進行磁線圈的設計，通過3D工具進行圓周的刻畫以及序列的設計；

（3）利用“Curve（曲線）”指令，繪制電子束軌跡；

（4）通過球面和圓柱指令進行玻璃泡的繪制；

（5）利用曲線工具進行電流方向的標注設計。

最終成果如圖6所示：

通過上述流程構建洛倫茲力演示儀，借助軟件設計來強化電流方向、帶電粒子移動等，幫助學生更好地理解儀器的工作原理。

總之，利用GeoGebra軟件能夠有效提高學生的物理學習興趣，同時也能夠以GeoGebra軟件的交互性和再創性對物理學習資源進行科學化引入。因此，在具體的教學實踐中教師可以利用好GeoGebra軟件這一良劑，依據新課程標準不斷進行教學方式與理念的創新，以期構建高質量的物理課堂。

參考文獻：

[1]王偉朋.GeoGebra軟件在高中物理教學中的應用——以動態演示帶電粒子在速度選擇器中的偏轉為例[J].物理通報，2022（6）：142-146.

[2]明翔宇，陳俊.在“雙新”背景下，例談Geogebra軟件在高中物理教學中的應用[J].物理教學，2022，44（4）：22-26.

[3]徐莉麗.高中物理模型建構教學中GeoGebra軟件的應用舉例[J].中學課程資源，2021，17（12）：34-35.

責任編輯：唐丹丹