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基于几何画板的数学动画分类研究与设计实践
 教育技术专家  基于几何画板的数学动画分类研究与设计实践

使用传统的“粉笔+黑板”教学媒体来讲授函数图形及几何图形时,很难使图形运动起来,使得教学难点不能做到有效的突破,数学概念不能清晰地形成。使用“几何画板”软件制作的数学课件动画,能够弥补了传统教学媒体不足,促进教学质量的提高。

使用“几何画板”制作的数学动画,貌似繁多,难以归类;如果从选择的对象及其构建的子对象、选择的对象所在运动路径及操作按钮种类而构成的三维角度出发,可以把数学课件动画分为6种类型:

1.同步踪迹型:选择对象为点,把点设置为“追踪点”,这个点没有子对象,路径可以是线段、曲线、轨迹,应用“动画”命令构建,踪迹与运动路径相同。例如:在三角函数图形上任取一点A,把点A设为“追踪点”,应用“动画”命令构建即可。如图1所示。

2.异步踪迹型:选择对象为点(原始点,例如点A),其子对象为点(例如点B),把子对象点B设置为“追踪点”,原始点A的路径可以是线段、曲线,应用“动画”命令构建,点B踪迹形状由它所在的曲线形状决定,与原始点A的运动路径形状可以不同。配合子对象点B颜色由参数控制,其效果更好。

例如:圆内旋轮线图形的演示。按照圆内旋轮线的参数方程构建图形之后,如图2所示;选中点A,应用“编辑/操作类按钮/动画”命令,建立点A沿着虚线圆周运动的动画,因为点B是点A的子对象,从而带动点B沿着圆内旋轮线运动;选中点B,选择“显示/追踪点”命令;点击“动画演示”按钮,随着点B的运动,圆内旋轮线的图形也画出来,图中的红色部分。

3.面展开型:选择对象为点(原始点,例如点M),其子对象为线段(例如线段MC),把子对象线段MC设置为“追踪线段”,原始点M的路径可以是直线或曲线,应用“动画”命令构建,线段MC的运动踪迹则形成一个面,面的包络线由线段二个点所在的曲线形状决定。

例如:圆锥体的面的演示,如图3所示。通过构建椭圆来绘制圆锥的图形,构造椭圆上一个点N的动画带动半径ON绕圆心O旋转来构造底面;另再构建椭圆上一个点M的动画带动母线MC绕顶点C旋转来构建侧面;把圆的周长展开在对应的大圆周上,构建它们对应的弧,构建弧上一个点Q的动画带动半径HQ绕圆心H旋转来构造侧面展开图。以构建侧面的动画为例,其设计过程是:构建图形(略),选择线段MC,应用“显示/追踪线段”命令;选择点M,应用“操作类按钮/动画…”命令,在弹出的属性对话框中设置它的属性,标签修改为“绘制侧面”,制作绘制侧面的按钮,线段MC绘制的踪迹就是侧面,图中的蓝色部分。

4.直线移动型:选择对象为二个点,都在同一条直线上;第一个选择的点称作运动点,如点K,第二个选择的点称作目标点,如点M;应用“移动”命令构建,运动点K向目标点M移动时,带动点K的子对象图形(上面截头)向目标运动,从而实现准确的定点直线移动。

例如:截头方锥体的动画演示,如图4所示。构建可分离的方锥体及上面截头,并且俯视角度可以改变;上下二部分的比例可以改变,保持上底边长小于下底边长;准确安装截头,并能分合自如。

动画设计过程:方锥体及上面截头的制作(略)。在直线u上任取二点M、N,连接线段MN,并在其上面任取一点K。先后选择点M、点K,应用“变换/标记向量”命令标记为移动向量。同时选中点E、H、F、线段EF、EB`、EC`、FA`、FD`、A`B`、B`C`、C`D`、D`A`、HP,即是截头的上部分,应用“变换/平移”命令,按照标记向量平移,平移后的点变为E`、H`、F`。隐藏点E、H、F、线段EF、EB`、EC`、FA`、FD`、A`B`、B`C`、C`D`、D`A`、HP,即隐藏截头的原上部分。先后选择移动点K、目标点M,应用“编辑/操作类按钮/移动”命令,设置它的属性,标签修改为“安装截头”,制作“安装截头”按钮。先后选择移动点K、目标点M,应用“编辑/操作类按钮/移动”命令,设置它的属性,标签修改为“复原到初始位置”,制作“复原到初始位置”按钮。

5.定点转动型:选择对象为二个点,在同一条曲线上;第一个选择的点称作运动点,如点A,有子对象,往往由这些子对象形成图形;第二个选择的点称作目标点,如点H,可以没有子对象;应用“移动”命令构建,运动点A沿曲线向目标点H移动时,带动点A的子对象图形向目标运动,从而实现准确的定点转动。

例如:旋转四面体的动画演示,如图5所示。构建一个顶点由角度控制、相对位置保持不变的三角形ABC,使得三角形某一点向目标点移动便可得到需要的面。构建图形之后,先后选择移动点A、目标点F,应用“编辑/操作类按钮/移动…”命令,弹开属性对话框进行设置,标签修改为“ACD面”,制作正面展示ACD面的按钮。先后选择移动点A、目标点G,应用“编辑/操作类按钮/移动…”命令,弹开属性对话框进行设置,标签修改为“BCD面”,制作正面展示BCD面的按钮。先后选择移动点A、目标点H,应用“编辑/操作类按钮/移动…”命令,弹开属性对话框进行设置,标签修改为“ABD面”,制作正面展示ABD面的按钮。调整点H和点F位置,使得与显示正面的底边二个端点重合。

6. 参数控制型:选择对象为参数,参数的运动带动由参数所构建的对象运动。

例如:时钟的秒针和分针转动。建立秒针角度参数和分针角度参数,点12按照标记的秒针角度旋转,制作这个旋转点的动画,即是秒针的动作;点E按照分针角度旋转,制作这个旋转点的动画,即是分针的动作。如图6所示。

以秒针的转动为例,它的设计过程是:构建线段AC,在线段上任取一点B,连接线段AB;建立名称为s、单位为“度”的角度参数s,数值设为310o,作为秒针的角度参数;在页面上任取一点D,同时选中点D和线段AC,应用“作图/以圆心和半径绘圆”命令构建大圆(秒针圆),并把圆周设为虚线;同时选中点D和y轴,应用“作图/平行线”命令构建直线j,构建大圆圆周和直线j的交点12、交点6;同时选中点D和y轴,应用“作图/垂线”命令构建直线k,构建大圆圆周和直线k的交点9、交点3,利用“旋转”命令构建其它的时刻点;选中秒针参数s,应用“变换/标记角度”命令,把它标记为点12旋转的角度;选择点12,应用“变换/旋转”命令,在弹出的对话框中勾选“标记角度”,把点12旋转到点12`;选择秒针角度参数s,应用“编辑/操作类按钮/动画…”命令,在弹出的对话框中,数值改变设置为:不连续、范围0-360o、每秒6o变化,标签修改为“秒针”,秒针转动动画完成。

以上6种类型的动画中,对象(通常是点)的运动路径,可以是线段、射线、直线、一段曲线、闭合曲线,甚至是平面,而且是设计者自主绘制的,使得运动路径形状呈现多样化;根据多样化的运动路径而设计的动画,似乎也是多种多样,其实质就是一条运动路径;而就利用动画来表现数学的教学内容而言,选择的对象及其子对象才是最主要的。依据“选择的对象及其子对象”和“操作命令”这二个维度来进行分类,可以使得数学动画的分类更加清晰明确。如表1所示。

表1 数学动画分类表

动画类型三维角度

1.同步踪迹型

2.异步踪迹型

3.面展开型

4.直线移动型

5.定点转动型

6.参数控制型

1

选择的对象

一个点

一个点

一个点

二个点

二个点

一个参数

子对象

无子对象

一个点或多个点

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