王祥委 段娟娟 彭朝陽

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

Algodoo虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用*
——以凸透鏡成像為例

王祥委 段娟娟 彭朝陽

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

隨著信息時(shí)代的到來，信息技術(shù)與物理教育的整合成為中學(xué)物理教學(xué)中的一大熱點(diǎn)．本文介紹了Algodoo軟件并對(duì)其虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行分析，最后借助Algodoo模擬了凸透鏡成像，旨在將Algodoo融入中學(xué)物理課堂起到拋磚引玉的作用．

Algodoo仿真實(shí)驗(yàn) 物理教學(xué) 凸透鏡成像

1 引言

教育要快速發(fā)展，必須把先進(jìn)的信息技術(shù)作為教育的工具，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于教育，使教育信息化，是教育改革的重大突破口．在物理教育界，隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，多媒體仿真技術(shù)進(jìn)入了物理課堂，引起了中學(xué)物理教學(xué)的革新[1]．其中的一大革新就是許多物理教師在實(shí)際物理教學(xué)中將多媒體課件與傳統(tǒng)的板書相結(jié)合．但是在教學(xué)中要讓這一結(jié)合做到無縫對(duì)接，相輔相成并不容易．目前網(wǎng)絡(luò)上的教學(xué)課件資源特別豐富，但很多課件都是演示播放的形式，起不到模擬實(shí)驗(yàn)的效果，很多時(shí)候教師需要自己設(shè)計(jì)課件．因此在應(yīng)用多媒體技術(shù)來輔助制作交互式的、符合物理規(guī)律的課件時(shí)選擇一款比較合適的軟件顯得相當(dāng)重要，在此，筆者特別推薦Algodoo軟件．

2 Algodoo簡介

Algodoo是瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的一款獨(dú)特的2D仿真軟件，其前身是瑞典一所大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)碩士Emil Ernerfeld為導(dǎo)師Kenneth BodinPhun寫的一個(gè)名為Phun的程序，其開發(fā)的目的是為了讓物理教學(xué)和研究更直觀有效，其英文名是“2D Physics Sandbox”，即“二維物理沙盒”[2]．

Algodoo累計(jì)下載已超過百萬次，其官方網(wǎng)站提供了2萬多件網(wǎng)友作品，并進(jìn)行了分類和評(píng)級(jí)，這是學(xué)習(xí)和使用Algodoo絕好資源，也為展示作品、交流經(jīng)驗(yàn)提供了平臺(tái)[3]．Algodoo的安裝包有42.3 MB，安裝會(huì)占用100 MB左右的硬盤空間，能夠在WinXP/Win7/Win8和Mac的環(huán)境下運(yùn)行．Algodoo的基本功能包括：使用簡單的繪圖工具創(chuàng)建和編輯場景；通過選擇、拖拽、傾斜、震動(dòng)等方式參與互動(dòng)，顯示物體運(yùn)行軌跡.其提供了剛體、流體、鏈條、齒輪、彈簧、鉸鏈、鎖、電機(jī)、激光射線及跟蹤繪圖工具等元素，這些元素可以在引力、重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力的作用下相互影響，實(shí)現(xiàn)精度很高的物理仿真實(shí)驗(yàn)．

3 Algodoo虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的價(jià)值分析

3.1 可行性

Algodoo虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要的條件是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在的多媒體教室都具備電子白板與計(jì)算機(jī)，可以說它的應(yīng)用幾乎不受限制．Algodoo虛擬實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的廣泛運(yùn)用能夠使學(xué)生盡快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，不僅提高了教學(xué)效率，使一些物理實(shí)驗(yàn)不再受時(shí)間空間的限制，還促進(jìn)解決學(xué)校因設(shè)備欠缺而無法開展實(shí)驗(yàn)的問題，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教育質(zhì)量起著重要作用．

教師在做傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)之前的準(zhǔn)備很費(fèi)時(shí)間，有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不一定所有的學(xué)生都能觀察到，有些還有危險(xiǎn)性，有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備耗損大，價(jià)格昂貴，不是每個(gè)學(xué)校都有條件做．虛擬實(shí)驗(yàn)中的虛擬設(shè)備不存在著磨損、破壞，可反復(fù)使用，甚至是復(fù)制和發(fā)送．既滿足了教學(xué)要求，又節(jié)約資金，提高辦學(xué)效益．

3.2 可控性與高自由度

Algodoo虛擬實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模式，實(shí)驗(yàn)者不再受到時(shí)間、空間上的制約，可隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作．實(shí)驗(yàn)者還可根據(jù)需要，選擇不同的實(shí)驗(yàn)伙伴，共同完成實(shí)驗(yàn)．利用計(jì)算機(jī)的模擬功能、動(dòng)畫效果、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化，使學(xué)生更清晰了解物理變化過程[4]．

同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也是教師或者學(xué)生根據(jù)需要設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)用到的所有部件均是由控件加上一些參數(shù)創(chuàng)建的，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相當(dāng)開放，大小、形狀、顏色可以自己控制任意搭配，物理過程的一些初始量也能自己任意設(shè)定．如加速度取重力加速度，初速度取零，那么就可以模擬一個(gè)物體自由下落的情形．我們也可以設(shè)定一些理想化的參數(shù)，如光速、絕對(duì)光滑平面、無空氣阻力等等來設(shè)計(jì)出理想實(shí)驗(yàn)的演示．

3.3 安全性

實(shí)驗(yàn)者可隨時(shí)控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)也可以按其需求反饋給操作者．虛擬實(shí)驗(yàn)無任何危險(xiǎn)．對(duì)有毒有害、污染環(huán)境和破壞性實(shí)驗(yàn)，也可在虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成．

4 Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例——凸透鏡成像

設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，首先是課題的選擇，因?yàn)閭鹘y(tǒng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的光路無法直接呈現(xiàn)，如一束平行光通過凸透鏡，焦點(diǎn)和整個(gè)光路要通過光屏得到，并且得到的不明顯，而且實(shí)驗(yàn)所用的色光種類有限，透鏡的種類和焦距也是固定的．這時(shí)利用仿真實(shí)驗(yàn)來完成它，先創(chuàng)建兩個(gè)相交球形，相交的部分就是一塊凸透鏡如圖1所示．

圖1 凸透鏡創(chuàng)建

透鏡的焦距大小和透鏡的大小均可以通過調(diào)整兩個(gè)圓的大小和位置來任意改變，兩個(gè)圓的圓心連線所在的直線為主光軸，連線的中點(diǎn)處為凸透鏡的光心．任意設(shè)定透鏡的折射率n>1，創(chuàng)建一組平行光讓光線沿著主光軸方向穿過凸透鏡，我們根據(jù)需要來創(chuàng)建場景，模擬后產(chǎn)生的結(jié)果如圖2所示．

圖2 平行光透過凸透鏡

學(xué)生通過觀看演示并結(jié)合生活中的物理現(xiàn)象更深刻地理解凸透鏡會(huì)聚光的作用，但是為什么會(huì)有這樣的作用，他們可能不太理解．學(xué)生學(xué)習(xí)過折射，色散與三棱鏡，我們可以讓學(xué)生在已有的知識(shí)上進(jìn)行遷移來學(xué)習(xí)新的規(guī)律，這一步也可以在軟件中實(shí)現(xiàn)．在Algodoo這個(gè)軟件中光對(duì)任意幾何形狀的物體都遵循折射定理，并且對(duì)不同色光的波長也是不一樣的．為了直觀演示透鏡光學(xué)原理，首先創(chuàng)建一組棱鏡擺成如圖3所示．

圖3 平行光透過棱鏡組

同樣讓平行光去照射，光線在棱鏡中總是向厚的一方偏折，可以看到光線也發(fā)生了會(huì)聚但只有部分會(huì)聚，采用極限思想如果有無限塊棱鏡，每個(gè)棱鏡連接起來成為球面，那么沿光軸方向照射到面上的每一條光線都會(huì)聚到焦點(diǎn)．

(1)控制透鏡變形或者改變折射率探究凸透鏡的焦距，如圖4所示．

圖4 不同透鏡焦距比較

*2017年度云南省教育廳科學(xué)研究研究生項(xiàng)目“基于信息技術(shù)對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新”，項(xiàng)目編號(hào)：2017TYS046;云南師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新研究”，項(xiàng)目編號(hào)：YJS201667，本文為研究成果.作者簡介：王祥委(1990- )，男，在讀碩士研究生，研究方向物理學(xué)科教學(xué).通訊作者：彭朝陽(1971- )，男，博士，教授，研究方向物理課程教學(xué)和天體物理.

2016-10-27)