鄒衛(wèi)平 黃東娜

[北京師范大學(xué)(珠海)附屬高級(jí)中學(xué) 廣東 珠海 519080] (珠海市第十中學(xué) 廣東 珠海 519000)

1 物理飛行棋設(shè)計(jì)緣由

(1)高中物理學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

進(jìn)入高中后，較多學(xué)生感覺(jué)物理難學(xué).普遍反映物理概念難以理解，物理規(guī)律不會(huì)運(yùn)用.究其原因，有學(xué)科因素，有學(xué)生因素，也有教師因素[1].而最直接的原因，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣的缺失.

“用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題”是高中《物理·必修1》的學(xué)習(xí)難點(diǎn).如何進(jìn)行難點(diǎn)突破，克服學(xué)生學(xué)習(xí)物理的畏難情緒是教學(xué)的一大難題.

(2)解決方案

引入一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性的游戲機(jī)制，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[2].因此，筆者精心設(shè)計(jì)物理飛行棋游戲，將“用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題”中的知識(shí)點(diǎn)——“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”和“運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律”的綜合運(yùn)用融入到飛行棋游戲當(dāng)中.

(3)意義和作用

飛行棋為一款深受兒童喜愛(ài)的益智游戲，大部分學(xué)生從小接觸，普及率很高.規(guī)則簡(jiǎn)單，易于掌握，游戲過(guò)程激動(dòng)人心，跌宕起伏，充滿(mǎn)趣味性.

物理飛行棋游戲是將傳統(tǒng)的飛行棋與物理知識(shí)結(jié)合起來(lái)的一種新型游戲.以飛行棋為母體游戲衍生出的物理飛行棋較易被學(xué)生接受.物理飛行棋游戲?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)有多方面的作用[3]：

第一，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；

第二，促進(jìn)學(xué)生理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律、靈活運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律；

第三，促進(jìn)學(xué)生相互學(xué)習(xí)；

第四，傳統(tǒng)課堂教學(xué)的有效拓展.

2 物理飛行棋介紹

物理飛行棋實(shí)物包含棋子、棋盤(pán)，由2～4位玩家同時(shí)游戲.

(1)棋子簡(jiǎn)介

物理飛行棋的棋子包含4種顏色的小飛機(jī)各一架，特制骰子一枚.特制骰子有6個(gè)面，分別為：“m減半”“m恢復(fù)”“F=2 N”“F=3 N”“F=4 N”“F=5 N”.其中，“m減半”表示本回合飛機(jī)質(zhì)量減為原來(lái)的一半；“m恢復(fù)”表示本回合飛機(jī)質(zhì)量恢復(fù)為初始值；“F=2，3，4，5 N”表示在本回合飛機(jī)受到的牽引力大小為2，3，4，5 N.

(2)棋盤(pán)簡(jiǎn)介

為了更加符合直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求，本游戲?qū)︼w行棋棋盤(pán)進(jìn)行改進(jìn)，將所有軌道變曲為直，形成一個(gè)正方形如圖1所示.

正方形的4條邊為小飛機(jī)移動(dòng)的路徑，每條邊由13個(gè)方格組成，每條邊上設(shè)有一條通往終點(diǎn)的路徑.正方形4個(gè)角為停機(jī)坪，是小飛機(jī)的初始停放位置.

圖1 改進(jìn)后的飛行棋棋盤(pán)示意圖

(3)游戲規(guī)則簡(jiǎn)介

1)獲勝條件:最先將小飛機(jī)順時(shí)針移動(dòng)一周到達(dá)終點(diǎn)者，獲得勝利.

2)骰子規(guī)則:只有擲到骰子為“m減半”或者“F=5 N”時(shí)，小飛機(jī)才可離開(kāi)停機(jī)坪.

此規(guī)則承襲了飛行棋起飛規(guī)則：只有骰子點(diǎn)數(shù)為5或6才可起飛.此規(guī)則可增加游戲的隨機(jī)性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的情緒，快速進(jìn)入游戲“玩家”角色.

“m減半”獎(jiǎng)勵(lì)擲骰子一次.

“m恢復(fù)”立即結(jié)束本回合，喪失本回合移動(dòng)小飛機(jī)資格.

教育游戲目的是通過(guò)游戲的方式促進(jìn)學(xué)習(xí)，達(dá)到學(xué)習(xí)目的.但學(xué)習(xí)內(nèi)容過(guò)多，游戲因素過(guò)少，會(huì)讓學(xué)生喪失興趣.物理飛行棋本質(zhì)是物理計(jì)算，但“m減半”得到獎(jiǎng)勵(lì)，“m恢復(fù)”受到“懲罰”的規(guī)則讓本游戲有更多的游戲因素.

3)移動(dòng)規(guī)則

飛機(jī)抵達(dá)終點(diǎn)后不回退.

移動(dòng)格數(shù)不為整數(shù)時(shí)四舍五入計(jì)算.

4)互動(dòng)規(guī)則

若有玩家計(jì)算錯(cuò)誤，其他玩家可指出.指出錯(cuò)誤的玩家獲得本回合移動(dòng)小飛機(jī)資格；計(jì)算錯(cuò)誤玩家喪失本回合移動(dòng)小飛機(jī)資格.

此規(guī)則旨在促進(jìn)學(xué)生之間相互學(xué)習(xí).有學(xué)生計(jì)算錯(cuò)誤時(shí)，有其他學(xué)生及時(shí)指出，并給出正確的解法，可達(dá)到同伴學(xué)習(xí)的效果.

5)開(kāi)源說(shuō)明

本游戲規(guī)則是開(kāi)源的，玩家可自行添加其他規(guī)則.

3 物理飛行棋原理

物理飛行棋棋子——小飛機(jī)的每一步移動(dòng)都需要運(yùn)用“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”和“運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律”知識(shí).小飛機(jī)的移動(dòng)格數(shù)由加速格數(shù)和減速格數(shù)相加得來(lái).小飛機(jī)在牽引力和摩擦力作用下加速，計(jì)算可得加速格數(shù)；一段時(shí)間后牽引力消失，小飛機(jī)只在摩擦力作用下減速直至停止，計(jì)算可得減速格數(shù).以下舉例提供3種常用的計(jì)算方法并進(jìn)行比較.

【例題】游戲前約定基本假設(shè)：小飛機(jī)初始質(zhì)量m=1 kg，棋盤(pán)水平面動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.1，牽引力作用時(shí)間恒為t1=1 s.若骰子結(jié)果為“F=3 N”.則小飛機(jī)應(yīng)向前移動(dòng)多少格？

解：第一種方法(公式計(jì)算法)，應(yīng)分為加速階段和減速階段進(jìn)行計(jì)算.加速階段：由骰子結(jié)果和摩擦力計(jì)算出合外力；利用合外力結(jié)合牛頓第二定律計(jì)算加速度；求出加速度后，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律即可求位移、速度等物理量.減速階段方法同加速階段，具體解答過(guò)程如表1所示.

表1 物理飛行棋計(jì)算步驟

在每一次移動(dòng)小飛機(jī)的過(guò)程中，學(xué)生應(yīng)完成以上7個(gè)步驟.

第二種方法(平均速度法)：在第一種方法計(jì)算出加速度和末速度之后，求合運(yùn)動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算全程位移.

全程的平均速度均為

減速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為

可求出全程位移

第三種方法(圖像法)：計(jì)算出加速度和減速運(yùn)動(dòng)時(shí)間后可直接繪圖計(jì)算圖形面積,如圖2所示,此面積代表小飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的位移.

圖2 圖像法計(jì)算位移

表2所示為3種計(jì)算位移方法比較，由對(duì)比可知：3種方法都需要計(jì)算加速階段加速度和末速度、減速階段加速度.第一種方法，公式記憶較為簡(jiǎn)單，物理量之間關(guān)系較為抽象，數(shù)學(xué)運(yùn)算量較大，實(shí)際計(jì)算過(guò)程中容易出錯(cuò).第二種方法，平均速度概念較為抽象，物理量之間關(guān)系復(fù)雜，數(shù)學(xué)運(yùn)算量較小，不容易出錯(cuò).第三種方法,利用物理圖像思想，把抽象的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為形象的幾何問(wèn)題.只需計(jì)算三角形面積，不容易出錯(cuò).

表2 3種計(jì)算位移方法比較

在高中《物理·必修1》的學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)依次學(xué)習(xí)“公式法求位移”“平均速度法求位移”和“圖像法求位移”.后兩種方法使用到的物理思維更高階，知識(shí)更為抽象，但使用起來(lái)更簡(jiǎn)潔方便.成績(jī)層次在全市平均分及以下的學(xué)生通常使用第一種方法，而不擅于使用后兩種方法.通過(guò)物理飛行棋的使用，學(xué)生會(huì)積極、主動(dòng)地尋找更為快捷的方法，自然而然地學(xué)會(huì)并靈活使用“平均速度法”和“圖像法”，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果.

4 物理飛行棋的學(xué)習(xí)效果

“用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題”是高中《物理·必修1》的學(xué)習(xí)難點(diǎn),原因是“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”聯(lián)結(jié)了“運(yùn)動(dòng)學(xué)”和“動(dòng)力學(xué)”內(nèi)容，增加了知識(shí)的復(fù)雜度.利用物理飛行棋可突破此學(xué)習(xí)難點(diǎn).原因有二：第一，物理飛行棋提供了真實(shí)情境，將抽象的物理知識(shí)應(yīng)用到形象的物理情境中；第二，物理飛行棋引入了游戲機(jī)制，激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求勝欲，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.物理飛機(jī)行棋游戲能在“玩”游戲時(shí)激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進(jìn)學(xué)生之間自發(fā)地相互學(xué)習(xí)，真正實(shí)現(xiàn)“玩中學(xué)”.學(xué)生要在游戲中獲勝，必須做到：運(yùn)用“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”知識(shí)，根據(jù)物體受力情況求運(yùn)動(dòng)的加速度；運(yùn)用“運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律”知識(shí)，根據(jù)物體加速度求位移和速度.此游戲能有效促進(jìn)學(xué)生綜合運(yùn)用物理知識(shí)解決真實(shí)情境中的實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

5 結(jié)束語(yǔ)

物理飛行棋能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生之間相互學(xué)習(xí).在使用物理飛行棋教學(xué)后，學(xué)生能深入理解物理概念，靈活運(yùn)用物理規(guī)律.

當(dāng)前的物理飛行棋只是筆者對(duì)高中《物理·必修1》部分內(nèi)容的初步教學(xué)嘗試，只融入了部分物理概念和規(guī)律.筆者正努力將當(dāng)前物理飛行棋升級(jí)為針對(duì)性強(qiáng)，模塊間相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系的系列化、模塊化的物理飛行棋.