李廣富 高永偉 何 婧 南亞亞 陳泓宇

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 前言

在高中物理教學(xué)中，由于以下原因：

(1)某些物理情境涉及理想實(shí)驗(yàn)，而理想實(shí)驗(yàn)無(wú)法用日常生活中的實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)完成；

(2)某些物理情境具有時(shí)間短、速度快的特點(diǎn)(例如：蘊(yùn)含“斜拋運(yùn)動(dòng)”相關(guān)知識(shí)的投籃過(guò)程)；

(3)某些物理情境需要借助價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)進(jìn)行(例如：利用顯微鏡來(lái)觀察布朗運(yùn)動(dòng)等)，導(dǎo)致不少物理情境在課堂上得不到充分的展示.

如果僅靠教師在課堂上口頭描述這些物理情境，這也無(wú)法為學(xué)生提供一個(gè)直觀感性的物理學(xué)習(xí)情境.

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，技術(shù)與課程的整合成為教育信息化進(jìn)程中的熱點(diǎn)[1].2020年版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)也提到：通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識(shí)自然界[2].由此可見(jiàn)，課標(biāo)編寫(xiě)者也非常強(qiáng)調(diào)廣大教師要將現(xiàn)代信息技術(shù)融入高中物理教學(xué)中，使學(xué)生能夠更好地理解和學(xué)習(xí)物理.

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的仿真實(shí)驗(yàn)軟件，不但操作非常簡(jiǎn)便，而且還可以模擬仿真出不同條件下的物理實(shí)驗(yàn)，更是具有強(qiáng)大的圖表功能和能夠?qū)⒘梢暬葍?yōu)點(diǎn)[3].Algodoo軟件的操作界面如圖1所示.

圖1 Algodoo軟件操作界面

其中紫色框內(nèi)的為場(chǎng)景工具欄，通過(guò)場(chǎng)景工具欄既可以新建和儲(chǔ)存虛擬仿真情境，還可以瀏覽Algodoo官方網(wǎng)站上他人上傳的虛擬仿真情境.紅色框內(nèi)的為控制菜單欄，通過(guò)控制菜單欄不但可以控制虛擬仿真情境的運(yùn)行、暫停與還原，還可以設(shè)置虛擬仿真情境的環(huán)境設(shè)定(例如：利用Algodoo軟件可以創(chuàng)建一個(gè)無(wú)空氣阻力和無(wú)重力的情境).黑色框內(nèi)的為編輯工具欄，通過(guò)工具欄中可以編輯、創(chuàng)建任意的物體(例如：籃球場(chǎng)、過(guò)山車(chē)等).黃色框內(nèi)的為屬性欄，通過(guò)屬性欄可以改變所創(chuàng)建的物體的特性(例如：將創(chuàng)建的籃球的質(zhì)量變小).

在難以利用實(shí)物創(chuàng)建相應(yīng)的物理情境進(jìn)行教學(xué)時(shí)，將Algodoo虛擬仿真軟件融入到高中物理教學(xué)中，將能夠?yàn)閷W(xué)生提供直觀形象的物理情境，使得學(xué)生能夠更好地建構(gòu)物理知識(shí)和掌握物理規(guī)律.

2 Algodoo軟件在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 Algodoo軟件在“斜拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中的應(yīng)用

投籃時(shí)，在忽略空氣阻力的情況下，籃球的運(yùn)動(dòng)可看作斜拋運(yùn)動(dòng)，將學(xué)生很熟悉的投籃過(guò)程融入到“斜拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中可使學(xué)生更加容易理解和掌握本節(jié)課的知識(shí).但由于投籃的整個(gè)過(guò)程具有時(shí)間短、速度快的特點(diǎn)，且在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法忽略空氣阻力對(duì)籃球的影響，因此很難將投籃過(guò)程作為教學(xué)材料融入到“斜拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中.Algodoo虛擬仿真軟件具有能夠模擬仿真出不同條件下的物理實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)顯示物理量變化情況和能夠記錄物體的運(yùn)動(dòng)軌跡等優(yōu)點(diǎn).因此，利用Algodoo虛擬仿真軟件將能夠把投籃這個(gè)常見(jiàn)的斜拋運(yùn)動(dòng)實(shí)例融入到“斜拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中.

斜拋運(yùn)動(dòng)的概念為：以一定的初速度將物體與水平方向成一定的角度斜向拋出，物體僅在重力作用下所做的曲線運(yùn)動(dòng)為斜拋運(yùn)動(dòng).

圖2為用Algodoo軟件創(chuàng)建的忽略了空氣阻力的模擬投籃情境.

圖2 模擬投籃

圖3顯示了籃球即將拋出時(shí)的速度方向和受力情況.點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，即可得到籃球從拋出到投入籃筐的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示.

圖3 籃球即將拋出時(shí)的模擬情境

圖4 籃球投入籃筐時(shí)的模擬情境

從圖3和圖4中可以明顯看出：籃球的初速度方向與水平方向成一定的角度，且籃球在這個(gè)過(guò)程中只受重力作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡為一條拋物線.綜上所述，將利用Algodoo軟件創(chuàng)建的忽略了空氣阻力的模擬投籃過(guò)程融入到“斜拋運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)中可使學(xué)生更加形象直觀地理解并掌握斜拋運(yùn)動(dòng)的概念.

在講授完“斜拋運(yùn)動(dòng)”的定義后，教師可先讓學(xué)生利用在“平拋運(yùn)動(dòng)”的學(xué)習(xí)中所掌握的“化曲為直”的方法來(lái)討論籃球在豎直和水平方向分別做什么運(yùn)動(dòng).教師在學(xué)生討論后，利用Algodoo軟件的圖表功能得到籃球水平、豎直方向分速度及水平、豎直方向分位移的變化情況，分別如圖5～8所示.

圖5中的籃球水平分位移變化圖像為一條傾斜直線.

圖5 籃球水平分位移變化情況

圖6中的籃球水平分速度變化圖像為一條平行于x軸的直線.

圖6 籃球水平分速度變化情況

圖5和圖6表明：籃球在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng).

圖7中的籃球豎直分位移變化圖像為拋物線，說(shuō)明籃球在豎直方向做勻變速直線運(yùn)動(dòng).

圖7 籃球豎直分位移變化情況

圖8中的籃球豎直分速度變化圖像為一條傾斜直線，正半軸的圖像說(shuō)明籃球先在豎直方向向上做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，負(fù)半軸的圖像說(shuō)明籃球做反向的勻加速直線運(yùn)動(dòng).

圖8 籃球豎直分速度變化情況

圖7和圖8表明：籃球先在豎直方向做向上的勻減速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度變?yōu)榱銜r(shí)，再做反向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，即籃球在豎直方向做豎直上拋運(yùn)動(dòng).

最后教師可引導(dǎo)學(xué)生綜合圖5～8的結(jié)論歸納總結(jié)得到：斜拋運(yùn)動(dòng)可以分解為水平方向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向上的豎直上拋運(yùn)動(dòng).

綜上所述， Algodoo軟件不但能夠模擬仿真出投籃的情境，同時(shí)能夠利用其自身的圖表功能和將力可視化的功能使得學(xué)生能夠更好地理解斜拋運(yùn)動(dòng)的定義及斜拋運(yùn)動(dòng)的分解.

2.2 Algodoo軟件在“布朗運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中的應(yīng)用

布朗運(yùn)動(dòng)需要借助顯微鏡才能進(jìn)行觀察，但很多中學(xué)的硬件設(shè)施條件非常有限，不是所有學(xué)校都配備顯微鏡這類價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器，就算學(xué)校配備有顯微鏡，其數(shù)量也不多，教師難以在課堂上使每位學(xué)生都能利用顯微鏡來(lái)觀察布朗運(yùn)動(dòng).因此，導(dǎo)致不少教師在講解布朗運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)大多結(jié)合物理學(xué)史或相關(guān)視頻來(lái)幫助學(xué)生進(jìn)行理解和學(xué)習(xí)，但這樣并不能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)直觀感性的學(xué)習(xí)環(huán)境.而Algodoo軟件能夠模擬不同條件下的物理實(shí)驗(yàn)，且其還具有強(qiáng)大的圖表功能.因此，利用Algodoo虛擬仿真軟件將能夠把“布朗運(yùn)動(dòng)”這個(gè)微觀層面的知識(shí)點(diǎn)直觀形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前.

布朗運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)布朗運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的；

(2)顆粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯；

(3)溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯.

圖9為用Algodoo軟件模擬仿真的布朗運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，其中亮藍(lán)色球體代表液體分子，黃色不規(guī)則物體代表小顆粒，粉紅色不規(guī)則物體代表大顆粒，該裝置還具有升高溫度和降低溫度的功能.

圖9 模擬布朗運(yùn)動(dòng)

點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，利用Algodoo軟件的圖表功能可得到小顆粒在一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，如圖10所示.

圖10 小顆粒運(yùn)動(dòng)情況

圖10中顯示小顆粒在這段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線是無(wú)規(guī)則的，教師可結(jié)合圖10向?qū)W生表明：布朗運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的.

圖11為大顆粒在相同時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，從圖中可以看出：在相同時(shí)間內(nèi)，大顆粒運(yùn)動(dòng)路程比小顆粒運(yùn)動(dòng)路程少得多.教師可結(jié)合圖10和圖11向?qū)W生講授布朗運(yùn)動(dòng)第一個(gè)特點(diǎn)：“顆粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯”.

圖11 大顆粒運(yùn)動(dòng)情況

提高容器內(nèi)的溫度，再次記錄小顆粒在相同時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，如圖12所示.

圖12 溫度升高時(shí)小顆粒運(yùn)動(dòng)情況

由圖12可以看出：在相同時(shí)間內(nèi)，提高容器內(nèi)的溫度，將會(huì)使小顆粒運(yùn)動(dòng)路程更長(zhǎng)，而且其路線越無(wú)規(guī)則.教師可結(jié)合圖10和圖12向?qū)W生講授布朗運(yùn)動(dòng)另一個(gè)特點(diǎn)：“溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯”.

綜上所述，利用Algodoo虛擬仿真軟件的圖表功能可以將布朗運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)直觀呈現(xiàn)出來(lái)，這將能夠使學(xué)生對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)有更為直觀感性的認(rèn)識(shí).

2.3 Algodoo軟件在“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)中的應(yīng)用

過(guò)山車(chē)是學(xué)生非常喜愛(ài)的游樂(lè)園項(xiàng)目，如果在忽略一切摩擦的情況下，過(guò)山車(chē)將遵循機(jī)械能守恒定律，將坐過(guò)山車(chē)這個(gè)物理情境融入到“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)中，將能夠大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.由于現(xiàn)實(shí)生活中的摩擦力和空氣阻力對(duì)過(guò)山車(chē)的影響不可忽略，且難以記錄過(guò)山車(chē)的動(dòng)能和重力勢(shì)能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化情況，因此，很少有教師將坐過(guò)山車(chē)這個(gè)物理情境融入到教學(xué)中.而Algodoo軟件能夠模擬仿真出無(wú)摩擦的物理情境，且其圖表功能能夠顯示相關(guān)物理量的變化情況.因此，利用Algodoo虛擬仿真軟件將能夠把坐過(guò)山車(chē)這個(gè)物理情境融入到“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)中.

機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容為：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變.

圖13為用Algodoo軟件創(chuàng)建的忽略一切摩擦的過(guò)山車(chē)運(yùn)動(dòng)模擬情境.

圖13 模擬過(guò)山車(chē)

圖14為過(guò)山車(chē)在上升時(shí)動(dòng)能、重力勢(shì)能變化情況.

圖14 過(guò)山車(chē)上升時(shí)動(dòng)能和勢(shì)能變化情況

圖15為過(guò)山車(chē)在下降時(shí)動(dòng)能、重力勢(shì)能變化情況.由于本模擬場(chǎng)景已將摩擦力、空氣阻力均設(shè)置為零，因此教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖14和圖15得出：在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，只有重力對(duì)過(guò)山車(chē)做功，因此過(guò)山車(chē)機(jī)械能守恒，在上升階段，過(guò)山車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，在下降階段，過(guò)山車(chē)的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.

圖15 過(guò)山車(chē)下降時(shí)動(dòng)能、勢(shì)能變化情況

綜上所述，教師利用Algodoo軟件不但能夠模擬仿真出忽略一切摩擦的坐過(guò)山車(chē)的情境，以此來(lái)吸引學(xué)生的注意力，提高他們學(xué)習(xí)本節(jié)課的興趣，同時(shí)還能夠借助其圖表功能來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，使學(xué)生能夠更好地理解和掌握機(jī)械能守恒定律.

3 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前教學(xué)手段現(xiàn)代化建設(shè)條件下，為提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，對(duì)于不易用實(shí)物創(chuàng)建相關(guān)物理情境進(jìn)行教學(xué)的高中物理知識(shí)，廣大教師可積極利用Algodoo軟件模擬仿真出與之相關(guān)的物理情境并將其應(yīng)用到教學(xué)中，使得學(xué)生能夠更好地理解和掌握物理知識(shí)，提高教學(xué)效果.