王玲琦 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

Algodoo軟件是瑞典Algoryx Simulation AB 公司推出的一款獨特的2D仿真軟件，其前身是瑞典一所大學(xué)計算機專業(yè)碩士Emil Ernerfeld為導(dǎo)師Kenneth BodinPhun寫的一個名為Phun的程序，寫該程序的目的是為了使物理教學(xué)和研究更直觀有效，其英文名為“2D Physics Sandbox”即“二維物理沙盒”[1].Algodoo軟件在Phun的基礎(chǔ)上為課堂教學(xué)做了優(yōu)化，它為學(xué)生們帶來了一個好玩的、卡通式的平臺，鼓勵學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造力、動手能力和知識建構(gòu)能力[2].Algodoo 軟件的使用不需要了解復(fù)雜的編程知識，只需要通過繪制簡單的物件就可以進行模擬仿真，還可以繪制圖像；能夠為學(xué)生提供直觀、可視化的學(xué)習(xí)情境，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的物理概念等，但筆者發(fā)現(xiàn)，Algodoo軟件在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用還比較小眾，除去關(guān)注Algodoo軟件的部分教師外，很多一線教師都對Algodoo 軟件了解甚少， Algodoo的有效功能沒有得到應(yīng)用和推廣對于物理教學(xué)是一種資源損失．因此，本文對國內(nèi)Algodoo的相關(guān)文獻(xiàn)做個綜述，旨在推廣Algodoo軟件在物理教學(xué)中的研究和應(yīng)用.

通過在中國知網(wǎng)進行檢索，將關(guān)鍵詞定為“Algodoo ”，截至2022年1月20日，可檢索出40篇相關(guān)的文獻(xiàn).將關(guān)鍵詞定為“Algodoo 物理”，可檢索出37篇文獻(xiàn)；其中34篇是物理教學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)，3篇碩士論文.如圖1所示，Algodoo軟件在中學(xué)物理教育教學(xué)應(yīng)用的文章于2010年開始發(fā)表，從2017年開始，期刊發(fā)表明顯增多，但到2020年，期刊發(fā)表又處于低迷狀態(tài)，然而到2021年期刊發(fā)表又一次大幅度增加.由此可見，Algodoo軟件在物理教育教學(xué)中的應(yīng)用又慢慢地得到學(xué)者的青睞，也被廣大一線教師所關(guān)注.

圖1是該軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)數(shù)量隨年份變化的情況.

圖1 Algodoo軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)數(shù)量隨年份變化圖

2 Algodoo軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的基本情況

通過查閱文獻(xiàn)，總結(jié)出關(guān)于Algodoo軟件的主要功能如下：

(1)能夠精確模擬實驗，直觀觀察到實驗現(xiàn)象.

(2)能夠創(chuàng)建各種物理元件，可以設(shè)置各元件及相關(guān)參數(shù).

(3)能夠模擬各物件在重力、浮力、空氣阻力、摩擦力的相互影響下，實現(xiàn)精度較高的仿真實驗.

(4)能夠?qū)崟r顯示物體運動軌跡、受力和速度等物理特征量，使物理量的分析可視化.

利用Algodoo軟件的功能，很多研究者將Algodoo軟件與物理教學(xué)聯(lián)系起來，通過對Algodoo在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究的30多篇文獻(xiàn)進行通讀，并對此進行梳理和分類，關(guān)于Algodoo軟件功能的研究大體可分為以下幾類：

(1)Algodoo在物理概念、規(guī)律教學(xué)中的輔助作用.

(2)Algodoo在物理問題解決中的作用.

(3)Algodoo在探究性問題中的輔助作用.

(4)Algodoo軟件在物理實驗教學(xué)中的輔助作用.

(5)Algodoo與其他仿真軟件在物理教學(xué)中的優(yōu)缺比較研究.

2.1 Algodoo軟件在物理概念和規(guī)律教學(xué)中的輔助作用

這一類的研究是眾多研究者所特別關(guān)注的.文獻(xiàn)[3]中介紹了利用Algodoo軟件調(diào)取光的色散，移動輻射筆照射在三棱鏡上，讓學(xué)生們觀察三棱鏡后的光，輔助學(xué)生理解光的色散的概念.

文獻(xiàn)[4]介紹了利用Algodoo軟件創(chuàng)建元件，并設(shè)置元件的有關(guān)參數(shù)，模擬行星的運動，并利用其實時記錄物體運動軌跡，從而直觀驗證開普勒三大定律;不僅如此，還利用Algodoo軟件選擇所需的元件和設(shè)置特定的條件模擬簡諧運動，繪制顯示圖像，得到物體簡諧運動的振動圖像；并且利用該軟件新建場景，選取元件設(shè)置參數(shù)來得到兩物體相互碰撞前后圖像，驗證動量守恒定律.

文獻(xiàn)[5]注意到傳統(tǒng)的光學(xué)實驗的光路無法直接呈現(xiàn)，而且實驗色光的種類有限，于是設(shè)計了利用Algodoo軟件創(chuàng)建凸透鏡，通過設(shè)置調(diào)節(jié)透鏡的焦距和大小、折射率，創(chuàng)建一組平行光沿著主光軸方向穿過透鏡，來演示凸透鏡成像，補全了傳統(tǒng)光學(xué)實驗的不足，能夠很好地觀察到實驗現(xiàn)象，總結(jié)得到凸透鏡成像的規(guī)律.

文獻(xiàn)[6]利用Algodoo軟件創(chuàng)設(shè)情境，創(chuàng)建一個天花板與水平地面平行，建立一個圓，通過顯示圖表，設(shè)置坐標(biāo)，則可以在小球下落過程中顯示小球的動能、重力勢能、總能量隨時間的變化圖像來驗證自由落體運動中的機械能守恒，同樣的，還利用創(chuàng)設(shè)斜面、鋼球，來驗證斜面中的機械能守恒；不僅如此，文獻(xiàn)[6]還利用Algodoo軟件來創(chuàng)建天花板、繩子、鋼球來驗證單擺實驗中機械能守恒.

文獻(xiàn)[7]注意到在高中“布朗運動”這一課題對于傳統(tǒng)課堂而言，基本上采用講授法，或者借助視頻或者物理學(xué)史來進行授課，由于布朗運動只有在顯微鏡下才能觀測得到，而由于大多數(shù)學(xué)校實驗設(shè)備有限，學(xué)生能夠觀測到布朗運動的可能性不大，發(fā)現(xiàn)用Algodoo軟件輔助課堂教學(xué)，能較為直觀地建立一系列參數(shù)多變的物理模型，經(jīng)過一系列可視化處理，顯示懸浮微粒的運動軌跡，從而模擬分子層面微觀粒子無規(guī)則運動引起的布朗運動，幫助學(xué)生“看到”并理解知識.

文獻(xiàn)[8]講到在高中物理教學(xué)中，牛頓第一定律中的理想斜面在實際生活中不存在，所以無法進行理想斜面實驗，借助Algodoo軟件就可以模擬理想斜面，并且利用其“顯示圖表”的功能讓學(xué)生定性地認(rèn)識到，當(dāng)接觸面摩擦力為零時，即無限光滑時，小車真的能夠一直運動下去，讓學(xué)生對于物體的運動不需要力來維持有更深層次的理解.

文獻(xiàn)[9]介紹了利用Algodoo來創(chuàng)設(shè)所需要的情境，模擬無推力和有推力兩種情境，幫助學(xué)生理解靜摩擦力的本質(zhì)：彈力的水平方向的合力就是宏觀上的靜摩擦力，這就能解釋靜摩擦力隨水平外力的增大而增大的原因.

2.2 Algodoo軟件在物理問題解決中的作用

文獻(xiàn)[1]注意到利用Algodoo能夠創(chuàng)設(shè)所需要的情境，能夠使得建立模型的過程更加生動.該文獻(xiàn)以江蘇高考題為例，闡述了運用Algodoo創(chuàng)建題目所需的情境，幫助學(xué)生建立“擺線”模型(圖2).

圖2 基于Algodoo模擬“擺線”模型

文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)可以利用Algodoo的可視化力功能在高中物理問題解決中常見的習(xí)題：判斷物體是否受力，受力的方向和運動物體受力情況，給學(xué)生帶來直觀體驗，發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力.

文獻(xiàn)[11]介紹了通過Algodoo軟件的交互功能，來提高物理專題復(fù)習(xí)效率.通過介紹用Algodoo軟件來創(chuàng)建用彈簧連接的兩個小球在光滑水平面上的運動伴隨的小球速度以及彈簧能量轉(zhuǎn)化的問題，體現(xiàn)了Algodoo軟件的輔助大大降低了學(xué)生在處理此類繁瑣問題的思維門檻.

文獻(xiàn)[12]注意到中考經(jīng)常出現(xiàn)物體運動比較復(fù)雜的試題，而學(xué)生的建模能力比較低，完整地分析運動過程中速度、機械能的變化比較困難，因此便以一道中考題為例，介紹了運用Algodoo實時測量并顯示物體運動過程中的速度、機械能的變化圖像，能夠通過試題來提高學(xué)生的建模能力.

文獻(xiàn)[13]介紹了用Algodoo實現(xiàn)“可視化力”的基本方法，并介紹了Algodoo軟件在彈力和動態(tài)分析、運動的過程中的受力等課后習(xí)題中應(yīng)用會使抽象的習(xí)題情境變得直觀，有利于教學(xué)難點的突破，為平時的教學(xué)帶來便利[9]; 并以廣東高考壓軸題為例，進行仿真情境，探究雙質(zhì)點在斜面運動和碰撞的問題.

2.3 Algodoo在探究物理問題中的輔助作用

文獻(xiàn)[14]以“圓周運動”為例，介紹了通過Algodoo齒輪的聯(lián)動可以探究同個齒輪上不同點角速度、線速度的關(guān)系，相互接觸的齒輪上角速度、線速度的關(guān)系；利用Algodoo軟件制作水流星，可以簡便地探究水流星的原理；還利用Algodoo制作“環(huán)球模型”、改變球的速度，來觀察不同的運動情境，這一情境可以很好地輔助解釋球在豎直面內(nèi)運行的“桿球模型”的受力問題，形象的類比可以使復(fù)雜問題簡單化.不僅如此，文獻(xiàn)[15]還在“探究拋體落到不同形狀的障礙物上的動能最值問題”案例中基于Algodoo探究不同初速度條件下物體的下落和碰撞情境， 還能輸出需要的各種數(shù)據(jù)，便于我們選擇研究，整個設(shè)計過程方便快捷.并且，文獻(xiàn)[13]還介紹了運用Algodoo軟件中的“推進器”工具模擬探究了力對速度的改變的問題、飛行器的運動問題.

文獻(xiàn)[16]用Algodoo軟件模擬鏡面反射和漫反射，能夠幫助學(xué)生更加清晰地了解鏡面反射和漫反射的區(qū)別.

文獻(xiàn)[17]利用Algodoo進行了拱橋受力的物理模擬實驗，幫助學(xué)生探究拱橋設(shè)計的原理.

2.4 Algodoo軟件在物理實驗中的輔助作用

文獻(xiàn)[17]注意到，在教材中的探究牛頓第二定律的實驗中，由于木板跟滑塊之間有摩擦力，通常將木板傾斜，使得滑塊重力沿斜面方向的分力平衡摩擦力，但又要使沙桶的重力遠(yuǎn)小于滑塊的重力，那這樣的話加速度a很小，由此造成的誤差較大.因此，文獻(xiàn)[17]用Algodoo創(chuàng)設(shè)實驗情境，就可以使得各個接觸面摩擦系數(shù)為零，并且開啟速度追蹤，就可以得到速度-時間圖像，再進行處理就可以得到加速度與物體質(zhì)量、所受合外力之間的關(guān)系，從而驗證牛頓第二定律.

文獻(xiàn)[8]提出，在講解高中的“單擺”這部分內(nèi)容時要讓學(xué)生理解在數(shù)學(xué)推導(dǎo)中為什么擺線角度足夠小就是簡諧運動是很難的，但如果利用Algodoo軟件模擬情境來做一個關(guān)于擺線角度大小對應(yīng)的函數(shù)的探究實驗，角度小對應(yīng)正弦函數(shù)圖像，角度大對應(yīng)非正弦函數(shù)圖像，這便能夠最大限度地讓學(xué)生突破難點.

文獻(xiàn)[18]介紹了如何使用Algodoo建立一個虛擬力學(xué)實驗室，并在其中完成傳統(tǒng)實驗室無法完成的一系列理想實驗的全過程，利用虛擬太空環(huán)境和兩架虛擬飛碟進行慣性實驗和曲線運動實驗，有效地突破高中物理的難點.

文獻(xiàn)[19]主張使用Algodoo軟件模擬彈簧振子，既可以排除空氣阻力，避免一系列系統(tǒng)誤差，又可以設(shè)置位移-時間圖像，能夠?qū)崟r地得到振子做簡諧振動的v-t圖像、a-t圖像、F-t圖像、E-t圖像.

2.5 Algodoo軟件和其他一些軟件比較的優(yōu)缺點

文獻(xiàn)[20]以Excel、 Algodoo、Flash這3個軟件為例，講述了計算機常用軟件在物理實驗中的應(yīng)用，并對其各自的特點進行分析，得出Excel對于實驗數(shù)據(jù)處理、擬合函數(shù)圖像具有非常強大的作用，而flash和Algodoo都是針對仿真模擬，但Algodoo軟件的功能更強大，簡單上手，不需要掌握復(fù)雜的編程知識．在這3種軟件的使用上，根據(jù)具體需要合適選擇.

文獻(xiàn)[21]在論文中針對常用物理虛擬實驗軟件Algodoo、NOBOOK、宇宙沙盤2、物理實驗課進行對比，從易用性、功能性、細(xì)節(jié)處理和不足之處4個維度進行分析，得出Algodoo軟件操作簡單，自由度高，所有模型幾乎都由使用者自行設(shè)計，軟件占據(jù)空間不大，幀率可調(diào)節(jié)，功能的強大在于它對力學(xué)實驗的模擬度，通過使用者對模型的自主建構(gòu)，可以模擬出大量的力學(xué)實驗；易用性非常高；缺點就是不能插入電元件、無法插入電磁場、無法進行近代物理相關(guān)的一些實驗.

文獻(xiàn)[16]對常見的智能系統(tǒng)中的Algodoo、Phyphox、Dislab進行了分析，肯定了Algodoo軟件既可以作為教師向?qū)W生展示實驗的工具，也可以作為高年級學(xué)生分析物理實驗數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)工具；是一款可以作為教學(xué)演示工具、建模工具、分析解釋工具、在線交流和反思工具的軟件.

3 思考與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多一線教師和研究者已經(jīng)能夠用虛擬仿真軟件來改善傳統(tǒng)實驗的不足并做出很多實驗．目前國內(nèi)關(guān)于Algodoo軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究已經(jīng)有了很多的范例，取得了不少的成果，從對搜集到的文獻(xiàn)來看，可以看出目前在物理教學(xué)中能夠使用的虛擬仿真軟件和數(shù)據(jù)處理工具已經(jīng)蓬勃發(fā)展，但對于Algodoo的研究目前也存在一些問題，現(xiàn)總結(jié)如下：

(1)創(chuàng)新性較少.這主要體現(xiàn)在大部分文獻(xiàn)在案例中舉到Algodoo在規(guī)律、概念教學(xué)中最多的例子就是力學(xué)中的動量守恒、機械能守恒、圓周運動，光學(xué)中的光的折射、反射等，但對于熱力學(xué)方面的案例制作很少.

(2)關(guān)注點不全.這體現(xiàn)在大多數(shù)研究都是停留在制作案例，沒有很好關(guān)注到Algodoo中的Algobox場景庫的利用，沒有注重制作者場景的分享，資源的共享.

(3)功能利用單一.這體現(xiàn)在大多數(shù)的研究都停留在教師如何利用Algodoo來進行虛擬演示實驗，由于它不需要編程基礎(chǔ)，上手容易、操作簡單的優(yōu)勢，忽視了Algodoo的創(chuàng)建場景也可以由學(xué)生個人或者分組來完成，并且隨著信息時代的發(fā)展，學(xué)生能夠較方便地使用電子設(shè)備，因此，Algodoo也可以作為學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)、自由使用的學(xué)習(xí)工具，雖然有研究者提到Algodoo這方面的功能所在，但卻沒有人具體針對學(xué)生如何最大限度地自主或者合作使用Algodoo來輔助學(xué)習(xí)展開研究.

(4)缺乏評價體系.很少研究者能夠?qū)νㄟ^Algodoo進行虛擬仿真是不是真的讓學(xué)生感興趣，是不是提升了學(xué)生的學(xué)業(yè)成績，提高了建模能力展開研究，只有文獻(xiàn)[21]提到通過調(diào)查和對照實驗方法針對該問題進行了研究，但調(diào)查方法、結(jié)果仍然值得深入探討，因此，這部分研究的空間還有很大.