［摘 要］文章首先簡單介紹Algodoo及其研究現(xiàn)狀；其次探討其對(duì)設(shè)備配置要求不高、實(shí)驗(yàn)條件及元件參數(shù)可調(diào)、適合學(xué)生自主探究等應(yīng)用優(yōu)勢，并通過教學(xué)案例展示學(xué)生在全反射產(chǎn)生條件、臨界角與折射率的關(guān)系等方面的學(xué)習(xí)與自主探究過程，強(qiáng)調(diào)Algodoo在提高教學(xué)效率、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的積極作用；最后對(duì)Algodoo在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了小結(jié)。

［關(guān)鍵詞］Algodoo；全反射教學(xué)；高中物理

［中圖分類號(hào)］" " G633.7" " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］" " A" " " " ［文章編號(hào)］" " 1674-6058（2024）23-0041-04

隨著信息化的不斷發(fā)展，信息技術(shù)在教育教學(xué)中的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為一種教育新趨勢。信息技術(shù)的應(yīng)用使教學(xué)方式更加多樣化、教學(xué)資源更加豐富、教學(xué)過程更加智能化。信息技術(shù)與教育教學(xué)的有機(jī)融合為學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)資源和自主學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，有助于學(xué)生進(jìn)行自主探究，培養(yǎng)科學(xué)思維，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》特別強(qiáng)調(diào)采用多樣化的教學(xué)方式，倡導(dǎo)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)知自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力[1]?；诖?，高中物理教師應(yīng)積極主動(dòng)開發(fā)適用于物理教學(xué)的信息產(chǎn)品，并努力學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)字媒體技術(shù)，豐富物理教學(xué)方式，有效提升物理教學(xué)的質(zhì)量。

目前，PPT、希沃白板、Flash等教育技術(shù)已經(jīng)成為物理教學(xué)的重要組成部分，但它們在提高教學(xué)場景的真實(shí)性、教學(xué)內(nèi)容的趣味性和學(xué)生的課堂參與度等方面還存在一些局限。而Algodoo這一教育技術(shù)可有效突破局限，促進(jìn)信息技術(shù)與物理教學(xué)的有機(jī)融合。本文以“全反射”教學(xué)為例，從教師和學(xué)生兩個(gè)方面探討Algodoo在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用。

一、Algodoo簡介及其研究現(xiàn)狀

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司開發(fā)的一款獨(dú)特的2D仿真軟件，它可為用戶提供直觀的環(huán)境，用于創(chuàng)建、模擬物理教學(xué)場景和展示物理現(xiàn)象。借助Algodoo內(nèi)置的實(shí)時(shí)物理引擎以及對(duì)重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力等要素的模擬，能夠準(zhǔn)確地模擬真實(shí)世界和理想條件下的物理規(guī)律。利用Algodoo，用戶可以通過簡單地拖拽、放置和連接不同物體，輕松創(chuàng)建復(fù)雜的物理場景，以及觀察物體在模擬環(huán)境中的真實(shí)行為。此外，Algodoo還能提供豐富的創(chuàng)意場景設(shè)計(jì)工具，例如推進(jìn)器、鐳射筆和彈簧等，便于用戶實(shí)現(xiàn)更多的交互和富有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)。

當(dāng)前，國內(nèi)關(guān)于Algodoo與物理教學(xué)的融合的研究還不夠充分，Algodoo在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究也較為有限。其中，朱紅偉老師在初中物理光學(xué)教學(xué)中利用Algodoo真實(shí)再現(xiàn)光的色散和光的折射現(xiàn)象，以及模擬近視眼的成像原因與矯正方式[2]。陳蓉、楊曉燕、蔡武德則利用Algodoo對(duì)光的折射規(guī)律進(jìn)行了探究[3]。王祥委、段娟娟、彭朝陽運(yùn)用Algodoo模擬凸透鏡成像，幫助學(xué)生理解相關(guān)物理規(guī)律[4]。這些研究主要集中在初中光學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，并且在激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性等方面尚有不足。高中物理的光學(xué)知識(shí)較為抽象，要求學(xué)生具備較高的思維能力。國內(nèi)對(duì)于Algodoo在高中物理光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究非常有限，亟待展開深入研究。

二、Algodoo的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）對(duì)設(shè)備配置要求不高

Algodoo是一種出色的物理仿真工具，具有免費(fèi)使用、內(nèi)存消耗小、對(duì)設(shè)備配置要求不高等多重優(yōu)勢，這使得Algodoo在教學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)越性。目前，一些學(xué)校面臨著設(shè)備老化的問題，而一些對(duì)設(shè)備配置要求高的仿真軟件很難被廣泛應(yīng)用。而Algodoo通過其低成本、易于操作、對(duì)設(shè)備配置要求不高等優(yōu)勢，為硬件條件較為薄弱的學(xué)校提供了可行的解決方案。

（二）實(shí)驗(yàn)條件及元件參數(shù)可調(diào)

與其他仿真軟件相比，Algodoo在物理教學(xué)中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，一是其突出的實(shí)驗(yàn)條件可調(diào)節(jié)性。用戶可以自由調(diào)整重力場、電場、磁場、阻力等元素，為不同物理過程的模擬提供高度靈活的環(huán)境。二是元件參數(shù)的可調(diào)節(jié)性。用戶能夠輕松調(diào)整元件的材質(zhì)、密度、折射率、彈性系數(shù)等，既能模擬真實(shí)的物理情境，又能進(jìn)行理想化實(shí)驗(yàn)的模擬演示，還可以通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件和元件參數(shù)進(jìn)行定量研究。這一特性有利于控制變量法的應(yīng)用，為系統(tǒng)地、有組織地進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究提供了便利。教師在教學(xué)中利用Algodoo調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件和元件參數(shù)，可讓學(xué)生直觀理解不同條件下實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的深刻理解。

（三）適合學(xué)生自主探究

Algodoo的多功能性為學(xué)生提供了廣闊的自主探究空間。Algodoo操作簡單，學(xué)生能夠輕松上手。通過Algodoo，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中模擬各種物理場景和觀察各種在日常生活或?qū)嶒?yàn)室中難以見到的物理現(xiàn)象。

Algodoo為學(xué)生提供了一個(gè)可視化、互動(dòng)化的平臺(tái)，利用Algodoo學(xué)生可以靈活調(diào)整元件的參數(shù)，模擬不同的場景，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行深入分析。這種自主探究的方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和問題解決能力。

通過Algodoo進(jìn)行自主探究，學(xué)生能夠培養(yǎng)自身的自主學(xué)習(xí)能力、批判性思維能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等，并且能夠更好地理解和應(yīng)用物理知識(shí)。

三、Algodoo在高中物理全反射教學(xué)中的應(yīng)用案例

（一）選題分析

“光的全反射”選自魯科版選擇性必修第一冊第4章第3節(jié)，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是知道全反射現(xiàn)象、光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)、臨界角和全反射條件；理解臨界角的概念，能判斷是否發(fā)生全反射；能用全反射現(xiàn)象解決相關(guān)的實(shí)際問題。本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是理解臨界角的概念及全反射條件，教學(xué)難點(diǎn)是全反射現(xiàn)象的應(yīng)用。根據(jù)新課標(biāo)的要求，教師可先通過“全反射變臉實(shí)驗(yàn)”“沙漠蜃景”“熏黑的鐵球變亮”等實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的探究欲望；再利用單束激光做光的全反射實(shí)驗(yàn)，將復(fù)雜的全反射現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)簡化，便于學(xué)生在觀察現(xiàn)象中抓住問題本質(zhì)，認(rèn)識(shí)全反射的條件。演示實(shí)驗(yàn)中，可能存在“白天光路不夠清晰，學(xué)生難以直觀觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”的問題。該演示實(shí)驗(yàn)常演示光從玻璃斜射入空氣時(shí)的反射和折射現(xiàn)象，在條件允許的情況下教師可把玻璃換成其他介質(zhì)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，或者利用視頻、圖片進(jìn)行展示。但是，單次實(shí)驗(yàn)只能涉及兩種不同介質(zhì)，且其中一種往往是空氣，相對(duì)單一，不利于學(xué)生得到普遍規(guī)律，以及理解光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的特性。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對(duì)的概念，學(xué)生容易誤認(rèn)為某些介質(zhì)一定是光密介質(zhì)或是光疏介質(zhì)。若在演示實(shí)驗(yàn)后，教師能夠輔助利用現(xiàn)代信息技術(shù)，連續(xù)改變兩種介質(zhì)的折射率，讓學(xué)生感受并記錄同一介質(zhì)在不同情況下的光密或光疏特性，并自主探究，通過定量模擬實(shí)驗(yàn)得出普遍規(guī)律，將大大增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果和說服力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

為此，筆者引入Algodoo進(jìn)行輔助教學(xué)。教材上一節(jié)的“拓展一步”欄目中介紹了絕對(duì)折射率與相對(duì)折射率的概念，并對(duì)折射定律進(jìn)行了拓展。在折射現(xiàn)象中，光從介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)2的折射率稱為介質(zhì)2對(duì)介質(zhì)1的相對(duì)折射率，用[n21]表示。相對(duì)折射率和絕對(duì)折射率的關(guān)系是[n21=n2n1]（式1），這一公式的引入可以有效優(yōu)化全反射的講解過程，幫助學(xué)生更深入地理解折射和全反射現(xiàn)象。為鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)，筆者設(shè)計(jì)了自主探究任務(wù)，讓學(xué)生自主探究不同介質(zhì)發(fā)生全反射時(shí)的入射角的大小，從而總結(jié)全反射條件，以及通過Algodoo進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)和自主探究，歸納實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

（二）應(yīng)用案例

1.學(xué)生自主探究全反射條件

在進(jìn)行教材P97“迷你實(shí)驗(yàn)室”欄目中的實(shí)驗(yàn)演示后，教師指導(dǎo)學(xué)生利用Algodoo進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并請學(xué)生再次觀察描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)1：設(shè)置介質(zhì)1（即入射光所在介質(zhì)）的折射率為1，介質(zhì)2（即折射光所在介質(zhì)）的折射率為2.40，利用鐳射筆作為光源，改變鐳射筆入射方向，改變?nèi)肷浣牵^察是否有全反射現(xiàn)象發(fā)生。

學(xué)生甲發(fā)現(xiàn)光從玻璃（[n=1.5]）入射到空氣（[n=1.00029]）時(shí)，折射角大于入射角，入射角逐漸增大，反射光變強(qiáng)，折射光變?nèi)?，?dāng)入射角增大到一定程度時(shí)，折射光完全消失，只剩下了反射光。

筆者對(duì)學(xué)生甲的發(fā)現(xiàn)表示肯定，并告知學(xué)生該現(xiàn)象為“全反射”，即折射角趨近于 90°，折射光強(qiáng)度趨近于 0，反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度幾乎相等。

若改變兩種介質(zhì)，還會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象嗎？滿足何種條件才會(huì)發(fā)生全反射呢？學(xué)生提出猜想，設(shè)計(jì)探究方案，分別改變兩種介質(zhì)的折射率，繼續(xù)利用Algodoo進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖1）并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表1）。

經(jīng)過仔細(xì)觀察和記錄數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)入射介質(zhì)的折射率大于折射介質(zhì)的折射率時(shí)，才有可能會(huì)出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。在這里，筆者指出折射率較小的介質(zhì)為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)為光密介質(zhì)。學(xué)生在對(duì)比第2組和第4組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)不是絕對(duì)的，而是相對(duì)的。在演示實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生也容易發(fā)現(xiàn)入射角要不斷增大到某一臨界值才會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。筆者強(qiáng)調(diào)光剛好發(fā)生全反射時(shí)的入射角稱為全反射的臨界角，從而總結(jié)得出發(fā)生全反射的條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于等于臨界角。

那么臨界角與折射率有什么關(guān)系呢？當(dāng)介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時(shí)，全反射現(xiàn)象會(huì)受到怎樣的影響？除了介質(zhì)之間的折射率差異，還有其他因素會(huì)影響全反射的發(fā)生嗎？針對(duì)這些問題進(jìn)行深入探究，有助于啟迪學(xué)生思維，拓寬學(xué)生的探索領(lǐng)域，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)全反射的理解。

2.學(xué)生自主探究折射光所在介質(zhì)為空氣時(shí)臨界角大小與折射率的關(guān)系

在學(xué)習(xí)了臨界角的概念后，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2。

實(shí)驗(yàn)2：將實(shí)驗(yàn)1中上半部分介質(zhì)更換為空氣（[n=1.00029]），多次改變?nèi)肷涔馑诮橘|(zhì)的折射率，分別記錄折射率以及臨界角的大小（利用Algodoo自制量角器測量），觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖2）并記錄數(shù)據(jù)（如表2）。

根據(jù)表2，學(xué)生發(fā)現(xiàn)[sinC]約等于[1n]，即[sinC≈1n]（式2）。學(xué)生再將實(shí)驗(yàn)1中上半部分介質(zhì)更換為真空（[n=1]），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)[sinC=1n]，從而得到光從其他介質(zhì)斜射入真空中時(shí)的臨界角公式。實(shí)驗(yàn)2從空氣到真空，有效彌補(bǔ)了演示實(shí)驗(yàn)中無法實(shí)現(xiàn)真空的不足，使學(xué)生體會(huì)到物理中的理想實(shí)驗(yàn)法，進(jìn)一步培養(yǎng)和提升了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

筆者對(duì)學(xué)生得到的規(guī)律表示贊同，進(jìn)一步給學(xué)生布置自主探究任務(wù)：若折射光所在介質(zhì)的折射率不為1，那臨界角的大小和介質(zhì)的折射率又有什么關(guān)系？

3.學(xué)生自主探究折射光所在介質(zhì)的折射率不為1時(shí)臨界角大小和介質(zhì)折射率的關(guān)系

在課下，學(xué)生依托Algodoo中多種可調(diào)節(jié)折射率的介質(zhì)，對(duì)筆者提出的問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究（部分實(shí)驗(yàn)光路圖如圖3、圖4），并提交了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表3、表4）。

實(shí)驗(yàn)3：將介質(zhì)1（玻璃）和介質(zhì)2（玻璃）的折射率由1.4調(diào)到2.0。

實(shí)驗(yàn)4：將介質(zhì)1（玻璃）、介質(zhì)2（水）、介質(zhì)2（水）的折射率設(shè)為1.33。

學(xué)生由式1、式2推導(dǎo)得：[sinC=n2n1=n21]（[n21]是相對(duì)折射率），由此可以得到折射光所在介質(zhì)的折射率不為1時(shí)臨界角大小和折射率的關(guān)系。

綜上可知，應(yīng)用Algodoo等信息技術(shù)輔助教學(xué)，并不是替代傳統(tǒng)教學(xué)中的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，而是將不明顯的、不直觀的、實(shí)驗(yàn)效果差的、無法進(jìn)行操作的理想實(shí)驗(yàn)等用更加適合的方式進(jìn)行講解，以此提高教學(xué)效率和效果。借助Algodoo，可以讓學(xué)生在不受實(shí)驗(yàn)器材和環(huán)境限制的情況下進(jìn)行自主探究，更好地貫徹“以生為本”的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 朱紅偉.基于Algodoo的初中物理光學(xué)教學(xué)新思路探討：以蘇科版物理光學(xué)教學(xué)中若干片段為例[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2021，31（6）：60-62.

[3]" 陳蓉，楊曉燕，蔡武德.Algodoo在探究光的折射規(guī)律中的應(yīng)用研究[J].物理通報(bào)，2018（增刊2）：119-120，124.

[4]" 王祥委，段娟娟，彭朝陽.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[J].物理通報(bào)，2017（7）：85-87.

（責(zé)任編輯 黃春香）