游戲在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用*
——以“斜拋運動”為例

徐連榮譚 偉崔光佐

（1．北京師范大學(xué) 知識工程中心，北京 100875；2．聊城大學(xué) 傳媒技術(shù)學(xué)院，山東聊城 252059）

游戲在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用*
——以“斜拋運動”為例

徐連榮1,2譚 偉1崔光佐1

（1．北京師范大學(xué) 知識工程中心，北京 100875；2．聊城大學(xué) 傳媒技術(shù)學(xué)院，山東聊城 252059）

斜拋運動是高中物理教學(xué)的難點，按照常規(guī)講授式教學(xué)，難以產(chǎn)生對這一運動規(guī)律的深度理解。為解決這一教學(xué)問題，基于“憤怒的小鳥”這一游戲，設(shè)計問題情景，通過學(xué)生自主探究，自主發(fā)現(xiàn)斜拋運動的規(guī)律。實驗選取北京市門頭溝區(qū)某高中的兩個班共計74名學(xué)生開展了同課異構(gòu)的對比教學(xué)活動，結(jié)果顯示：（1）學(xué)生在基本知識、基本技能的掌握上沒有差別；（2）在斜拋運動的深入理解上，兩個班級的學(xué)生得分具有統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異性，且實驗班的學(xué)生平均得分要高于控制班的學(xué)生平均得分。與常規(guī)講授式教學(xué)相比，使用游戲進(jìn)行探究式教學(xué)，學(xué)生不但可以掌握關(guān)于斜拋運動的基本知識與技能，還可以獲得對這一運動規(guī)律的深度理解。

游戲；探究式教學(xué)；憤怒的小鳥；斜拋運動；深度理解

引言

使用游戲促進(jìn)學(xué)習(xí)并不是一個新的現(xiàn)象。不論是東方還是西方，“學(xué)”與“玩”總是關(guān)聯(lián)在一起，出現(xiàn)了許多益智類游戲。例如，中國自古便有“寓教于樂”的傳統(tǒng)，出現(xiàn)了圍棋、七巧板、九連環(huán)、華容道等游戲；而西方也出現(xiàn)了魔塔、獨立鉆石棋、魔方等游戲。參與這些游戲不但需要一定的智力，還需要一定的技巧，可以很好地提高參與者的推理與決策能力。現(xiàn)在隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的古老游戲找到了新的載體，把這些新形式的游戲用于教育目的是一件新鮮事。教育游戲既不是純粹的游戲，也不是教育與游戲的簡單相加[1]，有待進(jìn)一步探索其理論與應(yīng)用研究。

一 游戲與教育

游戲沒有一個準(zhǔn)確的定義，不同的游戲有著不同的設(shè)計開發(fā)理念[2]，給游戲下定義是一件非常難的事情[3]。繞過給游戲下通用定義，Roger Caillois[4]通過分析大量的游戲，提出了游戲之所以成為游戲的六個關(guān)鍵屬性:Free（自由性）、Separate（時空隔離）、Uncertain（不確定性）、Unproductive（無有形產(chǎn)出）、Governed by rules（基于規(guī)則）、Make-believe（虛擬信念）。當(dāng)然，列舉的這些特性只是籠統(tǒng)的歸納，并不要求一個游戲必須具備上述所有特性。實際上，由于游戲在設(shè)計及技術(shù)實現(xiàn)上的多樣性，很難形成一個面面俱到的定義。

20世紀(jì)80年代，游戲的教育價值開始得到重視，一些研究者開始進(jìn)入這一領(lǐng)域的研究[5]。同時，由于電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開始出現(xiàn)以電視或計算機(jī)為載體的視頻游戲。Pac-Man這一游戲的出現(xiàn)開啟了用于教育目的視頻游戲的先河[6]。現(xiàn)有的研究中，相關(guān)文獻(xiàn)大體包括以下幾個方面:發(fā)展綜述、理論探索、設(shè)計方法、技術(shù)工具、應(yīng)用實踐以及調(diào)查分析等[7]。技術(shù)工具與應(yīng)用實踐類的研究較少，在這兩類較少的文獻(xiàn)中，大多偏重于嚴(yán)肅游戲研究，關(guān)于教育中使用商業(yè)游戲的研究較少。

用于教育目的的游戲可以分為兩類，一類是商業(yè)游戲，另一類是專門設(shè)計的嚴(yán)肅游戲[8]。嚴(yán)肅游戲?qū)ｉT用于教育目的，符合教育規(guī)范，為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)材料與交互工具。在無法即時獲得適用于教學(xué)內(nèi)容的嚴(yán)肅游戲的情況下，可以選擇合適的商業(yè)游戲。首先，雖然商業(yè)游戲強(qiáng)調(diào)娛樂性，但其提供的情景是外部真實世界的投射，這些情景仍遵循客觀世界的規(guī)律。其次，游戲的操作結(jié)果不具有危險性，使用者可以使用多種策略、多種方式來嘗試解決問題。已有一些學(xué)習(xí)專家指出，合理使用商業(yè)游戲可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者判斷、問題解決、創(chuàng)造性思維、批判分析思維等高階思維的發(fā)展[9]。實踐上也有了采用商業(yè)游戲進(jìn)行領(lǐng)域知識教學(xué)的先例，例如SimCity、Second Life、Civilization等游戲已被用于管理與城市規(guī)范等領(lǐng)域的教學(xué)[10]。

我國中小學(xué)教育正在從重視基礎(chǔ)知識、基本技能的“雙基教學(xué)”，向重視學(xué)生能力的基礎(chǔ)知識、基本技能、基本思想、基本活動經(jīng)驗的“四基教學(xué)”轉(zhuǎn)變[11]。恰當(dāng)?shù)厥褂糜螒颍瑸檫@種轉(zhuǎn)變提供了契機(jī)。

二 物理課堂中應(yīng)用“憤怒的小鳥”促進(jìn)雙基教學(xué)

斜拋運動一直都是中學(xué)物理教學(xué)的難點。雖然在高中物理教學(xué)中有小球的平拋實驗，但這種純物理實驗缺乏趣味性、交互性，學(xué)生基本上是按實驗指導(dǎo)書機(jī)械完成實驗，缺乏探究過程[12]。由于這一運動涉及變量較多，關(guān)系復(fù)雜，學(xué)生難以在短短教學(xué)時間內(nèi)掌握這么多的內(nèi)容。另外，學(xué)生還會傾向于機(jī)械記憶公式，弱化對這一運動規(guī)律的深度理解。教師個人開發(fā)的專門游戲往往比較簡單，雖可滿足基本知識與基本技能的教學(xué)目標(biāo)，但難以營造良好的探究環(huán)境來促進(jìn)學(xué)生思維能力的提高。在這種情況下，經(jīng)過精心設(shè)計，可以把“憤怒的小鳥”這一商業(yè)游戲整合到物理教學(xué)的過程中，在物理知識與外部世界之間搭建一座溝通的橋梁。學(xué)生可以通過這一橋梁來研究物理規(guī)律，體驗物理科學(xué)的魅力，激發(fā)內(nèi)部動機(jī)。

研究“憤怒的小鳥”游戲中的斜拋運動，首先要采集小鳥的位置坐標(biāo)。小鳥在斜拋過程中位置坐標(biāo)隨時間變化，無法即時獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，所以需要轉(zhuǎn)化一下，把小鳥的飛行過程使用屏幕錄制軟件錄制為視頻，再對視頻進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。屏幕錄制軟件推薦使用Camtasia Studio。在屏幕錄制過程中需要注意的是，如果游戲的窗口無法完全容納小鳥的飛行軌跡，游戲畫面會自動縮放以容納全部軌跡，導(dǎo)致錄制下來的軌跡不是一條真正的小鳥飛行路徑，因此需要預(yù)先發(fā)射幾次小鳥，根據(jù)上一次的軌跡情況調(diào)整窗口大小，使游戲窗口可以完全容納小鳥的飛行軌跡。

對視頻的每一幀進(jìn)行分析便可得到一系列小鳥的坐標(biāo)。Camtasia Studio生成的視頻默認(rèn)幀頻為30，即每秒包含30幀圖像，整個小鳥的飛行過程約為3秒左右，所以共需采集的位置坐標(biāo)約為30×3=90個左右。手工采集大量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是一件枯燥重復(fù)的工作，并且還會帶來測量誤差，而計算機(jī)程序恰恰勝任這類重復(fù)有規(guī)則的操作，Tracker Video Analysis就是這樣一個工具軟件。Tracker Video Analysis是一個基于開源物理開發(fā)框架（Open Source Physics，OSP）基礎(chǔ)上的開源軟件，可以對多種物理運動進(jìn)行建模分析。由于在游戲中小鳥具有固定的大小、形狀，并且與背景具有較大的反差，所以通過軟件提供的自動追蹤（Auto Tracker）功能可以把每一幀中的小鳥從背景中自動識別出來，并獲取其位置坐標(biāo)。因為幀間隔為1/30秒，在這極短的時間里直接相鄰的兩幀內(nèi)小鳥的位置變化很小，逐幀采樣誤差較大，因此這里采用每2幀采集一個位置坐標(biāo)的方式進(jìn)行采樣。本示例中共采集到40個采樣點。

Auto Tracker功能避免了重復(fù)的鼠標(biāo)點擊，并且提高了數(shù)據(jù)的采樣精度。這一處理過程中某一時刻對圖像的處理如圖1所示。

圖1 Auto Tracker采樣處理

圖1中以彈弓的發(fā)射點為原點，建立二維坐標(biāo)系；1.0表示小鳥發(fā)射時離地的高度，被定義為1個標(biāo)準(zhǔn)單位；v0、vx、vy分別表示小鳥發(fā)射時的速度、水平速度分量與豎直速度分量；θ表示發(fā)射速度方向與水平方向的夾角；紅色菱形表示連續(xù)的若干幀中識別出的小鳥的位置。

采集小鳥的位置坐標(biāo)后，Tracker Video Analysis會自動計算出每個采樣點的水平速度、豎直速度、動量、動能等參數(shù)。小鳥的水平位移、水平速度分量在各采樣點的數(shù)值如圖2、圖3所示。

圖2 水平位移的變

圖3 水平速度的變化

圖4 豎直位移隨時間的變化

從圖2中可以觀察出小鳥的水平位移隨時間線性變化，即小鳥的水平速度分量保持不變。圖3中的水平速度分量圖示也反映了這一趨勢。豎直方向上的位移隨時間的變化是一條拋物線，如圖4所示。使用軟件提供的分析功能（Analysis）對豎直速度分量進(jìn)行線性回歸分析，得到線性擬合方程為vy=-2.50t+3.15。根據(jù)線性方程，小鳥發(fā)射時豎直速度分量的初始值為3.15單位/s，加速度為-2.5單位/s2，即豎直速度分量按每秒鐘減小2.5單位/s的規(guī)律變化。

同樣使用分析功能，得到水平速度分量、水平位移、豎直位移的擬合方程。其中水平速度分量的加速度為-0.01單位/s2，比水平速度初始值（4.40單位/s）小2個數(shù)量級，并且水平速度各采樣值的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差為5.24×10-2，變動非常小，排除測量誤差因素，可以認(rèn)為小鳥的水平速度分量為一恒定值，即4.40單位/s。

三 物理課堂中應(yīng)用“憤怒的小鳥”進(jìn)行探究式教學(xué)

基于“憤怒的小鳥”這一游戲建立斜拋運動的模型，完成數(shù)值采集及運動過程分析后，教師可以進(jìn)一步提出具有一定難度的探究性問題，鼓勵學(xué)生進(jìn)一步思考，使學(xué)習(xí)不僅僅停留在了解事實與記憶公式的層次，而是達(dá)到對斜拋運動這一物理運行規(guī)律的深度理解。探究性問題要具有一定的難度、發(fā)散性，并且要富有趣味，使學(xué)生在探究過程中鞏固基礎(chǔ)知識與基本技能，并且促進(jìn)批判分析思維、創(chuàng)新思維與問題解決等高階思維的發(fā)展。

可供參考的一些探究性問題:

（1）如果“憤怒的小鳥”的游戲場景發(fā)生在地球上，請推測小鳥的高度。

（2）如果游戲場景發(fā)生在一個和月球大小類似的星球上，請推測這個星球的密度。

（3）如果游戲中的小鳥與地球上的公雞大小類似，請比較游戲場景中的重力加速度與地球的重力加速度的大小關(guān)系。

上面三個探究問題的共同特征是題目本身沒有提供可供問題解決的直接線索，甚至沒有提供與解決問題相關(guān)的數(shù)據(jù)，但解決問題所使用的知識又沒有超出學(xué)生已有的知識范圍，學(xué)生僅具備知識無法解決此類問題，即簡單地運用規(guī)則無法獲得問題的解。

探究問題的目的不是讓學(xué)生通過解決這些問題來發(fā)現(xiàn)科學(xué)原理或指導(dǎo)生產(chǎn)，而是讓學(xué)生在解決問題的過程中鞏固知識技能，促進(jìn)高階思維能力的發(fā)展，并產(chǎn)生能夠引導(dǎo)學(xué)生后續(xù)思維行為的認(rèn)知策略。學(xué)生解決問題的過程比獲得問題的解更重要。解決問題的過程就是一個產(chǎn)生新的學(xué)習(xí)的過程，此過程中產(chǎn)生的認(rèn)知策略能使學(xué)生解決同類或相似的問題[13]。

四 使用游戲的探究式教學(xué)與常規(guī)講授式教學(xué)的對比實驗研究

1 實驗對象

選取北京市門頭溝區(qū)某高中兩個班級開展實驗對比研究。班級A男生21人，女生14人，共35人；班級B男生21人，女生18人，共39人。班級A為控制組，在教室中使用常規(guī)教授式教學(xué)；班級B為實驗組，在多媒體計算機(jī)教室使用游戲進(jìn)行探究式教學(xué)。

2 實驗材料

實驗材料包括學(xué)習(xí)單兩份，以及配備好“憤怒的小鳥”游戲視頻與軟件Tracker Video Analysis的計算機(jī)教室一個。

我躡手躡腳地走上陽臺，生怕驚破了這場難得的精神“艷遇”。遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去，曇花那海帶狀的綠葉上，一朵朵嬌嫩的花蕾似乎正在微微顫動著。那白玉般的花苞徐徐綻開，鵝黃色的花蕊悄悄地探出花苞，有如初降生的嬰兒滿帶著好奇打量著眼前的世界。漸漸地，片片花瓣如電影中的慢鏡頭一般完全展開，展現(xiàn)給我的是一種驚世駭俗的美麗！我不敢用手，只能用一種滿含溫柔的目光輕輕地觸摸著它們。

學(xué)習(xí)單一包含兩個問題，用于測試兩組學(xué)生對斜拋運動的前置知識的掌握情況，分析是否存在顯著性差異。使用的問題如下:

問題1:一個滑塊在光滑平面上直線勻速滑行，速度為10m/s，經(jīng)過5秒鐘，運動的距離是多少米？

問題2:以初速度9.8m/s的速度豎直向上拋出一個小球，經(jīng)多長時間小球到達(dá)頂點？

學(xué)習(xí)單二也包括兩個問題:第一個問題用于測試兩組學(xué)生在基本知識、基本技能的掌握上是否存有顯著性差異，第二個問題用于測試兩組學(xué)生在斜拋運動的深入理解上是否存有顯著性差異。使用的問題如下:

問題1:青蛙進(jìn)行遠(yuǎn)距離跳躍時，與地面的夾角通常為45度角，如果青蛙想跳過2米寬的小河，最小初速度是多少？

問題2:一位鉛球運動員的最大鉛球出手速度是15m/s，球離手時離地面的高度是1.5米，請問如何才能把鉛球推得最遠(yuǎn)？

3 實驗過程

在正式上課前，使用自由時間要求兩個班級完成學(xué)習(xí)單一，然后分析完成結(jié)果是否存在顯著性差異——如果存在顯著性差異，則需要更換實驗班級；如果不存在顯著性差異，則對選定的實驗組學(xué)生培訓(xùn)軟件Tracker Video Analysis的使用。

4 數(shù)據(jù)分析

（1）學(xué)習(xí)單一的結(jié)果分析

斜拋運動的前置知識是水平勻速運動與斜拋運動，學(xué)習(xí)單一的目的是檢測兩組學(xué)生對這兩種運動的掌握程度，分析是否存在顯著性差異。如果存在顯著性差異，則不能使用這兩個班級開展實驗。結(jié)果表明，除個別學(xué)生的計算性錯誤外，實驗組與控制組均成功解決了學(xué)習(xí)單一上的兩個問題，不存在顯著性差異，可以使用選定的兩個班級開展實驗。

（2）學(xué)習(xí)單二的結(jié)果分析

學(xué)習(xí)單二中的問題1滿分為10分，用于檢測學(xué)生對基本知識、基本技能的掌握水平。此問題考查學(xué)生是否可以運用斜拋運動公式解決問題，因此計算結(jié)果無論正確與否，只要公式全部正確便得滿分10分，如果有部分公式錯誤酌情扣分。

學(xué)習(xí)單二中的問題2用于檢測學(xué)生是否對斜拋運動有深度理解。一般的教學(xué)都會指出當(dāng)速度矢量與地面夾角為45度時，可將物體拋出最遠(yuǎn)，但這一結(jié)論的前提是物體的出發(fā)點與落地點在同一平面內(nèi)，如果落地點高于或低于出發(fā)點時此結(jié)論將不再成立。問題2同樣不去考查學(xué)生的計算能力，只要列式正確就給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)——如果學(xué)生在解決問題時直接使用上述結(jié)論或無法解答，計0分；考慮到鉛球的落地點低于出發(fā)點，但列式不全，計3分；列式全部正確，計5分。

首先使用 K-S檢驗驗證實驗組與控制組在學(xué)習(xí)單二中兩個問題上的成績是否符合正態(tài)分布。四組得分?jǐn)?shù)據(jù)的虛無假設(shè) H0為符合正態(tài)分布，四個 K-S檢驗結(jié)果均達(dá)到顯著性水平（Sig〈0.05），拒絕虛無假設(shè)H0，即四組數(shù)據(jù)均不符合正態(tài)分布，如表1所示。

表1 K-S檢驗驗證知識技能與深入理解得分正態(tài)分布結(jié)果

四組得分?jǐn)?shù)據(jù)不符合正態(tài)分布的原因是成績的取值區(qū)間較小，無法符合正態(tài)分布。因此這四組數(shù)據(jù)不符合獨立樣本t檢驗的條件，不能使用t檢驗比較均值的顯著差異性。

可以使用非參數(shù)檢驗中的獨立樣本Mannn-Whitney、Kruskal-Wallis檢驗來比較不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)之間的差異性，雖然效度不及t檢驗，但仍在可接受的范圍之內(nèi)。分別使用兩種檢驗方法來驗證兩組數(shù)據(jù)的顯著性差異。對于知識技能，虛無假設(shè)H0為兩組數(shù)據(jù)無顯著差異，兩種檢驗方法結(jié)果表明未達(dá)到顯著性差異（Sig〉0.05），因此接受虛無假設(shè)；對于深入理解，虛擬假設(shè) H0為兩組數(shù)據(jù)無顯著差異，兩種檢驗方法結(jié)果均表明達(dá)到顯著性差異（Sig〈0.05），如表2所示。

表2 非參數(shù)檢驗兩類成績的顯著性差異

（3）實驗結(jié)果總結(jié)

對學(xué)習(xí)單二的驗證分析結(jié)果表明，對于講授式教學(xué)與使用游戲進(jìn)行探究式教學(xué)這兩種方法來說，學(xué)生在基本知識、基本技能的掌握上沒有差別；在斜拋運動的深入理解上，兩個班級的學(xué)生得分具有顯著差異性，并且實驗班的學(xué)生得分（2.67分）要高于控制班的學(xué)生得分（1.60分）。因此可以說明，相對于常規(guī)式教學(xué)，使用游戲進(jìn)行探究式教學(xué)可以更好地促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的深入理解。

五 總結(jié)與展望

游戲可以寓教于樂，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)充滿樂趣的交互學(xué)習(xí)環(huán)境，可以讓學(xué)習(xí)者完成無法在常規(guī)課堂中進(jìn)行的任務(wù)并獲取相關(guān)經(jīng)驗。把游戲用于教育之中，不但可以促進(jìn)學(xué)生對知識技能的掌握，還可以激發(fā)學(xué)生的內(nèi)部動機(jī)，促進(jìn)批判分析思維、猜想創(chuàng)新思維、判斷推理、問題解決等高階思維的發(fā)展。在使用得當(dāng)?shù)那闆r下，游戲教學(xué)模式比傳統(tǒng)教學(xué)模式效果更好、效率更高。

在教育環(huán)境中使用游戲，雖有一些理論與應(yīng)用研究，但這些研究很少涉及商業(yè)游戲在教育中的應(yīng)用。玩游戲尤其是玩商業(yè)游戲會被習(xí)慣性地認(rèn)為是“玩物喪志”，在教育中使用商業(yè)游戲往往會受到非議與質(zhì)疑。而在學(xué)術(shù)研究中，一方面在理論研究上，對商業(yè)游戲應(yīng)用于教育環(huán)境的理論依據(jù)與模式需要做進(jìn)一步的探討；另一方面在實踐應(yīng)用上，還缺少讓人信服的應(yīng)用實例。因此，本文使用“憤怒的小鳥”這一商業(yè)游戲探究斜拋運動規(guī)律的案例，正是這類游戲應(yīng)用于教育環(huán)境的一個嘗試。像所有教育領(lǐng)域中的創(chuàng)新一樣，雖然在當(dāng)前教育環(huán)境中使用商業(yè)游戲還有不少阻力，但有理由相信:不久的將來這一領(lǐng)域會取得長足的發(fā)展。

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Using Games for Inquiry Teaching in High School Physics Classroom: “Projectile Motion” As an Example

XU Lian-rong1,2TAN Wei1CUI Guang-zuo1
(1. Center for Knowledge Engineering, Beijing Normal University, Beijing, China 100875; 2. School of Communicational Media and Technology, Liaocheng University, Shandong, China 252059)

Projectile motion is the keystone and difficulty of physical teaching. Students are prone to memorize the equations mechanically, and hard to obtain the deep understanding of projectile motion. In order to solve the problem, the game Angry Birds was introduced into the physics classroom and the total number of 74 students participated in this study. The results indicated that there was no difference in mastering the basic knowledge and the basic technical ability, a positive relationship between deep understanding and game-based inquiry learning. As for the deep understanding, the research appeared to support the superiority of game-based learning over method of lecture.

games; inquiry learning; angry birds; projectile motion; deep understanding

G40-057

A【論文編號】1009—8097（2015）06—0058—07【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.06.009

編輯:小西

本文為國家社會科學(xué)基金“十一五”規(guī)劃2010年度教育學(xué)一般課題“課堂交互產(chǎn)生學(xué)習(xí)結(jié)果的認(rèn)知模型與仿真”（課題批準(zhǔn)號：BCA100023），北京師范大學(xué)教育學(xué)部博士生研究基金、聊城大學(xué)培育課題“數(shù)字新媒體與移動學(xué)習(xí)研究”（課題批準(zhǔn)號：Y1002031）的研究成果。

徐連榮，聊城大學(xué)講師，北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)專業(yè)在讀博士，研究方向為思維能力教學(xué)，郵箱為lianrongxu@126.com。

2014年9月14日