以游戲編程方式學習物理知識

于方軍

對于物理原理和概念的理解，如果從學生喜歡玩的游戲入手，讓學生利用Scratch這種簡單的圖形化編程工具進行游戲的設計，或者是通過修改游戲參數(shù)，來觀察物理現(xiàn)象，分析物理問題，驗證物理規(guī)律，學生應該更容易理解。并且對于不能直接觀察的一些微觀現(xiàn)象，還可以通過虛擬仿真的方式加以模擬和體現(xiàn)。

本案例的設計旨在通過一個米奇奔跑的小游戲，讓學生理解機械運動、參照物、運動和靜止的相對性，使他們在調節(jié)程序中的參數(shù)的同時，也對物理現(xiàn)象進行觀察、分析和驗證。

● 問題的提出

“咱們來看看下面這個例子：于老師靜靜地坐在從淄博到北京的動車上睡著了，兩個多小時后等于老師醒來時，火車已經(jīng)到達北京，那么在這個過程中于老師“運動”了嗎？如果說于老師動了，對面的乘客會反對說于老師一直坐在那里睡覺，如果說沒動，那于老師怎么能從淄博來到了北京呢？”

我通過問題式的導入方式，引起學生對物理現(xiàn)象的觀察和思考。

● 游戲腳本的設計

下面就讓我們來類比一下在高鐵上的情境，在高鐵上我們看到周圍的樹在向后走，而站在軌道旁的人則覺得我們向前走，樹并沒有移動。我們將樹和米奇這兩個角色放置在舞臺上，如圖1所示。

接下來是米奇的程序，可以通過上移鍵和下移鍵來控制米奇的前進速度，不難發(fā)現(xiàn)變量n越大，米奇運動越快（如圖2）。

運用類似的方法我們可以模擬以米奇為參照物，樹“向后”移動的場景。用變量m表示樹的速度（如圖3）。

接下來，學生就可以通過程序來輔助學習參照物的概念了，學生的角色可以有兩種，一種是參與編程和建模然后加深對概念的理解，另一種是僅僅使用這個Scratch課件，回答問題。

● 用游戲編程研究物理現(xiàn)象

課程設計的一個重要原則就是要保證學生的參與，本節(jié)案例采用“導入角色→調整參數(shù)→研究物理現(xiàn)象”這樣的步驟進行。在研究物理現(xiàn)象的同時，學生須完成游戲研究報告，研究報告設計按照“觀察現(xiàn)象→分析問題→驗證結論”的步驟完成。如果學生設計程序的水平不高，可以讓學生直接導入帶有程序腳本的角色，然后回答以下問題。

1.入門：米奇運動的探究

導入米奇角色，我指導學生看清圖的場景設置及人物狀態(tài)，完成如下問題。

（1）觀察現(xiàn)象

程序沒有啟動時，米奇在舞臺中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇 （填“靜止”或“運動”）。

當啟動程序時，通過按下“上移鍵”使得n值增加，米奇在舞臺中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇 （填“靜止”或“運動”）。

（2）分析問題

我們是通過觀察米奇在舞臺中的 變化，來判斷米奇是運動還是靜止。

（3）驗證結論

在物理學中，我們把一個物體相對于另一個物體位置的變化叫做機械運動。

2.進階：對參照物的探究

什么是參照物呢？參是參考的意思，照是對照的意思。我們日常生活中經(jīng)常使用這個概念，如“明明”比“長江”高，長江就是參照物，“博爾特”跑得比“兔子”還快，兔子就是參照物，上面例子中我們給米奇安排的“參照物”是舞臺。

在物理學中，我們判斷一個物體是運動還是靜止，要看以哪個物體作為標準，這個被選作標準的物體叫做參照物。接下來我們可以導入樹角色，完成對運動和靜止相對性的探究。

導入樹的角色，當米奇跑到舞臺中間時將n值調整為0，這時候米奇會在在舞臺上原地跑動，調整m的值（程序設計用W、S鍵），樹向米奇相反的方向運動，完成如下問題。

（1）觀察現(xiàn)象

當m、n的值調整為0時，米奇在舞臺上原地跑動，米奇在舞臺中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇相對于舞臺來說是 （填“靜止”或“運動”）。

通過按下“W”鍵，使得m值增加，米奇相對于樹的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇相對于樹來說是 。（填“靜止”或“運動”）

（2）分析問題

米奇相對于舞臺來說是 ，相對于樹來說是 。（填“靜止”或“運動”）

（3）得出結論

物體的運動和靜止是相對的，描述物體的運動情況時，首先要選定參照物。參照物可以根據(jù)需要來選擇，如果選擇的參照物不同，描述同一物體的運動時，結論一般也不一樣。

設計不同情境，設定不同參照物，讓學生根據(jù)不同參照物判斷物體運動和靜止的情況，可以加深對運動和靜止的相對性理解。

3.提升：觀察與思考

游戲中藏在樹后“伺機而動”的小貓，如果選擇樹為參照物它是 ，如果選擇米奇為參照物它是 。

分析： 如果以樹為參照物，小貓是靜止的，因為小貓相對于樹的位置沒有變化，如果以米奇為參照物，小貓是運動的，因為小貓相對于米奇的位置發(fā)生了變化。

● 結語

本程序是用編程的方法，通過建模和仿真，來提升學生對程序和物理概念更加深入的理解。孩子的想象力是無限的，給出更多的素材培養(yǎng)他們的想象力和創(chuàng)新能力是教育的一個重要方向。這種創(chuàng)造性的活動更能加深學生對物理知識理解的深度。在對游戲主題自我理解的基礎上，添加自己的角色（可以自選素材，也可以用提供的“貓”素材），編輯腳本深入探究，體驗創(chuàng)造的快樂。建模和仿真，也是信息技術實驗的一種典型的研究方法，仿真并不是簡單地模擬真實生活，很多時候，通過建模會有意想不到的收獲。例如，在本案例中，如果對米奇的代碼稍加修改，學生就可以“發(fā)現(xiàn)”加速運動的規(guī)律，我們期望這種“驚喜”能夠常常在課堂上閃現(xiàn)，這也是STEAM教育的旨趣之一。