用Scratch進行物理實驗仿真

于方軍++張永亮

編者按：學術界普遍認為科學的研究方法分為理論推演、實驗研究和科學計算，而科學計算則是電子計算機發展起來以后新產生的一種獨特的科學研究方法，這種方法隨著人類研究領域的深入正變得日益重要。用Scratch進行物理實驗仿真，并不是要替代真實的實驗，確切地說，是一個建模的過程，將實驗研究和理論推演的結論內化之后，應用到模型建構的過程中，是一種很有意義的STEM教育的實踐方式。

Scratch在學科融合中的應用可以從測量、記錄、控制、仿真四個方面進行嘗試：①測量就是通過傳感器來獲得需要的數值，如我們通過溫度傳感器測量獲取所需要的溫度數值。②記錄就是用電腦程序代替人工記錄數據，通過程序的方式記錄可以把人解脫出來，并且更容易對數據進行分析，如我們會把數據導入學習過的電子表格，對數據進行分析。③控制簡單地說就是通過程序做出適當的反應，如在太陽底下如果感覺到熱了，我們會走到陰涼的地方，“走”就是人腦對“腿”做出的控制。④仿真就是模仿真實世界，如可以根據光的放射定律模仿平面鏡、凸透鏡成像，讓學生理解成像規律；可以把重力加速度加入到游戲中去，讓角色的落地更接近于真實；還可以用程序的方式模擬分子運動……本文從仿真的角度做了一些案例嘗試。

● 用Scratch仿真平面鏡成像

這個仿真程序可以讓學生理解平面鏡的特點和規律，為進一步完成凸透鏡成像的仿真打好基礎，如圖1為平面鏡成像的程序界面。

程序設計的過程中光線會隨著操作者的控制隨時變化，如移動物體遠近、大小時光線會隨時變化，所以這里的黃色光線及物體用畫筆完成。我們先自定義一個畫線的模塊（如圖2）。

我們只要提供兩組坐標，然后調用這個程序就能完成中間的線。而對兩組坐標我們可以在程序中設計一些特殊的點作為角色，如物體就是用底部A點和頂部箭頭決定的。在Scratch程序中的這種畫圖方式可以解決動態變化的問題，如果你把這個例子中的“物”畫成一個固定角色，后期的調整物體大小和位置就很難實現。

平面鏡成像的規律是“像和物大小相等，像和物離平面鏡距離相等，像和物連線于鏡面垂直”，如何在程序中體現這一點呢？這里也需要設計一個模塊體現平面鏡成像規律腳本（如圖3）。

在這個基礎上，我們可以設計凸透鏡成像的程序，主要也是在光線和成像規律上。下頁圖4為凸透鏡成像界面。

通過Scratch設計的這種程序具有開放性，是學生可以參與的仿真實驗程序。在設計的過程中，學生要理解相應的物理規律，如果是教師設計完成的，學生則可在使用過程中加入一些游戲元素。

● 用Scratch仿真分子運動

分子運動這種微觀現象，如何能直觀地讓學生體驗到？除了用傳統多媒體的方式，也可以用Scratch程序做一些模擬。我們這里用Scratch的一個擴展版本BYOB完成了這個例子，之所以選擇用BYOB是因為它有一個非常不錯的拓展功能“錨點”。錨點的主要作用就是把一個角色“附著”到另一個角色上，并且兩個角色可以獨立編輯腳本。圖5為BYOB界面，在圖中的例子中，“孫悟空”和“金箍棒”是兩個不同的角色，可以分別編輯腳本。我們可以用鼠標“拖拽”金箍棒到舞臺上的孫悟空處，這時候角色“金箍棒”右上角就多了一個錨點標志，說明金箍棒已附著到了孫悟空上，孫悟空就可以邊運動邊玩他的金箍棒了。

分子熱運動就是利用這個錨點功能來實現的，圖6是用BYOB的升級版本Snap完成的分子熱運動的例子。Snap是一個網頁編輯的圖形化編程軟件，所以可用瀏覽器打開。在這個例子中，我們設計了一個“小立方體”角色，然后建立9個分子小球角色，讓這9個分子附著到小立方體上，當小立方體運動時，小分子會隨之運動。我們構造好了這樣一個神奇的小立方體，便可以在物理學習中加以應用了。

小立方體可以在后期的熱學中得到應用，作為分子熱運動的例子，在這里我們把9個小分子的運動腳本設計為圖7。我們只要給變量a賦一個初始值，小分子就會在-a～a之間選擇一個隨機數，小分子的X、Y坐標會在原來坐標基礎上有輕微變化，仿真出分子熱運動的物理現象。如果把這個a值與外接的溫度傳感器關聯，當溫度升高時a值增加，分子熱運動會加劇。

● 用Scratch仿真小球的自由落體運動

自由落體運動是勻加速運動的一個典型實例，對學生來說徹底理解自由落體運動后，很多運動的問題就都能解決了。如果用Scratch來模擬體驗這個過程，并實時反映出速度、距離、時間的變化，學生將會非常直觀地了解和感受到自由落體，比看公式（）算數字要好得多。圖8為小球的自由落體腳本。

添加一個對象“sprite1”的小球，將該對象的位置定位在（0，170）的坐標上，設置一個變量“y”記錄當前所處的位置，“計時器”表示小球下落的時間，小球設置的初始高度為170，在Scratch中表示為170像素，重力加速度為9.8米每秒，放到Scratch中表示為9.8像素每秒。那么小球下落的距離就是（），即。然后用最初的位置高度170減去這個下落的距離，就能得出當前小球的y坐標。如圖9所示，坐標有正負170，因此小球相當于從340米的高空做自由落體運動。

通過這種仿真程序的設計，我們還可以給物體一個質量、彈性系數來研究小球的反彈，給小球一個初速度來研究小球的運動情況，這種仿真如果用到動畫設計中，會使得角色更逼真。

● 小結

仿真作為建模的一種應用，其在圖形化可編程領域的應用，正日益成為STEM教育的一個重要方向。而原本在物理教學界，人們普遍擔心的是用仿真實驗來代替真實實驗，使得學生的動手實踐能力和對真實世界的觀察能力減弱，但是作為在理解物理模型之上的一種綜合應用，學生通過Scratch軟件進行建模，還原物理現象的數學本質，則對學生的綜合能力是一種巨大的提升。此外，物理領域的建模，只是建模這種方法的一種簡單應用，更有意義的研究則是其在社會生活中的應用，因此通過仿真獲取大量的數據進行大數據分析的訓練，也是一個很好的研究方向。