基于Algodoo的驗證機械能守恒定律實驗的教學設計分析

高永品

摘? ?要：利用Algodoo軟件分析驗證機械能守恒定律實驗，在驗證過程中，分別以自由落體運動、平拋運動、斜拋運動、物體沿光滑斜面自由下滑等四個物理情境為例，分析機械能守恒情況，由仿真實驗和圖像得出更加精確的實驗結果，克服了傳統實驗探究機械能守恒定律實驗時存在的演示較難、誤差較大等關鍵缺點。

關鍵詞：Algodoo軟件；圖像；模擬；機械能守恒

引言

在中學物理教學中，驗證機械能守恒定律實驗是重要的物理知識，也是教學中的難點之一。在利用傳統實驗探究機械能守恒的過程中，由于無法避免摩擦力、空氣阻力等，所以此類實驗的實驗數據和計算結果存在較大誤差。

Algodoo是一款物理實驗軟件，該軟件具有簡潔的操作界面，場景搭建快速、互動方式靈活、數據精度較高，可設置無阻力環境，自帶圖表圖像功能，可以準確進行數據分析，解決了探究驗證機械能守恒定律實驗過程中存在的阻力等問題。

本文利用Algodoo軟件探究上述物理現象和過程，通過仿真實驗、圖像和計算，研究機械能守恒情況。

1? 設計理念

為優化課堂教學、創新學習方式，根據教育新理念，以學生為主體，以機械能守恒定律為主線，逐步推進演示四個物理過程，利用Algodoo軟件模擬分析機械能守恒定律，聚焦情境創設，把物理學科核心素養的培養融入到課堂細節中，體現教育信息化新時代對高中物理課堂的要求，提升學生科學思維能力，培養學生的創新意識和實驗探究能力。

2? 分析準備

2.1? 教材分析

本實驗內容選自人教版高中物理必修二第八章第五節，此章為高中物理的重點和難點，此節在整個教材中起著承上啟下的關鍵作用。內容重點是機械能守恒定律，以探究為主線，層層深入探索機械能守恒。本節是學生在物理課中遇到的抽象內容，是培養學生養成良好實驗探究習慣的有利時機，所以本節安排部分內容讓學生自己動手操作。

2.2? 課程標準要求

通過實驗，理解機械能守恒定律，驗證機械能守恒定律。體會守恒觀念對認識物理規律的重要性。能用機械能守恒定律分析生產生活中的有關問題。

2.3? 學情分析

學生之前已經學習了動能和重力勢能，具備了基礎知識，也學會了一些研究方法，但這時候學生們的思維能力仍然偏重于感性，抽象邏輯思維能力還不高，把這些知識綜合應用于具體實踐，還是有一定的困難，本節內容的難點是從實驗現象中總結出定律，讓學生感受到物理實驗的神奇之處，學生們對新事物的好奇心很強，尤其對數字化學習資源和設備，總想得個明白，這對教學是非常有利的。

2.4? 教學目標

物理觀念。驗證機械能守恒定律，通過驗證，學習從能量觀的角度思考一些物理現象。

科學思維。通過對機械能守恒定律的學習，體會研究物理問題的抽象思維方法，知道物理研究中的科學推理，認識物理實驗在物理學研究中的作用，體會用理想化狀態近似處理問題方法研究中學物理問題。

科學探究。通過模擬分析實驗的過程，培養學生的數據分析能力、創新意識和實驗探究能力。

科學態度與責任。體會用機械能守恒定律分析物理問題的方法，通過實驗形成嚴謹細致的科學態度和團隊合作意識[ 1 ]，體會守恒思想在物理研究中的作用，通過實驗驗證，樹立正確的科學觀。

2.5? 教學重難點

教學重點：探究驗證機械能守恒定律。

教學難點：通過物理情境，分析數據，驗證機械能守恒定律。

2.6? 教學方法與教學策略

教學方法：探究法、實驗法、分組法、演示法。

教學策略：用數字化學習資源與Algodoo軟件，逐步演示四個物理過程，讓學生理解機械能守恒定律，產生興趣，給學生分組，采用自主、合作、讓學生全程參與探究，通過實驗探究，培養和發展學生的科學探究能力、交流合作能力和解決實際問題的能力，形成科學思維習慣。

2.7? 教學媒體

電子白板，電腦，Algodoo軟件，多媒體課件。

3? 探究過程分析

3.1? 課堂引入。此內容設計意圖：讓學生對數字化資源了解并產生興趣。

教師提問：我們在驗證機械能守恒定律時，在演示物理過程和數據處理中，哪些問題會導致結論不準確或者誤差？

學生回答：空氣阻力和摩擦力。

教師繼續提問：知道如何避免空氣阻力和摩擦力嗎？

學生回答：不知道。

這時候教師可講解：那么我們能不能用一個不存在阻力的理想化的環境去驗證機械能守恒定律呢，答案是肯定的。機械能守恒定律是很重要的物理知識，在利用傳統實驗驗證守恒的過程中，存在一些問題，由于傳統的實驗方式存在空氣阻力和摩擦力，所以測量數據會存在誤差，而機械能守恒定律中涉及到了能量轉化過程，計算之后，造成的誤差會更大。Algodoo是一個模擬仿真軟件，可以準確進行數據分析，能夠解決以上問題。今天，我們利用Algodoo軟件模擬分析幾個物理過程，從實驗和圖像中得出結論，驗證機械能守恒定律。

教師書寫板書內容：驗證機械能守恒定律。

3.2? 探究過程

（1）打開Algodoo軟件，開啟網格功能，關閉空氣阻力，新建一個小球，刪除水平面，打開可視化功能，顯示小球受力及其數值。設置小球為鋼鐵材質，m=24.5044 kg，摩擦系數和初速度均為0，小球在重力作用下將做自由落體運動。顯示小球運動圖表，把X-坐標設置為時間，把Y-坐標設置為“動能（總計）”、“重力勢能”和“總能量（總計）”，Y-坐標的三個參數能把小球的動能、重力勢能和總能量同時顯示在一個坐標系中，能清楚看出能量的變化和轉化。點擊仿真，小球在重力作用下，開始做自由落體運動。圖1和表1數據如下：

圖像和表格數據均可證明：小球在只有重力做功的過程中，做自由落體運動，動能在不斷增加，重力勢能在不斷減少，動能的增加量等于重力勢能的減少量，總機械能大小保持不變，驗證了機械能守恒定律。

教師書寫板書內容：自由落體運動。要求學生分組演示，改變數據之后再次演示（用時應稍多一些）。提問學生查看實驗結果圖像等數據。

此內容設計意圖：讓學生學會用Algodoo軟件演示自由落體運動過程中的機械能守恒。通過小組實驗，培養學生動手能力和團隊協作意識，鍛煉學生運用數字化資源的能力。

（2）在第一步自由落體運動的基礎上，在初始狀態給小球一個向右的水平初速度，v=10 m/s，方向為水平向右，小球的運動就變成了平拋運動。打開循跡追蹤功能并調整到合適時間。點擊仿真，小球在重力作用下，開始做平拋運動。圖2和表2數據如下：

圖像和表格數據均可證明：小球在只有重力做功的過程中，做平拋運動，動能在不斷增加，重力勢能在不斷減少，動能的增加量等于重力勢能的減少量，總機械能大小保持不變，驗證了機械能守恒定律。

教師書寫板書內容：平拋運動。要求學生分組演示，改變數據之后再次演示（用時應稍多一些）。提問學生查看實驗結果圖像等數據。

此內容設計意圖：讓學生學會用Algodoo軟件演示平拋運動過程中的機械能守恒。通過小組實驗操作，讓學生從現象得出結論，培養學生的抽象思維和科學推理能力。

（3）在第二步平拋運動的基礎上，在初始狀態把小球向右的水平初速度更改為向右上方45°方向，小球的運動就變成了斜拋運動。同樣打開循跡追蹤功能并調整到合適時間。點擊仿真，小球在重力作用下，開始做斜拋運動。圖3和表3數據如下：

圖像和表格數據均可證明：小球在只有重力做功的過程中，做斜拋運動，小球從出發點向最高點運動的過程中，動能在不斷減少，重力勢能在不斷增加，動能的減少量等于重力勢能的增加量，小球從最高點向最低點運動的過程中，動能在不斷增加，重力勢能在不斷減少，動能的增加量等于重力勢能的減少量，總機械能大小保持不變，驗證了機械能守恒定律。

教師書寫板書內容：斜拋運動。教師要求學生分組演示，改變數據之后再次演示（用時應稍多一些）。提問學生查看實驗結果圖像等數據。

此內容設計意圖：讓學生學會用Algodoo軟件演示斜拋運動過程中的機械能守恒。培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度。

（4）研究一個物體沿光滑斜面自由下滑過程中機械能是否守恒。新建一個斜面，在斜面上新建一個物體，讓物體從斜面上自由下滑，方法略，其余設置與上一個場景操作類似，給物體的質量和初速度賦值，m=0.125 kg，v=0，依次設置速度可視化、顯示速度數值、圖表X坐標為時間、Y坐標為動能和重力勢能以及機械能。點擊仿真，小球在重力作用下，開始沿光滑斜面自由下滑。圖4和表4數據如下：

圖像和表格數據均可證明：物體在只有重力做功的過程中，沿光滑斜面自由下滑，動能在不斷增加，重力勢能在不斷減少，動能的增加量等于重力勢能的減少量，總機械能大小保持不變，驗證了機械能守恒定律。

教師寫板書內容：物體沿光滑斜面自由下滑。教師學生分組演示，改變數據之后再次演示（用時應稍多一些）。提問學生查看實驗結果圖像等數據。

此內容設計意圖：讓學生學會用Algodoo軟件演示物體沿光滑斜面自由下滑過程中的機械能守恒。在教師引導下，學生經歷了猜想假設、設計實驗等簡要的探究過程，有助于學生養成科學探究的習慣，培養學生善于利用現代科技手段解決物理問題的意識。

3.3? 課堂小結

知識小結：總結以下四種情況下的機械能守恒：自由落體運動、平拋運動、斜拋運動、物體沿光滑斜面自由下滑。

物理方法小結：建立理想化物理模型的研究方法：突出主要因素，忽略次要因素。

學生思考課堂小結內容。在教學過程中，學生注意觀察學習、動手實驗、動腦分析，始終以探究為主，有利于引發學習興趣，加強對知識的理解。

4? 實驗教學反思

讓學生分組探究，調動學生積極性，讓學生在教師引導下通過實驗解決問題，總結規律，體會科學的探究過程，分析概括實驗結果，活躍課堂氣氛，優化學習環境，使學生對知識的理解由感性認識上升到理性認識[ 2 ]，增強學生科學探究的能力和解決實際問題的能力[ 3 ]。

影響教學效果的主要原因是由于時間關系舉例有些少，另外由于部分學生對數字化軟件不熟悉，操作不熟練，做的場景模型不太完善。

解決方法：給學生舉出更多的實例，讓學生多加練習，按照新課標要求，進一步突破難點，持續增強學生自主探究能力。

5? 結束語

利用Algodoo軟件分析驗證機械能守恒定律實驗，減少了實驗誤差，計算結果更加準確，形象的展示了實驗過程，使學生對物理過程更加熟悉，在教學上起到了較好的輔助作用。Algodoo軟件可以有效模擬出物理教學中不同條件下的多個物理過程和模型，例如光的反射、光的折射、圓周運動、彈簧振子、拱形橋、力的傳動、勻變速直線運動等，能為中學物理教師提供更多更高效的教學方法，同時有利于提高學生學習興趣。在當前中學物理教學中，對常規實驗不易演示的物理現象或物理情境，我們可以利用Algodoo軟件進行模擬分析、計算數據，從而解決實際問題。

參考文獻：

［1］ 靳姍姍. 基于提升學生科學素養的初中物理探究性實驗教學案例研究[D]. 蕪湖：安徽師范大學，2014.

［2］ 馮璐，孫忠軍. 基于微格教學的生物演示技能分析[C]. //中國教育技術協會微格教學專業委員會第十九屆年會論文集. 2016：94-97.

［3］ 朱雨晴. 微課在高中物理教學中的應用研究[D].遼寧師范大學，2021.