Algodoo虛擬仿真實驗在中學物理教學中的應用*
——以凸透鏡成像為例

王祥委 段娟娟 彭朝陽

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

Algodoo虛擬仿真實驗在中學物理教學中的應用*
——以凸透鏡成像為例

王祥委 段娟娟 彭朝陽

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

隨著信息時代的到來，信息技術與物理教育的整合成為中學物理教學中的一大熱點．本文介紹了Algodoo軟件并對其虛擬仿真實驗在中學物理教學中的應用價值進行分析，最后借助Algodoo模擬了凸透鏡成像，旨在將Algodoo融入中學物理課堂起到拋磚引玉的作用．

Algodoo仿真實驗 物理教學 凸透鏡成像

1 引言

教育要快速發展，必須把先進的信息技術作為教育的工具，將計算機應用于教育，使教育信息化，是教育改革的重大突破口．在物理教育界，隨著網絡的普及，多媒體仿真技術進入了物理課堂，引起了中學物理教學的革新[1]．其中的一大革新就是許多物理教師在實際物理教學中將多媒體課件與傳統的板書相結合．但是在教學中要讓這一結合做到無縫對接，相輔相成并不容易．目前網絡上的教學課件資源特別豐富，但很多課件都是演示播放的形式，起不到模擬實驗的效果，很多時候教師需要自己設計課件．因此在應用多媒體技術來輔助制作交互式的、符合物理規律的課件時選擇一款比較合適的軟件顯得相當重要，在此，筆者特別推薦Algodoo軟件．

2 Algodoo簡介

Algodoo是瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的一款獨特的2D仿真軟件，其前身是瑞典一所大學計算機專業碩士Emil Ernerfeld為導師Kenneth BodinPhun寫的一個名為Phun的程序，其開發的目的是為了讓物理教學和研究更直觀有效，其英文名是“2D Physics Sandbox”，即“二維物理沙盒”[2]．

Algodoo累計下載已超過百萬次，其官方網站提供了2萬多件網友作品，并進行了分類和評級，這是學習和使用Algodoo絕好資源，也為展示作品、交流經驗提供了平臺[3]．Algodoo的安裝包有42.3 MB，安裝會占用100 MB左右的硬盤空間，能夠在WinXP/Win7/Win8和Mac的環境下運行．Algodoo的基本功能包括：使用簡單的繪圖工具創建和編輯場景；通過選擇、拖拽、傾斜、震動等方式參與互動，顯示物體運行軌跡.其提供了剛體、流體、鏈條、齒輪、彈簧、鉸鏈、鎖、電機、激光射線及跟蹤繪圖工具等元素，這些元素可以在引力、重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力的作用下相互影響，實現精度很高的物理仿真實驗．

3 Algodoo虛擬仿真實驗應用于中學物理教學的價值分析

3.1 可行性

Algodoo虛擬仿真實驗需要的條件是一臺計算機，現在的多媒體教室都具備電子白板與計算機，可以說它的應用幾乎不受限制．Algodoo虛擬實驗在物理教學中的廣泛運用能夠使學生盡快進入學習狀態，不僅提高了教學效率，使一些物理實驗不再受時間空間的限制，還促進解決學校因設備欠缺而無法開展實驗的問題，對提高實驗教育質量起著重要作用．

教師在做傳統演示實驗之前的準備很費時間，有些實驗現象不一定所有的學生都能觀察到，有些還有危險性，有些實驗設備耗損大，價格昂貴，不是每個學校都有條件做．虛擬實驗中的虛擬設備不存在著磨損、破壞，可反復使用，甚至是復制和發送．既滿足了教學要求，又節約資金，提高辦學效益．

3.2 可控性與高自由度

Algodoo虛擬實驗打破了傳統實驗的模式，實驗者不再受到時間、空間上的制約，可隨時隨地進入虛擬實驗室網站，選擇相應的實驗操作．實驗者還可根據需要，選擇不同的實驗伙伴，共同完成實驗．利用計算機的模擬功能、動畫效果、虛擬現實等技術實現緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化，使學生更清晰了解物理變化過程[4]．

同時實驗內容也是教師或者學生根據需要設計的，實驗用到的所有部件均是由控件加上一些參數創建的，并且實驗設計相當開放，大小、形狀、顏色可以自己控制任意搭配，物理過程的一些初始量也能自己任意設定．如加速度取重力加速度，初速度取零，那么就可以模擬一個物體自由下落的情形．我們也可以設定一些理想化的參數，如光速、絕對光滑平面、無空氣阻力等等來設計出理想實驗的演示．

3.3 安全性

實驗者可隨時控制實驗的進展，實驗中相應的數據也可以按其需求反饋給操作者．虛擬實驗無任何危險．對有毒有害、污染環境和破壞性實驗，也可在虛擬實驗室內完成．

4 Algodoo仿真實驗應用實例——凸透鏡成像

設計一個光學演示實驗，首先是課題的選擇，因為傳統光學實驗的光路無法直接呈現，如一束平行光通過凸透鏡，焦點和整個光路要通過光屏得到，并且得到的不明顯，而且實驗所用的色光種類有限，透鏡的種類和焦距也是固定的．這時利用仿真實驗來完成它，先創建兩個相交球形，相交的部分就是一塊凸透鏡如圖1所示．

圖1 凸透鏡創建

透鏡的焦距大小和透鏡的大小均可以通過調整兩個圓的大小和位置來任意改變，兩個圓的圓心連線所在的直線為主光軸，連線的中點處為凸透鏡的光心．任意設定透鏡的折射率n>1，創建一組平行光讓光線沿著主光軸方向穿過凸透鏡，我們根據需要來創建場景，模擬后產生的結果如圖2所示．

圖2 平行光透過凸透鏡

學生通過觀看演示并結合生活中的物理現象更深刻地理解凸透鏡會聚光的作用，但是為什么會有這樣的作用，他們可能不太理解．學生學習過折射，色散與三棱鏡，我們可以讓學生在已有的知識上進行遷移來學習新的規律，這一步也可以在軟件中實現．在Algodoo這個軟件中光對任意幾何形狀的物體都遵循折射定理，并且對不同色光的波長也是不一樣的．為了直觀演示透鏡光學原理，首先創建一組棱鏡擺成如圖3所示．

圖3 平行光透過棱鏡組

同樣讓平行光去照射，光線在棱鏡中總是向厚的一方偏折，可以看到光線也發生了會聚但只有部分會聚，采用極限思想如果有無限塊棱鏡，每個棱鏡連接起來成為球面，那么沿光軸方向照射到面上的每一條光線都會聚到焦點．

(1)控制透鏡變形或者改變折射率探究凸透鏡的焦距，如圖4所示．

圖4 不同透鏡焦距比較

*2017年度云南省教育廳科學研究研究生項目“基于信息技術對高中物理實驗的改進與創新”，項目編號：2017TYS046;云南師范大學研究生科研創新基金項目“中學物理實驗的改進與創新研究”，項目編號：YJS201667，本文為研究成果.作者簡介：王祥委(1990- )，男，在讀碩士研究生，研究方向物理學科教學.通訊作者：彭朝陽(1971- )，男，博士，教授，研究方向物理課程教學和天體物理.

2016-10-27)