基于飛行棋的物理游戲設計*

鄒衛平 黃東娜

[北京師范大學(珠海)附屬高級中學 廣東 珠海 519080] (珠海市第十中學 廣東 珠海 519000)

1 物理飛行棋設計緣由

(1)高中物理學習現狀

進入高中后，較多學生感覺物理難學.普遍反映物理概念難以理解，物理規律不會運用.究其原因，有學科因素，有學生因素，也有教師因素[1].而最直接的原因，是學生學習物理興趣的缺失.

“用牛頓運動定律解決問題”是高中《物理·必修1》的學習難點.如何進行難點突破，克服學生學習物理的畏難情緒是教學的一大難題.

(2)解決方案

引入一個競爭性的游戲機制，能有效激發學生學習的興趣[2].因此，筆者精心設計物理飛行棋游戲，將“用牛頓運動定律解決問題”中的知識點——“牛頓運動定律”和“運動學規律”的綜合運用融入到飛行棋游戲當中.

(3)意義和作用

飛行棋為一款深受兒童喜愛的益智游戲，大部分學生從小接觸，普及率很高.規則簡單，易于掌握，游戲過程激動人心，跌宕起伏，充滿趣味性.

物理飛行棋游戲是將傳統的飛行棋與物理知識結合起來的一種新型游戲.以飛行棋為母體游戲衍生出的物理飛行棋較易被學生接受.物理飛行棋游戲對學生的學習有多方面的作用[3]：

第一，有效激發學生學習興趣；

第二，促進學生理解牛頓運動定律、靈活運用運動學規律；

第三，促進學生相互學習；

第四，傳統課堂教學的有效拓展.

2 物理飛行棋介紹

物理飛行棋實物包含棋子、棋盤，由2～4位玩家同時游戲.

(1)棋子簡介

物理飛行棋的棋子包含4種顏色的小飛機各一架，特制骰子一枚.特制骰子有6個面，分別為：“m減半”“m恢復”“F=2 N”“F=3 N”“F=4 N”“F=5 N”.其中，“m減半”表示本回合飛機質量減為原來的一半；“m恢復”表示本回合飛機質量恢復為初始值；“F=2，3，4，5 N”表示在本回合飛機受到的牽引力大小為2，3，4，5 N.

(2)棋盤簡介

為了更加符合直線運動的要求，本游戲對飛行棋棋盤進行改進，將所有軌道變曲為直，形成一個正方形如圖1所示.

正方形的4條邊為小飛機移動的路徑，每條邊由13個方格組成，每條邊上設有一條通往終點的路徑.正方形4個角為停機坪，是小飛機的初始停放位置.

圖1 改進后的飛行棋棋盤示意圖

(3)游戲規則簡介

1)獲勝條件:最先將小飛機順時針移動一周到達終點者，獲得勝利.

2)骰子規則:只有擲到骰子為“m減半”或者“F=5 N”時，小飛機才可離開停機坪.

此規則承襲了飛行棋起飛規則：只有骰子點數為5或6才可起飛.此規則可增加游戲的隨機性，調動學生的情緒，快速進入游戲“玩家”角色.

“m減半”獎勵擲骰子一次.

“m恢復”立即結束本回合，喪失本回合移動小飛機資格.

教育游戲目的是通過游戲的方式促進學習，達到學習目的.但學習內容過多，游戲因素過少，會讓學生喪失興趣.物理飛行棋本質是物理計算，但“m減半”得到獎勵，“m恢復”受到“懲罰”的規則讓本游戲有更多的游戲因素.

3)移動規則

飛機抵達終點后不回退.

移動格數不為整數時四舍五入計算.

4)互動規則

若有玩家計算錯誤，其他玩家可指出.指出錯誤的玩家獲得本回合移動小飛機資格；計算錯誤玩家喪失本回合移動小飛機資格.

此規則旨在促進學生之間相互學習.有學生計算錯誤時，有其他學生及時指出，并給出正確的解法，可達到同伴學習的效果.

5)開源說明

本游戲規則是開源的，玩家可自行添加其他規則.

3 物理飛行棋原理

物理飛行棋棋子——小飛機的每一步移動都需要運用“牛頓運動定律”和“運動學規律”知識.小飛機的移動格數由加速格數和減速格數相加得來.小飛機在牽引力和摩擦力作用下加速，計算可得加速格數；一段時間后牽引力消失，小飛機只在摩擦力作用下減速直至停止，計算可得減速格數.以下舉例提供3種常用的計算方法并進行比較.

【例題】游戲前約定基本假設：小飛機初始質量m=1 kg，棋盤水平面動摩擦因數μ=0.1，牽引力作用時間恒為t1=1 s.若骰子結果為“F=3 N”.則小飛機應向前移動多少格？

解：第一種方法(公式計算法)，應分為加速階段和減速階段進行計算.加速階段：由骰子結果和摩擦力計算出合外力；利用合外力結合牛頓第二定律計算加速度；求出加速度后，結合運動學規律即可求位移、速度等物理量.減速階段方法同加速階段，具體解答過程如表1所示.

表1 物理飛行棋計算步驟

在每一次移動小飛機的過程中，學生應完成以上7個步驟.

第二種方法(平均速度法)：在第一種方法計算出加速度和末速度之后，求合運動時間，進而計算全程位移.

全程的平均速度均為

減速運動時間為

可求出全程位移

第三種方法(圖像法)：計算出加速度和減速運動時間后可直接繪圖計算圖形面積,如圖2所示,此面積代表小飛機運動的位移.

圖2 圖像法計算位移

表2所示為3種計算位移方法比較，由對比可知：3種方法都需要計算加速階段加速度和末速度、減速階段加速度.第一種方法，公式記憶較為簡單，物理量之間關系較為抽象，數學運算量較大，實際計算過程中容易出錯.第二種方法，平均速度概念較為抽象，物理量之間關系復雜，數學運算量較小，不容易出錯.第三種方法,利用物理圖像思想，把抽象的物理問題轉化為形象的幾何問題.只需計算三角形面積，不容易出錯.

表2 3種計算位移方法比較

在高中《物理·必修1》的學習中，學生會依次學習“公式法求位移”“平均速度法求位移”和“圖像法求位移”.后兩種方法使用到的物理思維更高階，知識更為抽象，但使用起來更簡潔方便.成績層次在全市平均分及以下的學生通常使用第一種方法，而不擅于使用后兩種方法.通過物理飛行棋的使用，學生會積極、主動地尋找更為快捷的方法，自然而然地學會并靈活使用“平均速度法”和“圖像法”，達到良好的學習效果.

4 物理飛行棋的學習效果

“用牛頓運動定律解決問題”是高中《物理·必修1》的學習難點,原因是“牛頓運動定律”聯結了“運動學”和“動力學”內容，增加了知識的復雜度.利用物理飛行棋可突破此學習難點.原因有二：第一，物理飛行棋提供了真實情境，將抽象的物理知識應用到形象的物理情境中；第二，物理飛行棋引入了游戲機制，激發了學生的好奇心和求勝欲，激發了學生學習興趣.物理飛機行棋游戲能在“玩”游戲時激發學生的求知欲，促進學生之間自發地相互學習，真正實現“玩中學”.學生要在游戲中獲勝，必須做到：運用“牛頓運動定律”知識，根據物體受力情況求運動的加速度；運用“運動學規律”知識，根據物體加速度求位移和速度.此游戲能有效促進學生綜合運用物理知識解決真實情境中的實際問題，提高學生的物理學科核心素養.

5 結束語

物理飛行棋能有效激發學生學習興趣，促進學生之間相互學習.在使用物理飛行棋教學后，學生能深入理解物理概念，靈活運用物理規律.

當前的物理飛行棋只是筆者對高中《物理·必修1》部分內容的初步教學嘗試，只融入了部分物理概念和規律.筆者正努力將當前物理飛行棋升級為針對性強，模塊間相互獨立又緊密聯系的系列化、模塊化的物理飛行棋.