借助物理模擬程序開展三步式交互教學

杜昆 李國良 董愛軍 蘇顯斌 郭洋

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》強調，科學探究能力的培養應滲透在物理教學全過程。教師要引導學生基于證據和邏輯對問題作出合理解釋，解決物理問題。戴維森學院物理系專門針對物理教學開發了Physlets程序，這些程序用Java語言編寫。高中物理中的每條物理定律都可以找到相應的Physlets程序。教師在向學生教授物理定律時可以應用Physlets程序進行交互教學，增強學生與教師的互動。同時，學生也能利用Physlets程序獨立地交互學習，在Physlets程序引導下逐步了解、掌握、應用物理定律，逐漸培養解決問題的能力。筆者在牛頓第一定律的教學中，利用Physlets程序的概念描述（Illustrations）、定律探究（Explorations）和問題解決（Problems）三個模塊開展三步式交互教學。這三個模塊分別對應著學生對知識的了解、掌握、應用。筆者應用該軟件教學不僅加深了學生對物理定律的理解，而且培養了學生的科學探究能力。

一、Physlets程序支持下的三步式交互教學概述

軟件開發者針對物理教學編寫的Physlets程序涵蓋力學、流體學、波、熱力學、電磁學、電學和光學，與我國的高中物理教學內容基本相符。每項內容都包含概念描述、定律探究和問題解決三個板塊，對應著學生對知識的了解、掌握與應用，具有遞進性[1]。

概念描述模塊用于輔助學生初步理解物理定律，對應著學生對知識的了解。定律探究模塊支持學生在對物理定律有初步理解的基礎上深入探究物理知識，對應著學生對知識的掌握。問題解決模塊要求學生在沒有教師指導的情況下獨立交互，應用已學物理定律解決問題，對應著學生對知識的應用。

對于牛頓第一定律的教學，首先，教師利用相應的Physlets程序和學生進行交互，讓學生在Physlets程序輔助下了解牛頓第一定律的內容：一是物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運動；二是如果物體所受的合外力為0，則能找到至少一個相對于該物體靜止的參考系。然后，教師對牛頓第一定律深入開展探究式教學，讓學生基本掌握牛頓第一定律。最后，學生與Physlets程序交互，獨立地解答牛頓第一定律相關的問題，提升自主學習能力。下面介紹牛頓第一定律三步式交互教學方法。

二、應用概念描述模塊幫助學生了解概念

牛頓第一定律對應的概念描述模塊中的Physlets程序預設了三種不同的物理情境（如圖1），三種情境下小球均從小車里被豎直向上射出，小車分別保持靜止、往右勻速運動、往左勻速運動。雖然小球都會從小車里被豎直向上射出，但是在小車不同運動狀態的影響下，小球的軌跡并不相同。教師和學生進行交互，讓學生分別以地面、小車為參考系描述小球的軌跡和小球的最終狀態。教師對學生的表述進行記錄（見表1）。

教師與學生互動如下。

教師：小球最終都回到小車發射口，這意味著什么？

學生：意味著小球在水平方向上應該保持剛從小車發射口射出的運動狀態。

教師：因此，在小車靜止、向左勻速運動、向右勻速運動的時候，小球也應該在水平方向上保持靜止、向左勻速運動、向右勻速運動。此時小球在水平方向上是否受力呢？

學生：在水平方向上不受力，在豎直方向上受到重力。

教師：那么，我們可以得到結論——物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運動，或者說物體具有保持原來運動狀態的慣性，這就是牛頓第一定律。

教師：剛才我們是以什么為參考系得到上述結論的呢？

學生：以小車為參考系。

教師：那么，我們得到小球相對于小車這個參考系在水平方向上是處于靜止狀態的。物體所受的合外力為0，則能找到至少一個相對于該物體處于靜止狀態的參考系，相應的參考系被稱為慣性參考系。

學生：如何定義非慣性參考系呢？

教師：凡是相對地面靜止或做勻速直線運動的參考系都是慣性系，而相對地面做變速運動的參考系則是非慣性系。

師生交流研討，得出結論：以小車為參考系，小球在水平方向上相對靜止，在豎直方向上相對小車運動。

教師：滑冰運動員在冰面滑冰，如果不用力，他會慢慢停下來。這是否違背了牛頓第一定律呢？

學生：沒有違背。滑冰運動員受摩擦力影響，運動狀態改變了。

教師：如果冰面光滑，不存在摩擦阻力，那么滑冰運動員會怎樣運動？

學生：滑冰運動員會保持固定的速度一直運動下去。

教師：在摩擦阻力影響下，滑冰運動員從運動狀態逐漸停下來。可見，力是改變物體運動狀態的原因。

綜上所述，牛頓第一定律包含兩種表述：一是物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運動，具有保持原來運動狀態的慣性，同時力是改變物體運動狀態的原因；二是如果物體所受的合外力為0，則能找到至少一個相對于該物體靜止的參考系，相應的參考系被稱為慣性參考系[2]。這樣，學生對牛頓第一定律建立了完整的認知。

三、借助定律探究模塊探究牛頓第一定律

定律探究模塊支持學生探究，以達到更高的認知程度——掌握（如圖2）。教師可以利用相應的程序幫助學生掌握牛頓第一定律。

定律探究模塊中有太空探測器這一交互程序。太空探測器的上、下、左、右分別有一部發動機，可以分別在x、-x、y和-y四個方向上對太空探測器施加大小相等的力的作用。首先，學生預測太空探測器在以上四個方向的運動，并根據牛頓第一定律對預測進行相應的解釋。然后，教師展示Physlets程序，引導學生驗證或者糾正自己的想法。最后，教師帶領學生進行總結。

教師：太空探測器始終沿著x方向勻速直線運動，當只在一個方向上對探測器施加力時，如何預測它的軌跡？

學生：應用剛學的牛頓第一定律。

教師：當在x、-x方向上施加力的作用時，探測器的軌跡如何？

學生：保持水平方向上的運動，應該是直線。

教師：當在y、-y方向上施加力的作用時，探測器的軌跡如何？

學生：分別向著y、-y方向偏轉，水平方向速度不變，軌跡應該是曲線。

教師為學生播放探測器的運動情況，此時探測器的運動軌跡有四種情況（如圖3）。

教師：大家已經通過Physlets程序看到了在不同方向上受力后的探測器運動過程，接下來驗證一下自己的想法，如不對則進行糾正。

學生：基本和預想的一樣，但是細節需要稍微糾正。

教師：糾正后，請結合牛頓第一定律作出解釋，具體地描述運動軌跡。

教師對四種情況下學生對探測器的運動軌跡描述進行整理、記錄，得到結果如下（見表2）。

探測器始終沿x方向勻速直線運動，當施加兩個或兩個以上的力時，探測器的運動軌跡會有3種情況（如圖4）。

教師：在兩個或兩個以上力的共同作用下，牛頓第一定律是否還適用呢？

學生：同樣適用。

教師：如何對探測器的運動進行解釋呢？

學生：分別對每個方向用牛頓第一定律分析。

教師：不錯，請描述上述探測器運動情況，并結合相應的運動軌跡進行證明。

要探究解答這一問題，學生需要深入思考，教師也需和學生進行更多的交互，引導學生應用牛頓第一定律對探測器在多個力作用下的運動情況進行描述（見表3）。

接著學生可以自己對動畫暫停、回放等，或者在教師的幫助下動畫暫停、回放等，與Physlets程序進行交互，結合牛頓第一定律對軌跡進行驗證。通過這樣的方式，讓學生明白物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運動；知曉如果物體所受的合外力為0，則能找到至少一個相對于該物體靜止的參考系。學生能較好地應用牛頓第一定律預判物體的運動，或者對物體的運動軌跡進行分析，對牛頓第一定律掌握較好。

四、在問題解決模塊輔助下應用牛頓第一定律解決問題

軟件中的問題解決指的是交互形式的物理問題。問題解決模塊要求學生在Physlets程序引導下獨立地寫出問題的答案，應用牛頓第一定律解決問題。相應的Physlets程序為學生創設了一個打高爾夫球的情境。

學生應用Physlets程序交互獨立解決物理問題過程如下。第一步，學生通過Physlets程序觀察運動過程：在t=0 s時擊打高爾夫球，高爾夫球發生了運動，在t=4.2 s時球停止運動，然而球并沒有成功地進入洞中。第二步，學生閱讀問題：a.從t=0 到t=4.2 s時間內，高爾夫球所受的合外力如何？b.從t=0 到t=4.2 s時間內，推桿對高爾夫球的力如何？第三步，學生與Physlets程序交互。動畫界面下方相應的顯示框可以顯示具體時刻該球的水平速度與豎直速度的大小與方向。學生點擊“播放”和“暫停”按鈕，觀察球的運動狀態（如圖5）。第四步，明確解題思路：a問題需要對x和y方向上小球的受力分別分析，根據力的合成得出總的合外力的大小，確定方向；b問題中桿只在一開始的瞬間對小球產生了力的作用，在后面的運動過程中，桿對小球沒有發生力的作用。

學生解答這兩個問題都需要對牛頓第一定律有充分的理解，并能熟練應用。

學生通過與Physlets程序進行交互學習，解答相應的問題，有利于對牛頓第一定律進行深入思考，從掌握知識向應用知識轉變。

Physlets程序作為成熟的交互式物理教學工具和資源，基本涵蓋了中學物理的所有知識點，且按照了解、掌握、應用的一般步驟編排內容，充分考慮了與教學法的結合。Physlets程序交互性強，有利于學生在活動中生成知識，培養解決問題的能力，提高科學探究能力。

注：本文系貴州師范大學—興義民族師范學院聯合培養研究生創新基金（編號：LPYJS-2022-16）資助項目的研究成果。

參考文獻

[1] CHRISTIAN W， BELLONI M， SOKOLOWSKA D， et al. Teaching with Physlets[J]. Physics Education，2020（4）：1-15.

[2] 劉德玉，錢長炎，左崇睿.“牛頓第一定律”內容表述的比較分析及啟示[J].物理通報，2021（4）：124-126.

（作者杜昆系貴州師范大學研究生；李國良系興義民族師范學院教授；蘇顯斌系興義市第五中學物理高級教師；董愛軍系貴州師范大學副教授；郭洋系重慶三峽教師教育學院研究生）

責任編輯：祝元志