例談Algodoo軟件在高中物理教學中的應用*

李廣富 高永偉 何 婧 南亞亞 陳泓宇

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

1 前言

在高中物理教學中，由于以下原因：

(1)某些物理情境涉及理想實驗，而理想實驗無法用日常生活中的實驗儀器來完成；

(2)某些物理情境具有時間短、速度快的特點(例如：蘊含“斜拋運動”相關知識的投籃過程)；

(3)某些物理情境需要借助價格昂貴的實驗儀器來進行(例如：利用顯微鏡來觀察布朗運動等)，導致不少物理情境在課堂上得不到充分的展示.

如果僅靠教師在課堂上口頭描述這些物理情境，這也無法為學生提供一個直觀感性的物理學習情境.

隨著信息技術的高速發展和計算機網絡的普及，技術與課程的整合成為教育信息化進程中的熱點[1].2020年版高中物理課程標準也提到：通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界[2].由此可見，課標編寫者也非常強調廣大教師要將現代信息技術融入高中物理教學中，使學生能夠更好地理解和學習物理.

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的仿真實驗軟件，不但操作非常簡便，而且還可以模擬仿真出不同條件下的物理實驗，更是具有強大的圖表功能和能夠將力可視化等優點[3].Algodoo軟件的操作界面如圖1所示.

圖1 Algodoo軟件操作界面

其中紫色框內的為場景工具欄，通過場景工具欄既可以新建和儲存虛擬仿真情境，還可以瀏覽Algodoo官方網站上他人上傳的虛擬仿真情境.紅色框內的為控制菜單欄，通過控制菜單欄不但可以控制虛擬仿真情境的運行、暫停與還原，還可以設置虛擬仿真情境的環境設定(例如：利用Algodoo軟件可以創建一個無空氣阻力和無重力的情境).黑色框內的為編輯工具欄，通過工具欄中可以編輯、創建任意的物體(例如：籃球場、過山車等).黃色框內的為屬性欄，通過屬性欄可以改變所創建的物體的特性(例如：將創建的籃球的質量變小).

在難以利用實物創建相應的物理情境進行教學時，將Algodoo虛擬仿真軟件融入到高中物理教學中，將能夠為學生提供直觀形象的物理情境，使得學生能夠更好地建構物理知識和掌握物理規律.

2 Algodoo軟件在高中物理教學中的應用

2.1 Algodoo軟件在“斜拋運動”教學中的應用

投籃時，在忽略空氣阻力的情況下，籃球的運動可看作斜拋運動，將學生很熟悉的投籃過程融入到“斜拋運動”教學中可使學生更加容易理解和掌握本節課的知識.但由于投籃的整個過程具有時間短、速度快的特點，且在現實生活中無法忽略空氣阻力對籃球的影響，因此很難將投籃過程作為教學材料融入到“斜拋運動”教學中.Algodoo虛擬仿真軟件具有能夠模擬仿真出不同條件下的物理實驗、實時顯示物理量變化情況和能夠記錄物體的運動軌跡等優點.因此，利用Algodoo虛擬仿真軟件將能夠把投籃這個常見的斜拋運動實例融入到“斜拋運動”教學中.

斜拋運動的概念為：以一定的初速度將物體與水平方向成一定的角度斜向拋出，物體僅在重力作用下所做的曲線運動為斜拋運動.

圖2為用Algodoo軟件創建的忽略了空氣阻力的模擬投籃情境.

圖2 模擬投籃

圖3顯示了籃球即將拋出時的速度方向和受力情況.點擊開始按鈕，即可得到籃球從拋出到投入籃筐的運動軌跡，如圖4所示.

圖3 籃球即將拋出時的模擬情境

圖4 籃球投入籃筐時的模擬情境

從圖3和圖4中可以明顯看出：籃球的初速度方向與水平方向成一定的角度，且籃球在這個過程中只受重力作用，其運動軌跡為一條拋物線.綜上所述，將利用Algodoo軟件創建的忽略了空氣阻力的模擬投籃過程融入到“斜拋運動”的教學中可使學生更加形象直觀地理解并掌握斜拋運動的概念.

在講授完“斜拋運動”的定義后，教師可先讓學生利用在“平拋運動”的學習中所掌握的“化曲為直”的方法來討論籃球在豎直和水平方向分別做什么運動.教師在學生討論后，利用Algodoo軟件的圖表功能得到籃球水平、豎直方向分速度及水平、豎直方向分位移的變化情況，分別如圖5～8所示.

圖5中的籃球水平分位移變化圖像為一條傾斜直線.

圖5 籃球水平分位移變化情況

圖6中的籃球水平分速度變化圖像為一條平行于x軸的直線.

圖6 籃球水平分速度變化情況

圖5和圖6表明：籃球在水平方向做勻速直線運動.

圖7中的籃球豎直分位移變化圖像為拋物線，說明籃球在豎直方向做勻變速直線運動.

圖7 籃球豎直分位移變化情況

圖8中的籃球豎直分速度變化圖像為一條傾斜直線，正半軸的圖像說明籃球先在豎直方向向上做勻減速直線運動，負半軸的圖像說明籃球做反向的勻加速直線運動.

圖8 籃球豎直分速度變化情況

圖7和圖8表明：籃球先在豎直方向做向上的勻減速直線運動，當速度變為零時，再做反向的勻加速直線運動，即籃球在豎直方向做豎直上拋運動.

最后教師可引導學生綜合圖5～8的結論歸納總結得到：斜拋運動可以分解為水平方向上的勻速直線運動和豎直方向上的豎直上拋運動.

綜上所述， Algodoo軟件不但能夠模擬仿真出投籃的情境，同時能夠利用其自身的圖表功能和將力可視化的功能使得學生能夠更好地理解斜拋運動的定義及斜拋運動的分解.

2.2 Algodoo軟件在“布朗運動”教學中的應用

布朗運動需要借助顯微鏡才能進行觀察，但很多中學的硬件設施條件非常有限，不是所有學校都配備顯微鏡這類價格昂貴的實驗儀器，就算學校配備有顯微鏡，其數量也不多，教師難以在課堂上使每位學生都能利用顯微鏡來觀察布朗運動.因此，導致不少教師在講解布朗運動相關知識點時大多結合物理學史或相關視頻來幫助學生進行理解和學習，但這樣并不能夠為學生提供一個直觀感性的學習環境.而Algodoo軟件能夠模擬不同條件下的物理實驗，且其還具有強大的圖表功能.因此，利用Algodoo虛擬仿真軟件將能夠把“布朗運動”這個微觀層面的知識點直觀形象地呈現在學生面前.

布朗運動的特點主要包括以下幾點：

(1)布朗運動是無規則的；

(2)顆粒越小，布朗運動越明顯；

(3)溫度越高，布朗運動越明顯.

圖9為用Algodoo軟件模擬仿真的布朗運動場景，其中亮藍色球體代表液體分子，黃色不規則物體代表小顆粒，粉紅色不規則物體代表大顆粒，該裝置還具有升高溫度和降低溫度的功能.

圖9 模擬布朗運動

點擊運行按鈕，利用Algodoo軟件的圖表功能可得到小顆粒在一定時間內的運動情況，如圖10所示.

圖10 小顆粒運動情況

圖10中顯示小顆粒在這段時間內的運動路線是無規則的，教師可結合圖10向學生表明：布朗運動是無規則的.

圖11為大顆粒在相同時間內的運動情況，從圖中可以看出：在相同時間內，大顆粒運動路程比小顆粒運動路程少得多.教師可結合圖10和圖11向學生講授布朗運動第一個特點：“顆粒越小，布朗運動越明顯”.

圖11 大顆粒運動情況

提高容器內的溫度，再次記錄小顆粒在相同時間內的運動情況，如圖12所示.

圖12 溫度升高時小顆粒運動情況

由圖12可以看出：在相同時間內，提高容器內的溫度，將會使小顆粒運動路程更長，而且其路線越無規則.教師可結合圖10和圖12向學生講授布朗運動另一個特點：“溫度越高，布朗運動越明顯”.

綜上所述，利用Algodoo虛擬仿真軟件的圖表功能可以將布朗運動的特點直觀呈現出來，這將能夠使學生對布朗運動的相關知識有更為直觀感性的認識.

2.3 Algodoo軟件在“機械能守恒定律”教學中的應用

過山車是學生非常喜愛的游樂園項目，如果在忽略一切摩擦的情況下，過山車將遵循機械能守恒定律，將坐過山車這個物理情境融入到“機械能守恒定律”教學中，將能夠大大提高學生的學習興趣.由于現實生活中的摩擦力和空氣阻力對過山車的影響不可忽略，且難以記錄過山車的動能和重力勢能在運動過程中的變化情況，因此，很少有教師將坐過山車這個物理情境融入到教學中.而Algodoo軟件能夠模擬仿真出無摩擦的物理情境，且其圖表功能能夠顯示相關物理量的變化情況.因此，利用Algodoo虛擬仿真軟件將能夠把坐過山車這個物理情境融入到“機械能守恒定律”教學中.

機械能守恒定律的內容為：在只有重力或彈力做功的物體系統內，動能與勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變.

圖13為用Algodoo軟件創建的忽略一切摩擦的過山車運動模擬情境.

圖13 模擬過山車

圖14為過山車在上升時動能、重力勢能變化情況.

圖14 過山車上升時動能和勢能變化情況

圖15為過山車在下降時動能、重力勢能變化情況.由于本模擬場景已將摩擦力、空氣阻力均設置為零，因此教師可引導學生根據圖14和圖15得出：在運動過程中，只有重力對過山車做功，因此過山車機械能守恒，在上升階段，過山車的動能轉化為重力勢能，在下降階段，過山車的重力勢能轉化為動能.

圖15 過山車下降時動能、勢能變化情況

綜上所述，教師利用Algodoo軟件不但能夠模擬仿真出忽略一切摩擦的坐過山車的情境，以此來吸引學生的注意力，提高他們學習本節課的興趣，同時還能夠借助其圖表功能來驗證機械能守恒定律，使學生能夠更好地理解和掌握機械能守恒定律.

3 結束語

在當前教學手段現代化建設條件下，為提高教學效果和教學質量，對于不易用實物創建相關物理情境進行教學的高中物理知識，廣大教師可積極利用Algodoo軟件模擬仿真出與之相關的物理情境并將其應用到教學中，使得學生能夠更好地理解和掌握物理知識，提高教學效果.