Algodoo的發(fā)展及教學(xué)應(yīng)用

王辭曉+++江婧婧+++李靜

【摘 要】信息技術(shù)的發(fā)展，給課堂教學(xué)帶來了更多可能。Algodoo作為物理教學(xué)軟件極大地提高了物理教學(xué)的效率和趣味性。本文梳理了目前Algodoo在國內(nèi)外課堂教學(xué)中的應(yīng)用，采用案例分析法，對Algodoo這一信息技術(shù)與課堂整合的應(yīng)用案例和建構(gòu)主義教學(xué)理論下的Algodoo應(yīng)用案例進(jìn)行了分析。并將Algodoo與當(dāng)下廣泛使用的WISE、幾何畫板、Scratch教學(xué)軟件進(jìn)行了對比分析。最后，本文總結(jié)了Algodoo用于課堂教學(xué)的優(yōu)劣勢與局限，最后為其未來發(fā)展提出建議。

【關(guān)鍵詞】Algodoo；課堂教學(xué)；案例分析；信息技術(shù)與課程整合；物理

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）01-0070-04

2001年頒布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》中明確提出要全面推進(jìn)素質(zhì)教育；教育部從2003 年啟動了普通高中新課程改革，將技術(shù)課程（包括信息技術(shù)和通用技術(shù)）列為普通高中學(xué)生的的必修課；《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實(shí)踐能力；《2015地平線報(bào)告（初等教育版）》提到，未來1～2年運(yùn)用STEAM教育推行信息技術(shù)在教育中的整合，提倡混合式學(xué)習(xí)。很多學(xué)校在推行信息技術(shù)與課程整合的過程中，存在教學(xué)資源不足、硬件設(shè)備不完善等問題，大部分選修模塊無法開設(shè)。在這樣的背景下，Algodoo 這一趣味仿真實(shí)驗(yàn)平臺走進(jìn)了我們的視野，為更好地開展通用技術(shù)課程提供了有力的技術(shù)支持。

Algodoo的發(fā)展

1. 國外發(fā)展

Algodoo（譯名“愛樂多”）是一款2D仿真虛擬物理實(shí)驗(yàn)軟件，其英文名稱是“2D Physics SandboxAlgodoo”，即“二維物理沙盒”，開發(fā)目的是使物理教學(xué)和研究更直觀有效。Algodoo適用范圍廣，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力，并能夠突破收費(fèi)和編程知識缺乏等障礙。

以“Algodoo”為關(guān)鍵詞在外文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、谷歌學(xué)術(shù)等平臺檢索，得到的文獻(xiàn)資料大部分為對Algodoo及其他物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件的新聞報(bào)道類資料，僅有少部分是針對Algodoo進(jìn)行探究的。斯坦福大學(xué)的Tamar等人在第12屆互動設(shè)計(jì)與兒童國際會議（International Conference on Interaction Design and Children，2013）的論文中提出，在利用Algodoo等虛擬建模工具進(jìn)行教學(xué)活動時(shí)，學(xué)生參與建模會提高其元表征能力。巴西維多利亞大學(xué)的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設(shè)計(jì)了物理的拋體實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，教師引導(dǎo)學(xué)生通過控制角度和速度來觀察小球的運(yùn)動軌跡，通過模擬實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生對平拋有更形象的理解，同時(shí)鍛煉其分析歸納能力。Samir L. da Silva還介紹了其團(tuán)隊(duì)利用Algodoo進(jìn)行布朗運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的模擬和數(shù)據(jù)計(jì)算過程，并提出Algodoo可以作為教師向?qū)W生展示物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工具，也可以作為高年級學(xué)生分析物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)工具。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學(xué)的Bor Gregorcic（2015）利用交互式電子白板設(shè)計(jì)課堂活動，通過讓學(xué)生在電子白板上用手操作Algodoo來模擬天體運(yùn)動。

2. 國內(nèi)發(fā)展

目前，Algodoo在中國大學(xué)以及中小學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用正在起步?；搓帋煼秾W(xué)院的陳樂老師利用Algodoo進(jìn)行了拱橋受力的物理模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)活動，幫助學(xué)生了解拱橋設(shè)計(jì)原理。北京師范大學(xué)的韓蔚、項(xiàng)華老師與北京景山學(xué)校的吳俊杰老師將Algodoo軟件應(yīng)用在“數(shù)字科學(xué)家”課程中，以介紹伽利略斜面實(shí)驗(yàn)和天體運(yùn)動實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的游戲化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。江蘇省海安中學(xué)的黃偉老師（2012）利用Algodoo進(jìn)行小球拋體、數(shù)學(xué)擺線、彈簧運(yùn)動等物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)據(jù)分析。江蘇省南通大學(xué)附屬中學(xué)的沈軍老師將Algodoo應(yīng)用在氣體的模擬實(shí)驗(yàn)中。湖北省武鋼三中的朱廣林老師對Algodoo在物理學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了示例列舉。貴州師范大學(xué)的張覺老師（2015）將Algodoo用于拋體運(yùn)動的課堂教學(xué)。山東省章丘一中的王清老師利用Algodoo模擬牛頓第二定律和動量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，以趣味性的視覺效果展現(xiàn)物理原理。

Algodoo的教學(xué)功能

1. 基本功能

Algodoo軟件界面如圖1所示，主要由場景工具面板、屬性面板、工具面板、工具選項(xiàng)面板、模擬仿真控制面板構(gòu)成。Algodoo可以作為教學(xué)演示工具、建模工具、分析解釋工具、在線交流和反思工具。

Algodoo具有豐富的場景和仿真實(shí)驗(yàn)控制、演示等功能；能夠精確形象地模擬實(shí)驗(yàn)，可以直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有助于學(xué)習(xí)由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)知識的遷移；能夠創(chuàng)建各種物理元件，如固體、液體、齒輪、彈簧、光線與透鏡等；可以設(shè)置其材質(zhì)及相關(guān)參數(shù)，如質(zhì)量、密度、摩擦因素、彈性、折射率等；模擬各元件在重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力的作用下相互影響，實(shí)現(xiàn)精度很高的物理仿真實(shí)驗(yàn)；Algodoo還可以實(shí)時(shí)顯示物體運(yùn)行軌跡、受力和速度等物理特征量，使數(shù)據(jù)分析動態(tài)可視化。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

Algodoo適用于8歲到大學(xué)階段的學(xué)生，基于真實(shí)的物理模擬以最有效的方式激勵(lì)學(xué)生記住所學(xué)的知識，使枯燥的課程變得有趣且易學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。它的內(nèi)置課程以簡潔的形式表示抽象概念，方便教師教學(xué)，適合專注于STEM的政府機(jī)構(gòu)或教學(xué)組織使用。它主要可應(yīng)用于物理學(xué)科幾何光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等知識的教學(xué)，如可以呈現(xiàn)光通過界面發(fā)生的反射、折射等物理現(xiàn)象，通過設(shè)計(jì)來模擬多種受力實(shí)驗(yàn)以及模擬液體分子的布朗運(yùn)動等。

課堂教學(xué)應(yīng)用案例

1. Algodoo作為教學(xué)技術(shù)與課程整合

將Algodoo應(yīng)用于課堂教學(xué)之中，體現(xiàn)了將信息技術(shù)與課程整合的理念，即信息技術(shù)主要作為一種工具、媒介和方法融入教學(xué)的各個(gè)層面中，包括教學(xué)準(zhǔn)備、課堂教學(xué)過程等。目前，各位教師和研究人員都是將Algodoo作為教學(xué)技術(shù)與課程整合起來。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學(xué)的Bor Gregorcic利用交互式電子白板設(shè)計(jì)高中物理教學(xué)活動，通過讓學(xué)生在電子白板上動手操作Algodoo來模擬天體運(yùn)動，從而驗(yàn)證開普勒定律。

首先，教師根據(jù)開普勒三大定律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在課前建立太陽系模型并繪制天體運(yùn)行軌道。在課程的一開始，利用電子白板向?qū)W生展示太陽系模型，引起學(xué)生們的注意和興趣。接下來，教師邀請學(xué)生在電子白板上繪制天體，并輔助學(xué)生設(shè)置天體的參數(shù)（如天體質(zhì)量、速度等），引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行天體的操作，使其能夠圍繞太陽運(yùn)動。之后，教師繪制多個(gè)天體，使其圍繞太陽運(yùn)動，帶領(lǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生利用Algodoo提供的數(shù)據(jù)分析功能，引導(dǎo)學(xué)生討論天體運(yùn)行的規(guī)律。最后，教師對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納開普勒三大定律，進(jìn)行知識點(diǎn)的鞏固。

2. 建構(gòu)主義教學(xué)理論下Algodoo的應(yīng)用

Algodoo在構(gòu)建情境性學(xué)習(xí)方面也有較多的應(yīng)用。陳樂將Algodoo引入主題為“趙州橋”的高中通用技術(shù)課堂，創(chuàng)設(shè)一定的情境，具體實(shí)施過程包含以下幾個(gè)階段：（1）提出問題。師生共同討論后確定研究的切入點(diǎn)。（2）制作模型。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)方案，并制作仿真模型。（3）歸納解釋。學(xué)生對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出合理的解釋。（4）最后進(jìn)行模型的優(yōu)化改進(jìn)，從中總結(jié)拱橋受力原理。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師一般在教學(xué)之初先講解所要學(xué)習(xí)的概念和原理，而后再讓學(xué)生去做一定的練習(xí)，嘗試著去解答有關(guān)的習(xí)題。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)和做、知識的獲得和知識的應(yīng)用是可以合二為一的，學(xué)習(xí)者可以在“做中學(xué)”，“通過問題解決來學(xué)習(xí)”。探究式學(xué)習(xí)就是學(xué)習(xí)者通過發(fā)現(xiàn)問題和解決問題而建構(gòu)知識的過程，以問題為中心進(jìn)行學(xué)習(xí)是各種探究式學(xué)習(xí)活動的核心思路，有利于幫助學(xué)生提高靈活應(yīng)用知識的能力，形成有效的問題解決和推理策略，并發(fā)展他們的自主學(xué)習(xí)技能。

已有不少教師將Algodoo應(yīng)用于探究式學(xué)習(xí)。例如，巴西維多利亞大學(xué)的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設(shè)計(jì)了高中物理的拋體實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生通過控制角度和速度來觀察小球的運(yùn)動軌跡，使學(xué)生探究并發(fā)現(xiàn)平拋運(yùn)動的規(guī)律。

Algodoo與其他教學(xué)軟件的對比與借鑒

1. Algodoo與WISE

WISE 是Bell 和Marcia Linn 教授在美國國家教學(xué)基金會的資助下主持的“知識整合環(huán)境”研究計(jì)劃的主要成果。WISE的整個(gè)平臺建設(shè)得很完善，按照用戶角色的不同而有不同的功能模塊。表1是Algodoo與WISE的比較分析。

2. Algodoo與幾何畫板

幾何畫板是適用于數(shù)學(xué)、平面幾何、物理的矢量分析、作圖的動態(tài)幾何工具?？傮w來說，幾何畫板在我國的使用范圍要比Algodoo廣，經(jīng)過分析得出了以下三個(gè)可能的原因：（1）教育部門的大力推廣，幾何畫板是全國中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心推廣使用的軟件之一；（2）幾何畫板比Algodoo操作更加簡單，不會給廣大的教育工作者造成較大的負(fù)擔(dān)；（3）在當(dāng)前應(yīng)試教育體制下，數(shù)學(xué)作為一門主要學(xué)科，受學(xué)校和教師重視的程度較高。表2是Algodoo與幾何畫板的比較。

3. Algodoo與Scratch

Scratch是由麻省理工學(xué)院（MIT） 設(shè)計(jì)開發(fā)的一款面向少年的簡易編程工具。如表3所示，Algodoo相比于Scratch在國內(nèi)尚未廣泛流行的原因有以下幾點(diǎn)：（1）操作難度高：Algodoo元件有不同的屬性和參數(shù)，需要設(shè)置才能夠?qū)崿F(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)，而Scratch元件設(shè)置簡單，重在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力；（2）應(yīng)用領(lǐng)域窄：Algodoo主要適用于物理領(lǐng)域，而Scratch則因具有豐富的多媒體功能和便利的操作而適用于數(shù)學(xué)、音樂、藝術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域；（3）教學(xué)活動設(shè)計(jì)難度高：Algodoo應(yīng)用于教學(xué)活動中，需要教師進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，在設(shè)計(jì)教學(xué)活動尤其是情境創(chuàng)設(shè)這類活動時(shí)難度較大，而Scratch則可以設(shè)計(jì)有趣的小故事引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行參與，通過豐富簡單的功能實(shí)現(xiàn)有趣的效果。

小 結(jié)

1. Algodoo的優(yōu)勢

第一，實(shí)驗(yàn)?zāi)M促進(jìn)高效教學(xué)。 Algodoo可以對物理、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬，在熟悉軟件使用后，可以為教師節(jié)約實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的時(shí)間，將更多時(shí)間投入到教學(xué)活動設(shè)計(jì)中。

第二，動手搭建培養(yǎng)學(xué)生探索能力。Algodoo中的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以由學(xué)生自己來搭建、改進(jìn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和探索能力。

第三，能夠激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作和知識探究的興趣。Algodoo無論是界面還是功能設(shè)計(jì)，都能夠激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作和持續(xù)進(jìn)行知識的興趣，能夠有效地提高課堂效率，同時(shí)把課堂延伸到學(xué)生的課余時(shí)間。

2. Algodoo的局限

一是技能要求較高。Algodoo雖然包含豐富的功能，但對大部分物理教師而言，設(shè)計(jì)出符合物理實(shí)驗(yàn)要求的仿真實(shí)驗(yàn)，需要一定的操作能力。

二是教學(xué)活動設(shè)計(jì)難度高。在設(shè)計(jì)教學(xué)活動時(shí)，需要綜合考慮Algodoo在教學(xué)中的應(yīng)用，不能只把其作為實(shí)驗(yàn)演示工具，還應(yīng)作為合作建模工具，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ā?/p>

三是國內(nèi)缺乏討論和共享的平臺。國內(nèi)受限于語言、網(wǎng)絡(luò)等因素，無法充分利用國外這一社區(qū)平臺，同時(shí)又缺乏國內(nèi)的社區(qū)平臺。

（基金項(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度重點(diǎn)課題“基于游戲化學(xué)習(xí)的教育教學(xué)實(shí)踐研究”（編號：CAHA16052））

（作者單位：北京大學(xué)教育學(xué)院）