應用電子游戲 促進物理教學

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210023)

1 引言

高中物理由于其課程難度大,思維抽象性強,會使學生對物理學習產(chǎn)生畏難情緒，但物理作為一門重要的自然學科,對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有至關重要的作用。因此,在物理課堂上如何激發(fā)學生的學習興趣，將物理知識生動化、形象化、具體化？這是一個亟待解決的問題。

電子游戲作為信息時代的產(chǎn)物,已經(jīng)深入人們娛樂生活的方方面面，僅僅2018年1月到5月,網(wǎng)絡游戲的業(yè)務收入就高達743億元,而玩家群體中超過60%都是青少年。這也不難看出,從青少年熱衷的電子游戲入手,將其作為物理課程資源的一部分,不失為一種吸引學生學習物理的手段。

有教育工作者對結(jié)合電子游戲與物理教學這一課題進行了研究,但大多局限于理論探討或分析某一游戲中蘊含的物理知識點,這也導致了除了少部分內(nèi)容,很難在大多數(shù)物理課程上應用這種方法。本文以3款經(jīng)典游戲為例,將電子游戲資源與課程內(nèi)容拓展到運動、相互作用和電磁等領域,為教學中應用電子游戲資源提供新的開發(fā)與應用思路,同時展望電子游戲與物理教學在更多領域的結(jié)合與創(chuàng)新。

2 電子游戲分析

2.1 絕地求生

“絕地求生”是一款第三人稱射擊游戲，在游戲中,100名玩家跳傘到一個小島上,然后依據(jù)地圖開發(fā)資源,并在不斷縮小的安全區(qū)域內(nèi)對抗其他玩家,使自己生存到最后，很多青少年都對這款游戲有一定的了解,游戲中含有大量可用于教學的內(nèi)容,覆蓋了運動和相互作用等主題。

圖1

首先是游戲開始時跳傘的場景,如圖1所示,玩家開始做自由落體運動,下降到一定高度后開傘,最后降落到地面，這個情景可以應用于高中物理必修1“自由落體運動”一節(jié)的教學。在向?qū)W生舉例說明質(zhì)量不會影響物體的下落速度時,教師常常使用伽利略的比薩斜塔實驗,且不論該實驗的真實與否,就實驗本身而言,與生活聯(lián)系不緊密,難以引起學生共鳴。相較之下,以學生游戲體驗中所觀察到的現(xiàn)象為例,更容易使學生產(chǎn)生認知沖突,從而建構起新的知識,了解到質(zhì)量不會影響物體的下落快慢。同時通過對開傘前后玩家下落速度的分析,也可以引發(fā)學生對影響物體下落速度的相關因素的思考。

游戲中還有不同類型的載具,玩家通過載具來快速移動，這也是高中物理必修1“運動的描述”這一章所關注的。通過游戲地圖上從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方,可以明確地向?qū)W生介紹位移與路程的概念,同時引出速度與速率,并引導學生思考和理解車輛速度計的讀數(shù)實際上對應的是物理中的速率。由于游戲還顯示實時的車輛速度,所以也可以通過截取片段,讓學生記錄不同載具的最大速度,并計算各自的加速度,從而探究加速度和最大速度之間是否存在聯(lián)系。

游戲還包含各種槍械,不同類型的槍械殺傷力也不同。關于槍械可以關聯(lián)高中物理中相當多的知識,例如射擊過程就涉及選修3-5中“反沖”的內(nèi)容，相同口徑下手動上膛的槍械威力大于自動上膛的槍械。該游戲涉及必修2中的“能量守恒定律”，射擊遠處敵人時將槍口略微抬高則與“曲線運動”有關，因此通過截選不同的片段可以對應不同的教學內(nèi)容。

2.2 憤怒的小鳥

“憤怒的小鳥”作為一款經(jīng)典且廣受歡迎的手機游戲,其情節(jié)是小鳥為了報復偷蛋的肥豬,將自己作為炮彈,用彈弓射向肥豬的堡壘。在游戲中,玩家通過調(diào)整彈弓彈射的方向與力度,使射出的小鳥可以命中肥豬堡壘的關鍵部位,讓其崩塌，整個游戲體現(xiàn)了拋體運動的特征。

以下簡要介紹將這款游戲應用于“拋體運動”教學的思路，如圖2所示,在玩家調(diào)整彈弓彈射的方向與力度時,游戲可以實時給出拋體運動的彈道。根據(jù)這一特點,教師可以在課堂上向?qū)W生展示初始速度與方向?qū)τ趻侒w運動軌跡的影響。截取游戲片段,并導入Tracker等分析軟件,還可以在截圖上直接給出坐標軸,導出相應的軌跡方程,讓學生思考方程各參數(shù)的物理意義,從整體上理解拋體運動。除此之外,利用彈弓的彈力與伸長長度成正比可以用于“胡克定律”的教學，小鳥命中目標后,兩者運動的解釋可應用“動量守恒定律”,肥豬堡壘在被轟擊后的平衡與倒塌情景則可以用于“重心”內(nèi)容的拓展。

圖2

除了作為教學過程中的情景模擬,鑒于游戲畫面的簡約、形象性,還可以將其設計為課后習題。例如告訴學生肥豬和彈弓的垂直高度,兩者的水平距離,小鳥射出的角度,就可以讓學生計算小鳥擊中肥豬所需要的速度。

2.3 星際爭霸2

“星際爭霸2”作為一款即時戰(zhàn)略游戲,廣受策略類玩家青睞。玩家通過建造活動進行升級戰(zhàn)斗，游戲中所蘊含的物理知識大多在于建造的單位與建筑中，由于部分物理知識涉及大學物理內(nèi)容,以下暫且介紹可用于高中教學的相關情景。

游戲中機槍兵使用以電磁加速來發(fā)射金屬子彈的高斯步槍，這種高斯步槍實際上就是電磁炮的微縮版。如圖3所示,電磁炮由兩條平行的長直導軌組成,導軌之間放置導電滑塊作為彈丸。當軌道接入電源時,強大的電流從一根導軌流入,經(jīng)導電滑塊從另一根導軌流出,兩根導軌之間會產(chǎn)生強磁場,通電滑塊在安培力的作用下高速射出,這就是電磁炮的發(fā)射原理。在這樣一個物理情景中,涉及通電導線產(chǎn)生磁場、安培力、安培力方向的判斷等知識點,綜合了右手螺旋定則、左手定則和安培力的計算。由于彈丸在炮管中受到的推力是電磁力,這種力是非常穩(wěn)定的,所以在給出相關系數(shù)后,可以讓學生應用動量定理計算出彈丸的出膛速度。結(jié)合該游戲中的武器,不僅可以加深學生對相關知識的綜合應用,同時也聯(lián)系了生活,指明了安培力在軍事中的應用和電磁武器的發(fā)展方向。

圖3

3 具體應用

3.1 課前準備

在物理教學中,為了使學生掌握抽象的物理知識,需要創(chuàng)設形象生動的物理情景來幫助學生理解。例如為了使學生理解質(zhì)量不影響物體的下落速度,跳傘就是一個非常不錯的例子。但同樣是以跳傘為例,使用游戲中的跳傘截圖顯然比一張真人圖片更容易激發(fā)學生的學習興趣。學生結(jié)合自身的游戲體驗產(chǎn)生認知沖突,從而建構起新的物理知識。在課前開發(fā)教學資源時,從電子游戲中尋找相似的物理情景是一個可行的方法。

受限于電子游戲的容量和部分游戲場景的不確定性,除了少部分游戲外,教師需要在課前截取所需的圖片和視頻。課堂展示電子游戲并不是鼓勵學生去玩,更多地是聯(lián)系學生生活,拉近師生關系,創(chuàng)設學生有一定體驗、容易理解的物理情境。

3.2 課堂教學

在具體的教學中,教師需要考慮課程內(nèi)容和所選游戲的特點。除了將電子游戲資源運用于課程導入,教師還可以替換原先教學中枯燥抽象的部分和脫離生活的例子。比如之前所提到的“斜拋運動”教學中,單純的文字講解對于學生來說不直觀、不形象，引入游戲?qū)崟r的拋體運動軌跡,就可以形象地解釋這一過程,并進行進一步分析。

3.3 課后拓展

對于物理教學而言,深入挖掘課程資源的潛在價值十分重要,電子游戲資源也是如此。以這些游戲片段為出發(fā)點,可以很好地進行相關知識的拓展。例如在引入游戲中“高斯步槍”,可以讓學生在課后進一步查找與“電磁武器”相關的資料,了解電磁武器的分類、工作原理和特點,在這一過程中加深對電磁學知識的理解。

4 總結(jié)與展望

通過分析電子游戲和相應的教學過程可以看出,電子游戲豐富的內(nèi)容可以為物理教學提供生動的情景。電子游戲作為一項新興的物理課程資源,有相當廣闊的開發(fā)前景,這需要物理教育工作者樹立正確的觀念,促進教學與游戲的融合,拉近學生與課堂的距離,使學生真正可以在學中玩,在玩中學。