Algodoo在國內(nèi)中學(xué)物理教學(xué)中的研究與應(yīng)用綜述

王玲琦 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

Algodoo軟件是瑞典Algoryx Simulation AB 公司推出的一款獨(dú)特的2D仿真軟件，其前身是瑞典一所大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)碩士Emil Ernerfeld為導(dǎo)師Kenneth BodinPhun寫的一個(gè)名為Phun的程序，寫該程序的目的是為了使物理教學(xué)和研究更直觀有效，其英文名為“2D Physics Sandbox”即“二維物理沙盒”[1].Algodoo軟件在Phun的基礎(chǔ)上為課堂教學(xué)做了優(yōu)化，它為學(xué)生們帶來了一個(gè)好玩的、卡通式的平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造力、動(dòng)手能力和知識(shí)建構(gòu)能力[2].Algodoo 軟件的使用不需要了解復(fù)雜的編程知識(shí)，只需要通過繪制簡單的物件就可以進(jìn)行模擬仿真，還可以繪制圖像；能夠?yàn)閷W(xué)生提供直觀、可視化的學(xué)習(xí)情境，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的物理概念等，但筆者發(fā)現(xiàn)，Algodoo軟件在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用還比較小眾，除去關(guān)注Algodoo軟件的部分教師外，很多一線教師都對(duì)Algodoo 軟件了解甚少， Algodoo的有效功能沒有得到應(yīng)用和推廣對(duì)于物理教學(xué)是一種資源損失．因此，本文對(duì)國內(nèi)Algodoo的相關(guān)文獻(xiàn)做個(gè)綜述，旨在推廣Algodoo軟件在物理教學(xué)中的研究和應(yīng)用.

通過在中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索，將關(guān)鍵詞定為“Algodoo ”，截至2022年1月20日，可檢索出40篇相關(guān)的文獻(xiàn).將關(guān)鍵詞定為“Algodoo 物理”，可檢索出37篇文獻(xiàn)；其中34篇是物理教學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)，3篇碩士論文.如圖1所示，Algodoo軟件在中學(xué)物理教育教學(xué)應(yīng)用的文章于2010年開始發(fā)表，從2017年開始，期刊發(fā)表明顯增多，但到2020年，期刊發(fā)表又處于低迷狀態(tài)，然而到2021年期刊發(fā)表又一次大幅度增加.由此可見，Algodoo軟件在物理教育教學(xué)中的應(yīng)用又慢慢地得到學(xué)者的青睞，也被廣大一線教師所關(guān)注.

圖1是該軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)數(shù)量隨年份變化的情況.

圖1 Algodoo軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)數(shù)量隨年份變化圖

2 Algodoo軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的基本情況

通過查閱文獻(xiàn)，總結(jié)出關(guān)于Algodoo軟件的主要功能如下：

(1)能夠精確模擬實(shí)驗(yàn)，直觀觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

(2)能夠創(chuàng)建各種物理元件，可以設(shè)置各元件及相關(guān)參數(shù).

(3)能夠模擬各物件在重力、浮力、空氣阻力、摩擦力的相互影響下，實(shí)現(xiàn)精度較高的仿真實(shí)驗(yàn).

(4)能夠?qū)崟r(shí)顯示物體運(yùn)動(dòng)軌跡、受力和速度等物理特征量，使物理量的分析可視化.

利用Algodoo軟件的功能，很多研究者將Algodoo軟件與物理教學(xué)聯(lián)系起來，通過對(duì)Algodoo在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究的30多篇文獻(xiàn)進(jìn)行通讀，并對(duì)此進(jìn)行梳理和分類，關(guān)于Algodoo軟件功能的研究大體可分為以下幾類：

(1)Algodoo在物理概念、規(guī)律教學(xué)中的輔助作用.

(2)Algodoo在物理問題解決中的作用.

(3)Algodoo在探究性問題中的輔助作用.

(4)Algodoo軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助作用.

(5)Algodoo與其他仿真軟件在物理教學(xué)中的優(yōu)缺比較研究.

2.1 Algodoo軟件在物理概念和規(guī)律教學(xué)中的輔助作用

這一類的研究是眾多研究者所特別關(guān)注的.文獻(xiàn)[3]中介紹了利用Algodoo軟件調(diào)取光的色散，移動(dòng)輻射筆照射在三棱鏡上，讓學(xué)生們觀察三棱鏡后的光，輔助學(xué)生理解光的色散的概念.

文獻(xiàn)[4]介紹了利用Algodoo軟件創(chuàng)建元件，并設(shè)置元件的有關(guān)參數(shù)，模擬行星的運(yùn)動(dòng)，并利用其實(shí)時(shí)記錄物體運(yùn)動(dòng)軌跡，從而直觀驗(yàn)證開普勒三大定律;不僅如此，還利用Algodoo軟件選擇所需的元件和設(shè)置特定的條件模擬簡諧運(yùn)動(dòng)，繪制顯示圖像，得到物體簡諧運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)圖像；并且利用該軟件新建場景，選取元件設(shè)置參數(shù)來得到兩物體相互碰撞前后圖像，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.

文獻(xiàn)[5]注意到傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)的光路無法直接呈現(xiàn)，而且實(shí)驗(yàn)色光的種類有限，于是設(shè)計(jì)了利用Algodoo軟件創(chuàng)建凸透鏡，通過設(shè)置調(diào)節(jié)透鏡的焦距和大小、折射率，創(chuàng)建一組平行光沿著主光軸方向穿過透鏡，來演示凸透鏡成像，補(bǔ)全了傳統(tǒng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足，能夠很好地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)得到凸透鏡成像的規(guī)律.

文獻(xiàn)[6]利用Algodoo軟件創(chuàng)設(shè)情境，創(chuàng)建一個(gè)天花板與水平地面平行，建立一個(gè)圓，通過顯示圖表，設(shè)置坐標(biāo)，則可以在小球下落過程中顯示小球的動(dòng)能、重力勢能、總能量隨時(shí)間的變化圖像來驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒，同樣的，還利用創(chuàng)設(shè)斜面、鋼球，來驗(yàn)證斜面中的機(jī)械能守恒；不僅如此，文獻(xiàn)[6]還利用Algodoo軟件來創(chuàng)建天花板、繩子、鋼球來驗(yàn)證單擺實(shí)驗(yàn)中機(jī)械能守恒.

文獻(xiàn)[7]注意到在高中“布朗運(yùn)動(dòng)”這一課題對(duì)于傳統(tǒng)課堂而言，基本上采用講授法，或者借助視頻或者物理學(xué)史來進(jìn)行授課，由于布朗運(yùn)動(dòng)只有在顯微鏡下才能觀測得到，而由于大多數(shù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，學(xué)生能夠觀測到布朗運(yùn)動(dòng)的可能性不大，發(fā)現(xiàn)用Algodoo軟件輔助課堂教學(xué)，能較為直觀地建立一系列參數(shù)多變的物理模型，經(jīng)過一系列可視化處理，顯示懸浮微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而模擬分子層面微觀粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的布朗運(yùn)動(dòng)，幫助學(xué)生“看到”并理解知識(shí).

文獻(xiàn)[8]講到在高中物理教學(xué)中，牛頓第一定律中的理想斜面在實(shí)際生活中不存在，所以無法進(jìn)行理想斜面實(shí)驗(yàn)，借助Algodoo軟件就可以模擬理想斜面，并且利用其“顯示圖表”的功能讓學(xué)生定性地認(rèn)識(shí)到，當(dāng)接觸面摩擦力為零時(shí)，即無限光滑時(shí)，小車真的能夠一直運(yùn)動(dòng)下去，讓學(xué)生對(duì)于物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持有更深層次的理解.

文獻(xiàn)[9]介紹了利用Algodoo來創(chuàng)設(shè)所需要的情境，模擬無推力和有推力兩種情境，幫助學(xué)生理解靜摩擦力的本質(zhì)：彈力的水平方向的合力就是宏觀上的靜摩擦力，這就能解釋靜摩擦力隨水平外力的增大而增大的原因.

2.2 Algodoo軟件在物理問題解決中的作用

文獻(xiàn)[1]注意到利用Algodoo能夠創(chuàng)設(shè)所需要的情境，能夠使得建立模型的過程更加生動(dòng).該文獻(xiàn)以江蘇高考題為例，闡述了運(yùn)用Algodoo創(chuàng)建題目所需的情境，幫助學(xué)生建立“擺線”模型(圖2).

圖2 基于Algodoo模擬“擺線”模型

文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)可以利用Algodoo的可視化力功能在高中物理問題解決中常見的習(xí)題：判斷物體是否受力，受力的方向和運(yùn)動(dòng)物體受力情況，給學(xué)生帶來直觀體驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力.

文獻(xiàn)[11]介紹了通過Algodoo軟件的交互功能，來提高物理專題復(fù)習(xí)效率.通過介紹用Algodoo軟件來創(chuàng)建用彈簧連接的兩個(gè)小球在光滑水平面上的運(yùn)動(dòng)伴隨的小球速度以及彈簧能量轉(zhuǎn)化的問題，體現(xiàn)了Algodoo軟件的輔助大大降低了學(xué)生在處理此類繁瑣問題的思維門檻.

文獻(xiàn)[12]注意到中考經(jīng)常出現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜的試題，而學(xué)生的建模能力比較低，完整地分析運(yùn)動(dòng)過程中速度、機(jī)械能的變化比較困難，因此便以一道中考題為例，介紹了運(yùn)用Algodoo實(shí)時(shí)測量并顯示物體運(yùn)動(dòng)過程中的速度、機(jī)械能的變化圖像，能夠通過試題來提高學(xué)生的建模能力.

文獻(xiàn)[13]介紹了用Algodoo實(shí)現(xiàn)“可視化力”的基本方法，并介紹了Algodoo軟件在彈力和動(dòng)態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)的過程中的受力等課后習(xí)題中應(yīng)用會(huì)使抽象的習(xí)題情境變得直觀，有利于教學(xué)難點(diǎn)的突破，為平時(shí)的教學(xué)帶來便利[9]; 并以廣東高考?jí)狠S題為例，進(jìn)行仿真情境，探究雙質(zhì)點(diǎn)在斜面運(yùn)動(dòng)和碰撞的問題.

2.3 Algodoo在探究物理問題中的輔助作用

文獻(xiàn)[14]以“圓周運(yùn)動(dòng)”為例，介紹了通過Algodoo齒輪的聯(lián)動(dòng)可以探究同個(gè)齒輪上不同點(diǎn)角速度、線速度的關(guān)系，相互接觸的齒輪上角速度、線速度的關(guān)系；利用Algodoo軟件制作水流星，可以簡便地探究水流星的原理；還利用Algodoo制作“環(huán)球模型”、改變球的速度，來觀察不同的運(yùn)動(dòng)情境，這一情境可以很好地輔助解釋球在豎直面內(nèi)運(yùn)行的“桿球模型”的受力問題，形象的類比可以使復(fù)雜問題簡單化.不僅如此，文獻(xiàn)[15]還在“探究拋體落到不同形狀的障礙物上的動(dòng)能最值問題”案例中基于Algodoo探究不同初速度條件下物體的下落和碰撞情境， 還能輸出需要的各種數(shù)據(jù)，便于我們選擇研究，整個(gè)設(shè)計(jì)過程方便快捷.并且，文獻(xiàn)[13]還介紹了運(yùn)用Algodoo軟件中的“推進(jìn)器”工具模擬探究了力對(duì)速度的改變的問題、飛行器的運(yùn)動(dòng)問題.

文獻(xiàn)[16]用Algodoo軟件模擬鏡面反射和漫反射，能夠幫助學(xué)生更加清晰地了解鏡面反射和漫反射的區(qū)別.

文獻(xiàn)[17]利用Algodoo進(jìn)行了拱橋受力的物理模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生探究拱橋設(shè)計(jì)的原理.

2.4 Algodoo軟件在物理實(shí)驗(yàn)中的輔助作用

文獻(xiàn)[17]注意到，在教材中的探究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，由于木板跟滑塊之間有摩擦力，通常將木板傾斜，使得滑塊重力沿斜面方向的分力平衡摩擦力，但又要使沙桶的重力遠(yuǎn)小于滑塊的重力，那這樣的話加速度a很小，由此造成的誤差較大.因此，文獻(xiàn)[17]用Algodoo創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，就可以使得各個(gè)接觸面摩擦系數(shù)為零，并且開啟速度追蹤，就可以得到速度-時(shí)間圖像，再進(jìn)行處理就可以得到加速度與物體質(zhì)量、所受合外力之間的關(guān)系，從而驗(yàn)證牛頓第二定律.

文獻(xiàn)[8]提出，在講解高中的“單擺”這部分內(nèi)容時(shí)要讓學(xué)生理解在數(shù)學(xué)推導(dǎo)中為什么擺線角度足夠小就是簡諧運(yùn)動(dòng)是很難的，但如果利用Algodoo軟件模擬情境來做一個(gè)關(guān)于擺線角度大小對(duì)應(yīng)的函數(shù)的探究實(shí)驗(yàn)，角度小對(duì)應(yīng)正弦函數(shù)圖像，角度大對(duì)應(yīng)非正弦函數(shù)圖像，這便能夠最大限度地讓學(xué)生突破難點(diǎn).

文獻(xiàn)[18]介紹了如何使用Algodoo建立一個(gè)虛擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并在其中完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法完成的一系列理想實(shí)驗(yàn)的全過程，利用虛擬太空環(huán)境和兩架虛擬飛碟進(jìn)行慣性實(shí)驗(yàn)和曲線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，有效地突破高中物理的難點(diǎn).

文獻(xiàn)[19]主張使用Algodoo軟件模擬彈簧振子，既可以排除空氣阻力，避免一系列系統(tǒng)誤差，又可以設(shè)置位移-時(shí)間圖像，能夠?qū)崟r(shí)地得到振子做簡諧振動(dòng)的v-t圖像、a-t圖像、F-t圖像、E-t圖像.

2.5 Algodoo軟件和其他一些軟件比較的優(yōu)缺點(diǎn)

文獻(xiàn)[20]以Excel、 Algodoo、Flash這3個(gè)軟件為例，講述了計(jì)算機(jī)常用軟件在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，并對(duì)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出Excel對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、擬合函數(shù)圖像具有非常強(qiáng)大的作用，而flash和Algodoo都是針對(duì)仿真模擬，但Algodoo軟件的功能更強(qiáng)大，簡單上手，不需要掌握復(fù)雜的編程知識(shí)．在這3種軟件的使用上，根據(jù)具體需要合適選擇.

文獻(xiàn)[21]在論文中針對(duì)常用物理虛擬實(shí)驗(yàn)軟件Algodoo、NOBOOK、宇宙沙盤2、物理實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行對(duì)比，從易用性、功能性、細(xì)節(jié)處理和不足之處4個(gè)維度進(jìn)行分析，得出Algodoo軟件操作簡單，自由度高，所有模型幾乎都由使用者自行設(shè)計(jì)，軟件占據(jù)空間不大，幀率可調(diào)節(jié)，功能的強(qiáng)大在于它對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬度，通過使用者對(duì)模型的自主建構(gòu)，可以模擬出大量的力學(xué)實(shí)驗(yàn)；易用性非常高；缺點(diǎn)就是不能插入電元件、無法插入電磁場、無法進(jìn)行近代物理相關(guān)的一些實(shí)驗(yàn).

文獻(xiàn)[16]對(duì)常見的智能系統(tǒng)中的Algodoo、Phyphox、Dislab進(jìn)行了分析，肯定了Algodoo軟件既可以作為教師向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)的工具，也可以作為高年級(jí)學(xué)生分析物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)工具；是一款可以作為教學(xué)演示工具、建模工具、分析解釋工具、在線交流和反思工具的軟件.

3 思考與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多一線教師和研究者已經(jīng)能夠用虛擬仿真軟件來改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足并做出很多實(shí)驗(yàn)．目前國內(nèi)關(guān)于Algodoo軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究已經(jīng)有了很多的范例，取得了不少的成果，從對(duì)搜集到的文獻(xiàn)來看，可以看出目前在物理教學(xué)中能夠使用的虛擬仿真軟件和數(shù)據(jù)處理工具已經(jīng)蓬勃發(fā)展，但對(duì)于Algodoo的研究目前也存在一些問題，現(xiàn)總結(jié)如下：

(1)創(chuàng)新性較少.這主要體現(xiàn)在大部分文獻(xiàn)在案例中舉到Algodoo在規(guī)律、概念教學(xué)中最多的例子就是力學(xué)中的動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒、圓周運(yùn)動(dòng)，光學(xué)中的光的折射、反射等，但對(duì)于熱力學(xué)方面的案例制作很少.

(2)關(guān)注點(diǎn)不全.這體現(xiàn)在大多數(shù)研究都是停留在制作案例，沒有很好關(guān)注到Algodoo中的Algobox場景庫的利用，沒有注重制作者場景的分享，資源的共享.

(3)功能利用單一.這體現(xiàn)在大多數(shù)的研究都停留在教師如何利用Algodoo來進(jìn)行虛擬演示實(shí)驗(yàn)，由于它不需要編程基礎(chǔ)，上手容易、操作簡單的優(yōu)勢，忽視了Algodoo的創(chuàng)建場景也可以由學(xué)生個(gè)人或者分組來完成，并且隨著信息時(shí)代的發(fā)展，學(xué)生能夠較方便地使用電子設(shè)備，因此，Algodoo也可以作為學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)、自由使用的學(xué)習(xí)工具，雖然有研究者提到Algodoo這方面的功能所在，但卻沒有人具體針對(duì)學(xué)生如何最大限度地自主或者合作使用Algodoo來輔助學(xué)習(xí)展開研究.

(4)缺乏評(píng)價(jià)體系.很少研究者能夠?qū)νㄟ^Algodoo進(jìn)行虛擬仿真是不是真的讓學(xué)生感興趣，是不是提升了學(xué)生的學(xué)業(yè)成績，提高了建模能力展開研究，只有文獻(xiàn)[21]提到通過調(diào)查和對(duì)照實(shí)驗(yàn)方法針對(duì)該問題進(jìn)行了研究，但調(diào)查方法、結(jié)果仍然值得深入探討，因此，這部分研究的空間還有很大.