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)
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,鼓勵學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造力、動手能力和知識建構(gòu)能力[2].Algodoo 軟件的使用不需要了解復(fù)雜的編程知識,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Algodoo 軟件了解甚少, Algodoo的有效功能沒有得到應(yīng)用和推廣對于物理教學(xué)是一種資源損失.因此,本文對國內(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
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.
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,并利用其實(shí)時(shí)記錄物體運(yùn)動軌跡,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,繪制顯示圖像,得到物體簡諧運(yùn)動的振動圖像;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”這一課題對于傳統(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)動軌跡,從而模擬分子層面微觀粒子無規(guī)則運(yùn)動引起的布朗運(yùn)動,幫助學(xué)生“看到”并理解知識.
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)動下去,讓學(xué)生對于物體的運(yùn)動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.
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.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軟件在彈力和動態(tài)分析、運(yùn)動的過程中的受力等課后習(xí)題中應(yīng)用會使抽象的習(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]; 并以廣東高考壓軸題為例,進(jìn)行仿真情境,探究雙質(zhì)點(diǎn)在斜面運(yùn)動和碰撞的問題.
文獻(xiàn)[14]以“圓周運(yùn)動”為例,介紹了通過Algodoo齒輪的聯(lián)動可以探究同個(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速度的改變的問題、飛行器的運(yùn)動問題.
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.
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)于擺線角度大小對應(yīng)的函數(shù)的探究實(shí)驗(yàn),角度小對應(yīng)正弦函數(shù)圖像,角度大對應(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的v-t圖像、a-t圖像、F-t圖像、E-t圖像.
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,并對其各自的特點(diǎn)進(jìn)行分析,得出Excel對于實(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.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)大在于它對力學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬度,通過使用者對模型的自主建構(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.
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)中的動量守恒、機(jī)械能守恒、圓周運(yùn)動,光學(xué)中的光的折射、反射等,但對于熱力學(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)查和對照實(shí)驗(yàn)方法針對該問題進(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.