Algodoo在高中物理全反射教學(xué)中的應(yīng)用

［摘 要］文章首先簡單介紹Algodoo及其研究現(xiàn)狀；其次探討其對設(shè)備配置要求不高、實驗條件及元件參數(shù)可調(diào)、適合學(xué)生自主探究等應(yīng)用優(yōu)勢，并通過教學(xué)案例展示學(xué)生在全反射產(chǎn)生條件、臨界角與折射率的關(guān)系等方面的學(xué)習(xí)與自主探究過程，強調(diào)Algodoo在提高教學(xué)效率、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的積極作用；最后對Algodoo在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用進行了小結(jié)。

［關(guān)鍵詞］Algodoo；全反射教學(xué)；高中物理

［中圖分類號］" " G633.7" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）23-0041-04

隨著信息化的不斷發(fā)展，信息技術(shù)在教育教學(xué)中的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為一種教育新趨勢。信息技術(shù)的應(yīng)用使教學(xué)方式更加多樣化、教學(xué)資源更加豐富、教學(xué)過程更加智能化。信息技術(shù)與教育教學(xué)的有機融合為學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)資源和自主學(xué)習(xí)機會，有助于學(xué)生進行自主探究，培養(yǎng)科學(xué)思維，增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版2020年修訂）》特別強調(diào)采用多樣化的教學(xué)方式，倡導(dǎo)利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認知自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力[1]?；诖?，高中物理教師應(yīng)積極主動開發(fā)適用于物理教學(xué)的信息產(chǎn)品，并努力學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)字媒體技術(shù)，豐富物理教學(xué)方式，有效提升物理教學(xué)的質(zhì)量。

目前，PPT、希沃白板、Flash等教育技術(shù)已經(jīng)成為物理教學(xué)的重要組成部分，但它們在提高教學(xué)場景的真實性、教學(xué)內(nèi)容的趣味性和學(xué)生的課堂參與度等方面還存在一些局限。而Algodoo這一教育技術(shù)可有效突破局限，促進信息技術(shù)與物理教學(xué)的有機融合。本文以“全反射”教學(xué)為例，從教師和學(xué)生兩個方面探討Algodoo在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用。

一、Algodoo簡介及其研究現(xiàn)狀

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司開發(fā)的一款獨特的2D仿真軟件，它可為用戶提供直觀的環(huán)境，用于創(chuàng)建、模擬物理教學(xué)場景和展示物理現(xiàn)象。借助Algodoo內(nèi)置的實時物理引擎以及對重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力等要素的模擬，能夠準確地模擬真實世界和理想條件下的物理規(guī)律。利用Algodoo，用戶可以通過簡單地拖拽、放置和連接不同物體，輕松創(chuàng)建復(fù)雜的物理場景，以及觀察物體在模擬環(huán)境中的真實行為。此外，Algodoo還能提供豐富的創(chuàng)意場景設(shè)計工具，例如推進器、鐳射筆和彈簧等，便于用戶實現(xiàn)更多的交互和富有創(chuàng)意的設(shè)計。

當前，國內(nèi)關(guān)于Algodoo與物理教學(xué)的融合的研究還不夠充分，Algodoo在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究也較為有限。其中，朱紅偉老師在初中物理光學(xué)教學(xué)中利用Algodoo真實再現(xiàn)光的色散和光的折射現(xiàn)象，以及模擬近視眼的成像原因與矯正方式[2]。陳蓉、楊曉燕、蔡武德則利用Algodoo對光的折射規(guī)律進行了探究[3]。王祥委、段娟娟、彭朝陽運用Algodoo模擬凸透鏡成像，幫助學(xué)生理解相關(guān)物理規(guī)律[4]。這些研究主要集中在初中光學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，并且在激發(fā)學(xué)生的主動性等方面尚有不足。高中物理的光學(xué)知識較為抽象，要求學(xué)生具備較高的思維能力。國內(nèi)對于Algodoo在高中物理光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究非常有限，亟待展開深入研究。

二、Algodoo的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）對設(shè)備配置要求不高

Algodoo是一種出色的物理仿真工具，具有免費使用、內(nèi)存消耗小、對設(shè)備配置要求不高等多重優(yōu)勢，這使得Algodoo在教學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)越性。目前，一些學(xué)校面臨著設(shè)備老化的問題，而一些對設(shè)備配置要求高的仿真軟件很難被廣泛應(yīng)用。而Algodoo通過其低成本、易于操作、對設(shè)備配置要求不高等優(yōu)勢，為硬件條件較為薄弱的學(xué)校提供了可行的解決方案。

（二）實驗條件及元件參數(shù)可調(diào)

與其他仿真軟件相比，Algodoo在物理教學(xué)中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，一是其突出的實驗條件可調(diào)節(jié)性。用戶可以自由調(diào)整重力場、電場、磁場、阻力等元素，為不同物理過程的模擬提供高度靈活的環(huán)境。二是元件參數(shù)的可調(diào)節(jié)性。用戶能夠輕松調(diào)整元件的材質(zhì)、密度、折射率、彈性系數(shù)等，既能模擬真實的物理情境，又能進行理想化實驗的模擬演示，還可以通過調(diào)節(jié)實驗條件和元件參數(shù)進行定量研究。這一特性有利于控制變量法的應(yīng)用，為系統(tǒng)地、有組織地進行物理實驗探究提供了便利。教師在教學(xué)中利用Algodoo調(diào)整實驗條件和元件參數(shù)，可讓學(xué)生直觀理解不同條件下實驗的結(jié)論，從而促進學(xué)生對物理知識的深刻理解。

（三）適合學(xué)生自主探究

Algodoo的多功能性為學(xué)生提供了廣闊的自主探究空間。Algodoo操作簡單，學(xué)生能夠輕松上手。通過Algodoo，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中模擬各種物理場景和觀察各種在日常生活或?qū)嶒炇抑须y以見到的物理現(xiàn)象。

Algodoo為學(xué)生提供了一個可視化、互動化的平臺，利用Algodoo學(xué)生可以靈活調(diào)整元件的參數(shù)，模擬不同的場景，觀察實驗結(jié)果并進行深入分析。這種自主探究的方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及實驗設(shè)計能力和問題解決能力。

通過Algodoo進行自主探究，學(xué)生能夠培養(yǎng)自身的自主學(xué)習(xí)能力、批判性思維能力和團隊合作能力等，并且能夠更好地理解和應(yīng)用物理知識。

三、Algodoo在高中物理全反射教學(xué)中的應(yīng)用案例

（一）選題分析

“光的全反射”選自魯科版選擇性必修第一冊第4章第3節(jié)，本節(jié)課的教學(xué)目標是知道全反射現(xiàn)象、光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)、臨界角和全反射條件；理解臨界角的概念，能判斷是否發(fā)生全反射；能用全反射現(xiàn)象解決相關(guān)的實際問題。本節(jié)課的教學(xué)重點是理解臨界角的概念及全反射條件，教學(xué)難點是全反射現(xiàn)象的應(yīng)用。根據(jù)新課標的要求，教師可先通過“全反射變臉實驗”“沙漠蜃景”“熏黑的鐵球變亮”等實驗激發(fā)學(xué)生的探究欲望；再利用單束激光做光的全反射實驗，將復(fù)雜的全反射現(xiàn)象進行科學(xué)簡化，便于學(xué)生在觀察現(xiàn)象中抓住問題本質(zhì)，認識全反射的條件。演示實驗中，可能存在“白天光路不夠清晰，學(xué)生難以直觀觀察到實驗現(xiàn)象”的問題。該演示實驗常演示光從玻璃斜射入空氣時的反射和折射現(xiàn)象，在條件允許的情況下教師可把玻璃換成其他介質(zhì)進行重復(fù)實驗，或者利用視頻、圖片進行展示。但是，單次實驗只能涉及兩種不同介質(zhì)，且其中一種往往是空氣，相對單一，不利于學(xué)生得到普遍規(guī)律，以及理解光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的特性。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對的概念，學(xué)生容易誤認為某些介質(zhì)一定是光密介質(zhì)或是光疏介質(zhì)。若在演示實驗后，教師能夠輔助利用現(xiàn)代信息技術(shù)，連續(xù)改變兩種介質(zhì)的折射率，讓學(xué)生感受并記錄同一介質(zhì)在不同情況下的光密或光疏特性，并自主探究，通過定量模擬實驗得出普遍規(guī)律，將大大增強實驗效果和說服力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

為此，筆者引入Algodoo進行輔助教學(xué)。教材上一節(jié)的“拓展一步”欄目中介紹了絕對折射率與相對折射率的概念，并對折射定律進行了拓展。在折射現(xiàn)象中，光從介質(zhì)1進入介質(zhì)2的折射率稱為介質(zhì)2對介質(zhì)1的相對折射率，用[n21]表示。相對折射率和絕對折射率的關(guān)系是[n21=n2n1]（式1），這一公式的引入可以有效優(yōu)化全反射的講解過程，幫助學(xué)生更深入地理解折射和全反射現(xiàn)象。為鞏固學(xué)生所學(xué)知識，筆者設(shè)計了自主探究任務(wù)，讓學(xué)生自主探究不同介質(zhì)發(fā)生全反射時的入射角的大小，從而總結(jié)全反射條件，以及通過Algodoo進行分組實驗和自主探究，歸納實驗規(guī)律。

（二）應(yīng)用案例

1.學(xué)生自主探究全反射條件

在進行教材P97“迷你實驗室”欄目中的實驗演示后，教師指導(dǎo)學(xué)生利用Algodoo進行模擬實驗，并請學(xué)生再次觀察描述實驗現(xiàn)象。

實驗1：設(shè)置介質(zhì)1（即入射光所在介質(zhì)）的折射率為1，介質(zhì)2（即折射光所在介質(zhì)）的折射率為2.40，利用鐳射筆作為光源，改變鐳射筆入射方向，改變?nèi)肷浣牵^察是否有全反射現(xiàn)象發(fā)生。

學(xué)生甲發(fā)現(xiàn)光從玻璃（[n=1.5]）入射到空氣（[n=1.00029]）時，折射角大于入射角，入射角逐漸增大，反射光變強，折射光變?nèi)?，當入射角增大到一定程度時，折射光完全消失，只剩下了反射光。

筆者對學(xué)生甲的發(fā)現(xiàn)表示肯定，并告知學(xué)生該現(xiàn)象為“全反射”，即折射角趨近于 90°，折射光強度趨近于 0，反射光強度與入射光強度幾乎相等。

若改變兩種介質(zhì)，還會發(fā)生全反射現(xiàn)象嗎？滿足何種條件才會發(fā)生全反射呢？學(xué)生提出猜想，設(shè)計探究方案，分別改變兩種介質(zhì)的折射率，繼續(xù)利用Algodoo進行模擬實驗，觀察實驗現(xiàn)象（如圖1）并記錄實驗數(shù)據(jù)（如表1）。

經(jīng)過仔細觀察和記錄數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)只有當入射介質(zhì)的折射率大于折射介質(zhì)的折射率時，才有可能會出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。在這里，筆者指出折射率較小的介質(zhì)為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)為光密介質(zhì)。學(xué)生在對比第2組和第4組實驗的結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)不是絕對的，而是相對的。在演示實驗的過程中，學(xué)生也容易發(fā)現(xiàn)入射角要不斷增大到某一臨界值才會發(fā)生全反射現(xiàn)象。筆者強調(diào)光剛好發(fā)生全反射時的入射角稱為全反射的臨界角，從而總結(jié)得出發(fā)生全反射的條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于等于臨界角。

那么臨界角與折射率有什么關(guān)系呢？當介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時，全反射現(xiàn)象會受到怎樣的影響？除了介質(zhì)之間的折射率差異，還有其他因素會影響全反射的發(fā)生嗎？針對這些問題進行深入探究，有助于啟迪學(xué)生思維，拓寬學(xué)生的探索領(lǐng)域，進一步加深學(xué)生對全反射的理解。

2.學(xué)生自主探究折射光所在介質(zhì)為空氣時臨界角大小與折射率的關(guān)系

在學(xué)習(xí)了臨界角的概念后，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考并設(shè)計實驗2。

實驗2：將實驗1中上半部分介質(zhì)更換為空氣（[n=1.00029]），多次改變?nèi)肷涔馑诮橘|(zhì)的折射率，分別記錄折射率以及臨界角的大?。ɡ肁lgodoo自制量角器測量），觀察實驗現(xiàn)象（如圖2）并記錄數(shù)據(jù)（如表2）。

根據(jù)表2，學(xué)生發(fā)現(xiàn)[sinC]約等于[1n]，即[sinC≈1n]（式2）。學(xué)生再將實驗1中上半部分介質(zhì)更換為真空（[n=1]），重復(fù)上述實驗。學(xué)生發(fā)現(xiàn)[sinC=1n]，從而得到光從其他介質(zhì)斜射入真空中時的臨界角公式。實驗2從空氣到真空，有效彌補了演示實驗中無法實現(xiàn)真空的不足，使學(xué)生體會到物理中的理想實驗法，進一步培養(yǎng)和提升了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

筆者對學(xué)生得到的規(guī)律表示贊同，進一步給學(xué)生布置自主探究任務(wù)：若折射光所在介質(zhì)的折射率不為1，那臨界角的大小和介質(zhì)的折射率又有什么關(guān)系？

3.學(xué)生自主探究折射光所在介質(zhì)的折射率不為1時臨界角大小和介質(zhì)折射率的關(guān)系

在課下，學(xué)生依托Algodoo中多種可調(diào)節(jié)折射率的介質(zhì)，對筆者提出的問題進行了實驗探究（部分實驗光路圖如圖3、圖4），并提交了實驗數(shù)據(jù)（如表3、表4）。

實驗3：將介質(zhì)1（玻璃）和介質(zhì)2（玻璃）的折射率由1.4調(diào)到2.0。

實驗4：將介質(zhì)1（玻璃）、介質(zhì)2（水）、介質(zhì)2（水）的折射率設(shè)為1.33。

學(xué)生由式1、式2推導(dǎo)得：[sinC=n2n1=n21]（[n21]是相對折射率），由此可以得到折射光所在介質(zhì)的折射率不為1時臨界角大小和折射率的關(guān)系。

綜上可知，應(yīng)用Algodoo等信息技術(shù)輔助教學(xué)，并不是替代傳統(tǒng)教學(xué)中的實物實驗，而是將不明顯的、不直觀的、實驗效果差的、無法進行操作的理想實驗等用更加適合的方式進行講解，以此提高教學(xué)效率和效果。借助Algodoo，可以讓學(xué)生在不受實驗器材和環(huán)境限制的情況下進行自主探究，更好地貫徹“以生為本”的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 朱紅偉.基于Algodoo的初中物理光學(xué)教學(xué)新思路探討：以蘇科版物理光學(xué)教學(xué)中若干片段為例[J].中小學(xué)實驗與裝備，2021，31（6）：60-62.

[3]" 陳蓉，楊曉燕，蔡武德.Algodoo在探究光的折射規(guī)律中的應(yīng)用研究[J].物理通報，2018（增刊2）：119-120，124.

[4]" 王祥委，段娟娟，彭朝陽.Algodoo虛擬仿真實驗在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用：以凸透鏡成像為例[J].物理通報，2017（7）：85-87.

（責任編輯 黃春香）