Scratch在“自由落體運動”中的情境創(chuàng)設(shè)

摘 要：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》已經(jīng)提出應(yīng)該在教學(xué)過程中重視情境的創(chuàng)設(shè)以及信息技術(shù)的應(yīng)用.文章基于當(dāng)前高中物理學(xué)科教學(xué)中存在的問題以及Scratch的特點，通過Scratch在牛頓管實驗中創(chuàng)設(shè)情境，分析Scratch融入高中課程的意義，探析如何在現(xiàn)行課程教學(xué)中整合Scratch，并借助案例進行說明，以提供思路.

關(guān)鍵詞：Scratch；情境創(chuàng)設(shè)；牛頓管實驗改進；教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G632 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2025）03-0102-04

收稿日期：2024-10-25

作者簡介：高瑩瑩，在讀研究生，從事物理教學(xué)研究；

陳永超，在讀研究生，從事物理教學(xué)研究；

吳勇靈，博士，教授，從事信息技術(shù)與物理教學(xué)的觸合、數(shù)據(jù)挖掘研究.[FQ）]

相比于初中物理，高一階段的物理概念與原理表述比較抽象，認知難度增加.在高中物理學(xué)習(xí)中，僅依靠邏輯思維掌握知識是不夠的，還需要情境模擬作為支撐.因此，創(chuàng)設(shè)情境進行教育對培育高中學(xué)生物理專業(yè)素質(zhì)有著關(guān)鍵作用.

Scratch是一款流行的少兒可視化編程軟件，操作簡單，情境生動，且具有實踐性^[1].使用Scratch能夠提升學(xué)生的數(shù)學(xué)計算思維、分析能力、邏輯思維和空間思維^[2].在高中物理課堂上運用Scratch進行輔助教學(xué)，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)和理解物理知識的過程充滿趣味性.例如，Scratch可以代替無法在教室內(nèi)進行的危險物理實驗，模擬觀察不到的實驗現(xiàn)象，并對物理實驗進行定量分析.因此，Scratch編程在高中物理學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用具有廣闊的前景.

綜上所述，創(chuàng)設(shè)情境進行教學(xué)并運用Scratch編程是培養(yǎng)高中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效方法.教師可以根據(jù)具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，靈活運用Scratch創(chuàng)設(shè)豐富的物理學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生進行實踐操作和自主學(xué)習(xí)，從而提升他們對物理概念和規(guī)律的理解，并培養(yǎng)他們的科學(xué)思維能力和編程技能.

1 情境創(chuàng)設(shè)

創(chuàng)設(shè)情境是指在教學(xué)過程中，將所學(xué)知識與社會文化背景相結(jié)合，并通過激發(fā)學(xué)習(xí)動機、建構(gòu)知識意義以及進行遷移等方式來幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用知識.根據(jù)田潤的分類標(biāo)準(zhǔn)，情境類型可以分為七類，為了更好地將物理知識引入情境中，我們可以根據(jù)這些分類標(biāo)準(zhǔn)將物理教學(xué)情境分為六類^[3]，具體如表1所示.

在這些情境類型中，我們選擇實踐情境作為創(chuàng)設(shè)情境的基礎(chǔ).利用物理實驗等實踐活動作為教學(xué)載體，結(jié)合使用Scratch軟件，在進行牛頓管實驗時創(chuàng)設(shè)情境.觀察和感受實驗情況，誘導(dǎo)學(xué)生進行觀察和思考，并設(shè)置一些目標(biāo)，引導(dǎo)他們在實現(xiàn)目標(biāo)的活動中應(yīng)用科學(xué)思想，主動做出需要探索的研究課題.

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進行概括和抽象時，需要大量的情境支持.這些情境可以通過真實實驗進行演示，也可以在演示實驗的基礎(chǔ)上進行仿真模擬，從而達到輔助教學(xué)的目的.這些情境不僅是學(xué)生將情感與知識相聯(lián)系的紐帶，也給予學(xué)生從情境到知識轉(zhuǎn)化的空間，使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)深度學(xué)習(xí)和自主理解.

通過合理創(chuàng)設(shè)情境并結(jié)合Scratch編程工具，我們可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用物理知識.教師可以根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際情況，選擇適合的情境類型，并使用相應(yīng)的教學(xué)工具和方法，引導(dǎo)學(xué)生在情境中進行思考和實踐，以達到更好的學(xué)習(xí)效果.

綜上所述，創(chuàng)設(shè)情境在物理教學(xué)中具有重要意義.通過選擇適當(dāng)?shù)那榫愁愋筒⒗肧cratch編程工具，我們可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進他們更好地理解和應(yīng)用物理知識，培養(yǎng)科學(xué)思維能力和自主學(xué)習(xí)能力.

2 牛頓管實驗改進

在學(xué)習(xí)高中物理必修一第二章第四節(jié)《自由落體運動》時，教師一般會用牛頓管做羽毛和金屬片分別在空氣和真空中自由下落的演示實驗來引入自由落體運動的概念，之后會讓學(xué)生用打點計時器研究自由落體運動的規(guī)律.這些教學(xué)過程都是必要的，但實驗過程進行得過快，學(xué)生不能直觀地看清楚物體做自由落體運動的全過程.為了解決這個問題，我們可以使用Scratch軟件來增加牛頓管實驗效果，幫助學(xué)生更好地理解自由落體運動的規(guī)律.

2.1 設(shè)置背景和角色

設(shè)定背景和角色是為了提升實驗的情景感，我們可以選擇一個背景，比如比薩斜塔，然后設(shè)置羽毛和金屬片作為實驗中的角色.通過這樣的方式，可以模擬牛頓管實驗中阻力逐漸減小到零的過程.學(xué)生還可以根據(jù)自己的想象力選擇或繪制適合的背景和角色.圖1是自由落體運動的背景和角色.

2.2 確定變量及變量間的關(guān)系

為了模擬牛頓管實驗的過程，我們需要確定涉及的變量以及它們之間的關(guān)系，包括位移（y）、加速度（a）、時間t、面積（s）、阻力（f），通過改變物體與空氣接觸面積來改變阻力，設(shè)定k為固定值、重力加速度（g，恒定不變?yōu)?0 m/s²）等.它們之間的關(guān)系可以表示為：

mg－f=ma

f=ks

y=y₀－?at²

2.3 編程

編程能夠?qū)崿F(xiàn)將上述變量和變量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為Scratch語言的編程模塊，建立物理模型.可以使用適當(dāng)?shù)木幊棠K來模擬羽毛和金屬片的運動，如圖2、圖3.

2.4 演示

給羽毛和金屬片設(shè)置相同的阻力，并逐漸減小至零，觀察它們的下落情況.可以通過可視化變量在舞臺上展示時間的變化.例如，可以在圖形界面中顯示阻力逐漸減小的過程.如圖4到圖5是阻力逐漸減小的過程.

通過這次實驗演示，學(xué)生可以觀察到在阻力逐漸減小的過程中，羽毛和金屬片的下落時間縮短.這會激發(fā)學(xué)生的好奇心，使他們猜測在沒有阻力的情況下，物體會如何運動.最后，通過牛頓管實驗來證明猜想，得出結(jié)論：在現(xiàn)實生活中，人們所觀測物體下落的速率差異主要受到空氣阻力的影響.假如沒有空氣阻力，任何東西都會以同樣大小的速率自然下降，物體只受到重力作用，從靜止開始自由下落，就是自由落體運動.

2.5 牛頓管實驗改進教學(xué)設(shè)計

根據(jù)實物實驗—模擬強化“整合”教學(xué)模式，如圖6，做出了如下的實驗設(shè)置.這種教學(xué)模式主要運用到啟發(fā)式教學(xué)方法，適用新授課，其學(xué)習(xí)過程如表2所示.主要是在演示實驗的基礎(chǔ)上，運用電腦模擬實驗過程，突出學(xué)習(xí)者頭腦中的形象，有助于他們認識事件產(chǎn)生和變化的條件，為順利完成抽象的概念認知作鋪墊.該模式特別適用于某些稍縱即逝的現(xiàn)象教學(xué)^[4].

3 結(jié)束語

當(dāng)前高中物理教學(xué)中存在的問題和Scratch自身特點表明，將Scratch應(yīng)用于高中物理教學(xué)中具有巨大潛力.將Scratch融入課堂導(dǎo)入、新課教學(xué)、輔助教學(xué)和鞏固練習(xí)等環(huán)節(jié)，可以改變物理教學(xué)方式，豐富物理課堂內(nèi)容.

Scratch與高中物理教學(xué)的結(jié)合使物理教學(xué)不再局限于學(xué)生獲取物理知識，同時也讓Scratch超越了編程語言的功能，允許學(xué)生通過創(chuàng)建各種程序項目來學(xué)習(xí)和檢驗物理知識，促進對物理概念的理解和思維技能的發(fā)展.學(xué)生由單純的程序應(yīng)用者轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦虻膭?chuàng)造者，在編程的過程中，他們不僅復(fù)習(xí)物理知識，還能提升編程能力.通過物理和信息技術(shù)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠在美術(shù)創(chuàng)作中感受到理性、嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)之美，還能在編寫程序和代碼的過程中感受到程序之美、邏輯之美和藝術(shù)之美，為未來的發(fā)展打下基礎(chǔ).

教師應(yīng)積極探索實踐，收集更多素材應(yīng)用于教學(xué)中.按照課程任務(wù)和知識點選取合適的情境素材，營造合理的課程環(huán)境，引領(lǐng)學(xué)生在環(huán)境中了解和運用專業(yè)知識，培育核心素養(yǎng).今天，教師應(yīng)把Scratch這一簡單的程序有效地滲透到物理等其他課程的教育中，在促進教和學(xué)的同時，推動其自身素質(zhì)的成長，培養(yǎng)他們在數(shù)字化時代應(yīng)對各種現(xiàn)代化挑戰(zhàn)的技能，進而成為面對21世紀(jì)的全球化的新人.

參考文獻：

[1] 張松.建模與解模：探尋培養(yǎng)小學(xué)生計算思維的密碼：以小學(xué)Scratch編程課為例[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2019（05）：86-88.

[2] 朱琴.Scratch編程對數(shù)學(xué)思維培養(yǎng)的提升[J].數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究，2020（08）：66.

[3] 王偉，王后雄．《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中 “情境素材建議”內(nèi)容特點及使用建議［Ｊ］．化學(xué)教學(xué)，2018（10）：15-19，26．

[4] 項華.信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)整合[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2013.

［責(zé)任編輯：李 璟］