应用仿真软件革新物理实验教学

随着网络的普及，多媒体仿真技术进入物理课堂，引起了中学物理教学革新。一个明显的改变就是许多物理教师在物理教学中将多媒体课件与传统的板书结合。但是在教学中要做到无缝对接和相辅相成并不容易。目前网络上的教学课件资源特别丰富，但很多课件都是演示播放的形式，起不到模拟实验的作用，很多时候教师需要自己设计课件。因此，在应用多媒体技术来辅助制作交互式的符合物理规律的课件时，选择合适的软件相当重要。

Algodoo是一款独特的2D仿真软件。科研人员开发该软件是为了让物理教学和研究更直观有效。Algodoo官方网站提供了2万多件网友作品，并做了分类和评级，是人们学习和使用Algodoo的绝好资源，也为展示作品、交流经验提供了平台。Algodoo的基本功能有以下几项：使用简单的绘图工具创建、编辑场景；通过选择、拖曳、倾斜、振动等方式参与互动，显示物体运行轨迹；提供刚体，流体，链条、齿轮、弹簧、铰链、锁、发动机、激光射线及跟踪绘图工具等元素。

一、应用简述

同时，实验内容也是根据教师或者学生需要设计的，实验用到的所有部件均是由控件加上一些参数创建的，并且实验设计相当开放，大小、形状、颜色可任意搭配，模拟物理过程所用的一些初始量也能由实验者任意设定。例如，实验者将“加速度”取“重力加速度”，将“初速度”取“0”，那么就可以模拟一个物体自由下落的情形。实验者也可以设定一些理想化的参数，如光速、绝对光滑平面、无空气阻力等来设计出理想实验的演示。实验者可随时控制实验的进展，实验中相应的数据也可以按需求反馈给操作者。虚拟实验无任何危险，即使有毒有害、污染环境和破坏性实验，也可在虚拟实验室内完成。

二、应用案例

（一）在平抛运动教学中的应用

传统平抛运动物理实验不能避免摩擦力和空气阻力所带来的影响，且无法实时监控小球每一时刻的运动情况，实验仅得到小球的运动轨迹，分析较为复杂。学生不容易理解平抛运动是由水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动合成的。利用Algodoo对平抛运动做模拟能解决以上问题。

通过实验发现：在同一时刻，做平抛运动的小球的竖直位移和水平位移，分别与做自由落体运动的小球和在水平方向做匀速直线运动的小球相等，过程清晰可见。

绘出图像后发现，分别表示水平运动和竖直运动的图3和图4与表示平抛运动的图2完全一致，即v1=v3，v2=v4，由此可验证该结论。

（二）在分析传送带相对运动问题中的应用

无初速度物体放置在运动的传送带上，其运动过程的分析较为复杂，物体和传送带的相对运动较为抽象，传统实验无法直观表现物体速度的变化情况及物块和传送带的相对运动情况。学生很难想象该物理情景，对物体运动状态以及物体、传送带和地面的相对运动难以判断。利用Algodoo软件对该物理情景进行模拟再现，则可以直观分析物块与传送带的相对运动。

仿真实验步骤如下：①创建一个场景，选择方框工具绘制一长板，在长板上绘制一小物块。②设置空气阻力为0，长板与水平面接触面的动摩擦因数为0、初速度v0=5m/s，与小物块接触面的动摩擦因数为0.5，小物块静止。③点击右键，选择“显示图表”对小物块和长板的速度进行实时监控。④点击拟真动作按钮，开始模拟。由于该实验过程短暂，可通过调整拟真按钮中的“拟真速度”，放慢实验过程，充分观察实验现象。

根据图5和图6可得（以下速度以地面为参考，方向向右）：

(1)初始阶段：小物块v0=0m/s，长板v0=5m/s；长板v0>小物块v0，小物块相对长板向左运动。

(2)变速阶段：小物块做匀加速运动（其速度为v1），长板做匀减速运动(速度为v2)，v2>v1，小物块相对长板向左运动。

(3)匀速阶段：小物块和长板做匀速运动，小物块相对长板静止。

通过分析图像，小物块和长板的相对运动清晰可见，由于传送带速度恒定，因此小物块的运动为先做匀加速直线运动，相对传送带向左运动，待速度与传送带速度相等时，无相对运动。教师利用Algodoo软件对传送带问题进行分析，先把抽象的物理过程转化为形象的物理情景，便于学生分析理解，而后再由形象的物理情景回归到抽象的物理知识中。

（三）验证机械能守恒

三、总结

要实现教育科学高效发展，必须合理应用信息技术。作为现代化的物理教师，要落实国家立德树人以及对学生核心素养培养的要求，需要具备一定的信息技术能力，学会将信息技术与物理课程融合。Algodoo软件能将生活中的物理现象模型化呈现出来，可以提高物理课堂的教学效率。

但虚拟实验在物理实验教学中也有不足，主要体现在：尽管虚拟实验对一些演示类实验的模拟是依据现有的物理原理和规律开发设计的，但不能用来解释物理现象，因为它仅是把生活中的物理现象模型化、理想化呈现出来，而并非物理现象本身。笔者建议在教学中利用Algodoo软件将虚拟实验与真实实验有效整合，做到扬长避短。这就要求教师更新观念，采用更为合理的教学方法来提高学生的物理核心素养，培养合格的人才。

注：本文是云南省教育厅科学研究研究生项目（编号：2017TYS046）的研究成果。

[1]王清．利用Algodoo软件判求理想化的物理运动规律[J]．物理教师，2015（1）：66-68．

[2]黄伟．Algodoo软件在教学中的应用[J]．中学物理教学参考，2012（6）：50-51．

[3]陈乐．利用Algodoo平台搭建高中通用技术课堂的探索与实践[J]．现代教育技术，2010（11）：79-82．

[4]李飞．浅谈计算机虚拟网络技术实验在高校实验教学的实现[J]．新疆广播电视大学学报，2012（1）：60-62．

（作者段娟娟系云南师范大学硕士研究生，王祥委系云南师范大学附属镇雄中学教师，彭朝阳系云南师范大学教授）