高永品

摘? ?要：利用Algodoo軟件分析驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)，在驗(yàn)證過(guò)程中，分別以自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)、物體沿光滑斜面自由下滑等四個(gè)物理情境為例，分析機(jī)械能守恒情況，由仿真實(shí)驗(yàn)和圖像得出更加精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的演示較難、誤差較大等關(guān)鍵缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：Algodoo軟件；圖像；模擬；機(jī)械能守恒

引言

在中學(xué)物理教學(xué)中，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)是重要的物理知識(shí)，也是教學(xué)中的難點(diǎn)之一。在利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究機(jī)械能守恒的過(guò)程中，由于無(wú)法避免摩擦力、空氣阻力等，所以此類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。

Algodoo是一款物理實(shí)驗(yàn)軟件，該軟件具有簡(jiǎn)潔的操作界面，場(chǎng)景搭建快速、互動(dòng)方式靈活、數(shù)據(jù)精度較高，可設(shè)置無(wú)阻力環(huán)境，自帶圖表圖像功能，可以準(zhǔn)確進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，解決了探究驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的阻力等問(wèn)題。

本文利用Algodoo軟件探究上述物理現(xiàn)象和過(guò)程，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)、圖像和計(jì)算，研究機(jī)械能守恒情況。

1? 設(shè)計(jì)理念

為優(yōu)化課堂教學(xué)、創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式，根據(jù)教育新理念，以學(xué)生為主體，以機(jī)械能守恒定律為主線，逐步推進(jìn)演示四個(gè)物理過(guò)程，利用Algodoo軟件模擬分析機(jī)械能守恒定律，聚焦情境創(chuàng)設(shè)，把物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)融入到課堂細(xì)節(jié)中，體現(xiàn)教育信息化新時(shí)代對(duì)高中物理課堂的要求，提升學(xué)生科學(xué)思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)探究能力。

2? 分析準(zhǔn)備

2.1? 教材分析

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選自人教版高中物理必修二第八章第五節(jié)，此章為高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，此節(jié)在整個(gè)教材中起著承上啟下的關(guān)鍵作用。內(nèi)容重點(diǎn)是機(jī)械能守恒定律，以探究為主線，層層深入探索機(jī)械能守恒。本節(jié)是學(xué)生在物理課中遇到的抽象內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好實(shí)驗(yàn)探究習(xí)慣的有利時(shí)機(jī)，所以本節(jié)安排部分內(nèi)容讓學(xué)生自己動(dòng)手操作。

2.2? 課程標(biāo)準(zhǔn)要求

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，理解機(jī)械能守恒定律，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。體會(huì)守恒觀念對(duì)認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的重要性。能用機(jī)械能守恒定律分析生產(chǎn)生活中的有關(guān)問(wèn)題。

2.3? 學(xué)情分析

學(xué)生之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了動(dòng)能和重力勢(shì)能，具備了基礎(chǔ)知識(shí)，也學(xué)會(huì)了一些研究方法，但這時(shí)候?qū)W生們的思維能力仍然偏重于感性，抽象邏輯思維能力還不高，把這些知識(shí)綜合應(yīng)用于具體實(shí)踐，還是有一定的困難，本節(jié)內(nèi)容的難點(diǎn)是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出定律，讓學(xué)生感受到物理實(shí)驗(yàn)的神奇之處，學(xué)生們對(duì)新事物的好奇心很強(qiáng)，尤其對(duì)數(shù)字化學(xué)習(xí)資源和設(shè)備，總想得個(gè)明白，這對(duì)教學(xué)是非常有利的。

2.4? 教學(xué)目標(biāo)

物理觀念。驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，通過(guò)驗(yàn)證，學(xué)習(xí)從能量觀的角度思考一些物理現(xiàn)象。

科學(xué)思維。通過(guò)對(duì)機(jī)械能守恒定律的學(xué)習(xí)，體會(huì)研究物理問(wèn)題的抽象思維方法，知道物理研究中的科學(xué)推理，認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)研究中的作用，體會(huì)用理想化狀態(tài)近似處理問(wèn)題方法研究中學(xué)物理問(wèn)題。

科學(xué)探究。通過(guò)模擬分析實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)探究能力。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。體會(huì)用機(jī)械能守恒定律分析物理問(wèn)題的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)形成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)[ 1 ]，體會(huì)守恒思想在物理研究中的作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，樹(shù)立正確的科學(xué)觀。

2.5? 教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：探究驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

教學(xué)難點(diǎn)：通過(guò)物理情境，分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

2.6? 教學(xué)方法與教學(xué)策略

教學(xué)方法：探究法、實(shí)驗(yàn)法、分組法、演示法。

教學(xué)策略：用數(shù)字化學(xué)習(xí)資源與Algodoo軟件，逐步演示四個(gè)物理過(guò)程，讓學(xué)生理解機(jī)械能守恒定律，產(chǎn)生興趣，給學(xué)生分組，采用自主、合作、讓學(xué)生全程參與探究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力、交流合作能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，形成科學(xué)思維習(xí)慣。

2.7? 教學(xué)媒體

電子白板，電腦，Algodoo軟件，多媒體課件。

3? 探究過(guò)程分析

3.1? 課堂引入。此內(nèi)容設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生對(duì)數(shù)字化資源了解并產(chǎn)生興趣。

教師提問(wèn)：我們?cè)隍?yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)，在演示物理過(guò)程和數(shù)據(jù)處理中，哪些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致結(jié)論不準(zhǔn)確或者誤差？

學(xué)生回答：空氣阻力和摩擦力。

教師繼續(xù)提問(wèn)：知道如何避免空氣阻力和摩擦力嗎？

學(xué)生回答：不知道。

這時(shí)候教師可講解：那么我們能不能用一個(gè)不存在阻力的理想化的環(huán)境去驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律呢，答案是肯定的。機(jī)械能守恒定律是很重要的物理知識(shí)，在利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證守恒的過(guò)程中，存在一些問(wèn)題，由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式存在空氣阻力和摩擦力，所以測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)存在誤差，而機(jī)械能守恒定律中涉及到了能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，計(jì)算之后，造成的誤差會(huì)更大。Algodoo是一個(gè)模擬仿真軟件，可以準(zhǔn)確進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，能夠解決以上問(wèn)題。今天，我們利用Algodoo軟件模擬分析幾個(gè)物理過(guò)程，從實(shí)驗(yàn)和圖像中得出結(jié)論，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

教師書(shū)寫(xiě)板書(shū)內(nèi)容：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

3.2? 探究過(guò)程

（1）打開(kāi)Algodoo軟件，開(kāi)啟網(wǎng)格功能，關(guān)閉空氣阻力，新建一個(gè)小球，刪除水平面，打開(kāi)可視化功能，顯示小球受力及其數(shù)值。設(shè)置小球?yàn)殇撹F材質(zhì)，m=24.5044 kg，摩擦系數(shù)和初速度均為0，小球在重力作用下將做自由落體運(yùn)動(dòng)。顯示小球運(yùn)動(dòng)圖表，把X-坐標(biāo)設(shè)置為時(shí)間，把Y-坐標(biāo)設(shè)置為“動(dòng)能（總計(jì)）”、“重力勢(shì)能”和“總能量（總計(jì)）”，Y-坐標(biāo)的三個(gè)參數(shù)能把小球的動(dòng)能、重力勢(shì)能和總能量同時(shí)顯示在一個(gè)坐標(biāo)系中，能清楚看出能量的變化和轉(zhuǎn)化。點(diǎn)擊仿真，小球在重力作用下，開(kāi)始做自由落體運(yùn)動(dòng)。圖1和表1數(shù)據(jù)如下：

圖像和表格數(shù)據(jù)均可證明：小球在只有重力做功的過(guò)程中，做自由落體運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能在不斷增加，重力勢(shì)能在不斷減少，動(dòng)能的增加量等于重力勢(shì)能的減少量，總機(jī)械能大小保持不變，驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。

教師書(shū)寫(xiě)板書(shū)內(nèi)容：自由落體運(yùn)動(dòng)。要求學(xué)生分組演示，改變數(shù)據(jù)之后再次演示（用時(shí)應(yīng)稍多一些）。提問(wèn)學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像等數(shù)據(jù)。

此內(nèi)容設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生學(xué)會(huì)用Algodoo軟件演示自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能守恒。通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，鍛煉學(xué)生運(yùn)用數(shù)字化資源的能力。

（2）在第一步自由落體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，在初始狀態(tài)給小球一個(gè)向右的水平初速度，v=10 m/s，方向?yàn)樗较蛴遥∏虻倪\(yùn)動(dòng)就變成了平拋運(yùn)動(dòng)。打開(kāi)循跡追蹤功能并調(diào)整到合適時(shí)間。點(diǎn)擊仿真，小球在重力作用下，開(kāi)始做平拋運(yùn)動(dòng)。圖2和表2數(shù)據(jù)如下：

圖像和表格數(shù)據(jù)均可證明：小球在只有重力做功的過(guò)程中，做平拋運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能在不斷增加，重力勢(shì)能在不斷減少，動(dòng)能的增加量等于重力勢(shì)能的減少量，總機(jī)械能大小保持不變，驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。

教師書(shū)寫(xiě)板書(shū)內(nèi)容：平拋運(yùn)動(dòng)。要求學(xué)生分組演示，改變數(shù)據(jù)之后再次演示（用時(shí)應(yīng)稍多一些）。提問(wèn)學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像等數(shù)據(jù)。

此內(nèi)容設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生學(xué)會(huì)用Algodoo軟件演示平拋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能守恒。通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生從現(xiàn)象得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維和科學(xué)推理能力。

（3）在第二步平拋運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，在初始狀態(tài)把小球向右的水平初速度更改為向右上方45°方向，小球的運(yùn)動(dòng)就變成了斜拋運(yùn)動(dòng)。同樣打開(kāi)循跡追蹤功能并調(diào)整到合適時(shí)間。點(diǎn)擊仿真，小球在重力作用下，開(kāi)始做斜拋運(yùn)動(dòng)。圖3和表3數(shù)據(jù)如下：

圖像和表格數(shù)據(jù)均可證明：小球在只有重力做功的過(guò)程中，做斜拋運(yùn)動(dòng)，小球從出發(fā)點(diǎn)向最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，動(dòng)能在不斷減少，重力勢(shì)能在不斷增加，動(dòng)能的減少量等于重力勢(shì)能的增加量，小球從最高點(diǎn)向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，動(dòng)能在不斷增加，重力勢(shì)能在不斷減少，動(dòng)能的增加量等于重力勢(shì)能的減少量，總機(jī)械能大小保持不變，驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。

教師書(shū)寫(xiě)板書(shū)內(nèi)容：斜拋運(yùn)動(dòng)。教師要求學(xué)生分組演示，改變數(shù)據(jù)之后再次演示（用時(shí)應(yīng)稍多一些）。提問(wèn)學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像等數(shù)據(jù)。

此內(nèi)容設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生學(xué)會(huì)用Algodoo軟件演示斜拋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能守恒。培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

（4）研究一個(gè)物體沿光滑斜面自由下滑過(guò)程中機(jī)械能是否守恒。新建一個(gè)斜面，在斜面上新建一個(gè)物體，讓物體從斜面上自由下滑，方法略，其余設(shè)置與上一個(gè)場(chǎng)景操作類似，給物體的質(zhì)量和初速度賦值，m=0.125 kg，v=0，依次設(shè)置速度可視化、顯示速度數(shù)值、圖表X坐標(biāo)為時(shí)間、Y坐標(biāo)為動(dòng)能和重力勢(shì)能以及機(jī)械能。點(diǎn)擊仿真，小球在重力作用下，開(kāi)始沿光滑斜面自由下滑。圖4和表4數(shù)據(jù)如下：

圖像和表格數(shù)據(jù)均可證明：物體在只有重力做功的過(guò)程中，沿光滑斜面自由下滑，動(dòng)能在不斷增加，重力勢(shì)能在不斷減少，動(dòng)能的增加量等于重力勢(shì)能的減少量，總機(jī)械能大小保持不變，驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。

教師寫(xiě)板書(shū)內(nèi)容：物體沿光滑斜面自由下滑。教師學(xué)生分組演示，改變數(shù)據(jù)之后再次演示（用時(shí)應(yīng)稍多一些）。提問(wèn)學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像等數(shù)據(jù)。

此內(nèi)容設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生學(xué)會(huì)用Algodoo軟件演示物體沿光滑斜面自由下滑過(guò)程中的機(jī)械能守恒。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生經(jīng)歷了猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等簡(jiǎn)要的探究過(guò)程，有助于學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)探究的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生善于利用現(xiàn)代科技手段解決物理問(wèn)題的意識(shí)。

3.3? 課堂小結(jié)

知識(shí)小結(jié)：總結(jié)以下四種情況下的機(jī)械能守恒：自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)、物體沿光滑斜面自由下滑。

物理方法小結(jié)：建立理想化物理模型的研究方法：突出主要因素，忽略次要因素。

學(xué)生思考課堂小結(jié)內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生注意觀察學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、動(dòng)腦分析，始終以探究為主，有利于引發(fā)學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解。

4? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

讓學(xué)生分組探究，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，讓學(xué)生在教師引導(dǎo)下通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題，總結(jié)規(guī)律，體會(huì)科學(xué)的探究過(guò)程，分析概括實(shí)驗(yàn)結(jié)果，活躍課堂氣氛，優(yōu)化學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)[ 2 ]，增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究的能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力[ 3 ]。

影響教學(xué)效果的主要原因是由于時(shí)間關(guān)系舉例有些少，另外由于部分學(xué)生對(duì)數(shù)字化軟件不熟悉，操作不熟練，做的場(chǎng)景模型不太完善。

解決方法：給學(xué)生舉出更多的實(shí)例，讓學(xué)生多加練習(xí)，按照新課標(biāo)要求，進(jìn)一步突破難點(diǎn)，持續(xù)增強(qiáng)學(xué)生自主探究能力。

5? 結(jié)束語(yǔ)

利用Algodoo軟件分析驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)，減少了實(shí)驗(yàn)誤差，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，形象的展示了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生對(duì)物理過(guò)程更加熟悉，在教學(xué)上起到了較好的輔助作用。Algodoo軟件可以有效模擬出物理教學(xué)中不同條件下的多個(gè)物理過(guò)程和模型，例如光的反射、光的折射、圓周運(yùn)動(dòng)、彈簧振子、拱形橋、力的傳動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)等，能為中學(xué)物理教師提供更多更高效的教學(xué)方法，同時(shí)有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)中，對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)不易演示的物理現(xiàn)象或物理情境，我們可以利用Algodoo軟件進(jìn)行模擬分析、計(jì)算數(shù)據(jù)，從而解決實(shí)際問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 靳姍姍. 基于提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的初中物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例研究[D]. 蕪湖：安徽師范大學(xué)，2014.

［2］ 馮璐，孫忠軍. 基于微格教學(xué)的生物演示技能分析[C]. //中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)微格教學(xué)專業(yè)委員會(huì)第十九屆年會(huì)論文集. 2016：94-97.

［3］ 朱雨晴. 微課在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].遼寧師范大學(xué)，2021.