以游戏编程方式学习物理知识

于方军

对于物理原理和概念的理解，如果从学生喜欢玩的游戏入手，让学生利用Scratch这种简单的图形化编程工具进行游戏的设计，或者是通过修改游戏参数，来观察物理现象，分析物理问题，验证物理规律，学生应该更容易理解。并且对于不能直接观察的一些微观现象，还可以通过虚拟仿真的方式加以模拟和体现。

本案例的设计旨在通过一个米奇奔跑的小游戏，让学生理解机械运动、参照物、运动和静止的相对性，使他们在调节程序中的参数的同时，也对物理现象进行观察、分析和验证。

● 问题的提出

“咱们来看看下面这个例子：于老师静静地坐在从淄博到北京的动车上睡着了，两个多小时后等于老师醒来时，火车已经到达北京，那么在这个过程中于老师“运动”了吗？如果说于老师动了，对面的乘客会反对说于老师一直坐在那里睡觉，如果说没动，那于老师怎么能从淄博来到了北京呢？”

我通过问题式的导入方式，引起学生对物理现象的观察和思考。

● 游戏脚本的设计

下面就让我们来类比一下在高铁上的情境，在高铁上我们看到周围的树在向后走，而站在轨道旁的人则觉得我们向前走，树并没有移动。我们将树和米奇这两个角色放置在舞台上，如图1所示。

接下来是米奇的程序，可以通过上移键和下移键来控制米奇的前进速度，不难发现变量n越大，米奇运动越快（如图2）。

运用类似的方法我们可以模拟以米奇为参照物，树“向后”移动的场景。用变量m表示树的速度（如图3）。

接下来，学生就可以通过程序来辅助学习参照物的概念了，学生的角色可以有两种，一种是参与编程和建模然后加深对概念的理解，另一种是仅仅使用这个Scratch课件，回答问题。

● 用游戏编程研究物理现象

课程设计的一个重要原则就是要保证学生的参与，本节案例采用“导入角色→调整参数→研究物理现象”这样的步骤进行。在研究物理现象的同时，学生须完成游戏研究报告，研究报告设计按照“观察现象→分析问题→验证结论”的步骤完成。如果学生设计程序的水平不高，可以让学生直接导入带有程序脚本的角色，然后回答以下问题。

1.入门：米奇运动的探究

导入米奇角色，我指导学生看清图的场景设置及人物状态，完成如下问题。

（1）观察现象

程序没有启动时，米奇在舞台中的位置 （填“变化”或“没有变化”），米奇 （填“静止”或“运动”）。

当启动程序时，通过按下“上移键”使得n值增加，米奇在舞台中的位置 （填“变化”或“没有变化”），米奇 （填“静止”或“运动”）。

（2）分析问题

我们是通过观察米奇在舞台中的 变化，来判断米奇是运动还是静止。

（3）验证结论

在物理学中，我们把一个物体相对于另一个物体位置的变化叫做机械运动。

2.进阶：对参照物的探究

什么是参照物呢？参是参考的意思，照是对照的意思。我们日常生活中经常使用这个概念，如“明明”比“长江”高，长江就是参照物，“博尔特”跑得比“兔子”还快，兔子就是参照物，上面例子中我们给米奇安排的“参照物”是舞台。

在物理学中，我们判断一个物体是运动还是静止，要看以哪个物体作为标准，这个被选作标准的物体叫做参照物。接下来我们可以导入树角色，完成对运动和静止相对性的探究。

导入树的角色，当米奇跑到舞台中间时将n值调整为0，这时候米奇会在在舞台上原地跑动，调整m的值（程序设计用W、S键），树向米奇相反的方向运动，完成如下问题。

（1）观察现象

当m、n的值调整为0时，米奇在舞台上原地跑动，米奇在舞台中的位置 （填“变化”或“没有变化”），米奇相对于舞台来说是 （填“静止”或“运动”）。

通过按下“W”键，使得m值增加，米奇相对于树的位置 （填“变化”或“没有变化”），米奇相对于树来说是 。（填“静止”或“运动”）

（2）分析问题

米奇相对于舞台来说是 ，相对于树来说是 。（填“静止”或“运动”）

（3）得出结论

物体的运动和静止是相对的，描述物体的运动情况时，首先要选定参照物。参照物可以根据需要来选择，如果选择的参照物不同，描述同一物体的运动时，结论一般也不一样。

设计不同情境，设定不同参照物，让学生根据不同参照物判断物体运动和静止的情况，可以加深对运动和静止的相对性理解。

3.提升：观察与思考

游戏中藏在树后“伺机而动”的小猫，如果选择树为参照物它是 ，如果选择米奇为参照物它是 。

分析： 如果以树为参照物，小猫是静止的，因为小猫相对于树的位置没有变化，如果以米奇为参照物，小猫是运动的，因为小猫相对于米奇的位置发生了变化。

● 结语

本程序是用编程的方法，通过建模和仿真，来提升学生对程序和物理概念更加深入的理解。孩子的想象力是无限的，给出更多的素材培养他们的想象力和创新能力是教育的一个重要方向。这种创造性的活动更能加深学生对物理知识理解的深度。在对游戏主题自我理解的基础上，添加自己的角色（可以自选素材，也可以用提供的“猫”素材），编辑脚本深入探究，体验创造的快乐。建模和仿真，也是信息技术实验的一种典型的研究方法，仿真并不是简单地模拟真实生活，很多时候，通过建模会有意想不到的收获。例如，在本案例中，如果对米奇的代码稍加修改，学生就可以“发现”加速运动的规律，我们期望这种“惊喜”能够常常在课堂上闪现，这也是STEAM教育的旨趣之一。