Algodoo的发展及教学应用

王辞晓+++江婧婧+++李静

【摘 要】信息技术的发展，给课堂教学带来了更多可能。Algodoo作为物理教学软件极大地提高了物理教学的效率和趣味性。本文梳理了目前Algodoo在国内外课堂教学中的应用，采用案例分析法，对Algodoo这一信息技术与课堂整合的应用案例和建构主义教学理论下的Algodoo应用案例进行了分析。并将Algodoo与当下广泛使用的WISE、几何画板、Scratch教学软件进行了对比分析。最后，本文总结了Algodoo用于课堂教学的优劣势与局限，最后为其未来发展提出建议。

【关键词】Algodoo；课堂教学；案例分析；信息技术与课程整合；物理

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2017）01-0070-04

2001年颁布的《基础教育课程改革纲要（试行）》中明确提出要全面推进素质教育；教育部从2003 年启动了普通高中新课程改革，将技术课程（包括信息技术和通用技术）列为普通高中学生的的必修课；《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中强调提高学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力；《2015地平线报告（初等教育版）》提到，未来1～2年运用STEAM教育推行信息技术在教育中的整合，提倡混合式学习。很多学校在推行信息技术与课程整合的过程中，存在教学资源不足、硬件设备不完善等问题，大部分选修模块无法开设。在这样的背景下，Algodoo 这一趣味仿真实验平台走进了我们的视野，为更好地开展通用技术课程提供了有力的技术支持。

Algodoo的发展

1. 国外发展

Algodoo（译名“爱乐多”）是一款2D仿真虚拟物理实验软件，其英文名称是“2D Physics SandboxAlgodoo”，即“二维物理沙盒”，开发目的是使物理教学和研究更直观有效。Algodoo适用范围广，鼓励学生发挥创造力，并能够突破收费和编程知识缺乏等障碍。

以“Algodoo”为关键词在外文文献数据库、谷歌学术等平台检索，得到的文献资料大部分为对Algodoo及其他物理仿真实验软件的新闻报道类资料，仅有少部分是针对Algodoo进行探究的。斯坦福大学的Tamar等人在第12届互动设计与儿童国际会议（International Conference on Interaction Design and Children，2013）的论文中提出，在利用Algodoo等虚拟建模工具进行教学活动时，学生参与建模会提高其元表征能力。巴西维多利亚大学的Samir L. da Silva等人利用Algodoo设计了物理的抛体实验教学活动，教师引导学生通过控制角度和速度来观察小球的运动轨迹，通过模拟实验让学生对平抛有更形象的理解，同时锻炼其分析归纳能力。Samir L. da Silva还介绍了其团队利用Algodoo进行布朗运动实验的模拟和数据计算过程，并提出Algodoo可以作为教师向学生展示物理实验的教学工具，也可以作为高年级学生分析物理实验数据的学习工具。斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学的Bor Gregorcic（2015）利用交互式电子白板设计课堂活动，通过让学生在电子白板上用手操作Algodoo来模拟天体运动。

2. 国内发展

目前，Algodoo在中国大学以及中小学物理教学中的应用正在起步。淮阴师范学院的陈乐老师利用Algodoo进行了拱桥受力的物理模拟实验，设计对照实验活动，帮助学生了解拱桥设计原理。北京师范大学的韩蔚、项华老师与北京景山学校的吴俊杰老师将Algodoo软件应用在“数字科学家”课程中，以介绍伽利略斜面实验和天体运动实验，进行了物理、数学、信息技术学科相结合的游戏化学习设计。江苏省海安中学的黄伟老师（2012）利用Algodoo进行小球抛体、数学摆线、弹簧运动等物理实验模拟和数据分析。江苏省南通大学附属中学的沈军老师将Algodoo应用在气体的模拟实验中。湖北省武钢三中的朱广林老师对Algodoo在物理学中的应用进行了示例列举。贵州师范大学的张觉老师（2015）将Algodoo用于抛体运动的课堂教学。山东省章丘一中的王清老师利用Algodoo模拟牛顿第二定律和动量守恒定律的实验，以趣味性的视觉效果展现物理原理。

Algodoo的教学功能

1. 基本功能

Algodoo软件界面如图1所示，主要由场景工具面板、属性面板、工具面板、工具选项面板、模拟仿真控制面板构成。Algodoo可以作为教学演示工具、建模工具、分析解释工具、在线交流和反思工具。

Algodoo具有丰富的场景和仿真实验控制、演示等功能；能够精确形象地模拟实验，可以直观地观察到实验现象，有助于学习由感性认识上升到理性认识，实现知识的迁移；能够创建各种物理元件，如固体、液体、齿轮、弹簧、光线与透镜等；可以设置其材质及相关参数，如质量、密度、摩擦因素、弹性、折射率等；模拟各元件在重力、摩擦力、弹力、浮力、空气阻力的作用下相互影响，实现精度很高的物理仿真实验；Algodoo还可以实时显示物体运行轨迹、受力和速度等物理特征量，使数据分析动态可视化。

2. 应用领域

Algodoo适用于8岁到大学阶段的学生，基于真实的物理模拟以最有效的方式激励学生记住所学的知识，使枯燥的课程变得有趣且易学，增强了学生的学习积极性。它的内置课程以简洁的形式表示抽象概念，方便教师教学，适合专注于STEM的政府机构或教学组织使用。它主要可应用于物理学科几何光学、力学、电磁学、热学等知识的教学，如可以呈现光通过界面发生的反射、折射等物理现象，通过设计来模拟多种受力实验以及模拟液体分子的布朗运动等。

课堂教学应用案例

1. Algodoo作为教学技术与课程整合

将Algodoo应用于课堂教学之中，体现了将信息技术与课程整合的理念，即信息技术主要作为一种工具、媒介和方法融入教学的各个层面中，包括教学准备、课堂教学过程等。目前，各位教师和研究人员都是将Algodoo作为教学技术与课程整合起来。斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学的Bor Gregorcic利用交互式电子白板设计高中物理教学活动，通过让学生在电子白板上动手操作Algodoo来模拟天体运动，从而验证开普勒定律。

首先，教师根据开普勒三大定律进行实验设计，在课前建立太阳系模型并绘制天体运行轨道。在课程的一开始，利用电子白板向学生展示太阳系模型，引起学生们的注意和兴趣。接下来，教师邀请学生在电子白板上绘制天体，并辅助学生设置天体的参数（如天体质量、速度等），引导学生进行天体的操作，使其能够围绕太阳运动。之后，教师绘制多个天体，使其围绕太阳运动，带领学生观察实验，帮助学生利用Algodoo提供的数据分析功能，引导学生讨论天体运行的规律。最后，教师对实验过程进行总结，结合实验现象归纳开普勒三大定律，进行知识点的巩固。

2. 建构主义教学理论下Algodoo的应用

Algodoo在构建情境性学习方面也有较多的应用。陈乐将Algodoo引入主题为“赵州桥”的高中通用技术课堂，创设一定的情境，具体实施过程包含以下几个阶段：（1）提出问题。师生共同讨论后确定研究的切入点。（2）制作模型。学生在教师的指导下设计方案，并制作仿真模型。（3）归纳解释。学生对仿真实验结果做出合理的解释。（4）最后进行模型的优化改进，从中总结拱桥受力原理。

在传统教学中，教师一般在教学之初先讲解所要学习的概念和原理，而后再让学生去做一定的练习，尝试着去解答有关的习题。建构主义认为，学和做、知识的获得和知识的应用是可以合二为一的，学习者可以在“做中学”，“通过问题解决来学习”。探究式学习就是学习者通过发现问题和解决问题而建构知识的过程，以问题为中心进行学习是各种探究式学习活动的核心思路，有利于帮助学生提高灵活应用知识的能力，形成有效的问题解决和推理策略，并发展他们的自主学习技能。

已有不少教师将Algodoo应用于探究式学习。例如，巴西维多利亚大学的Samir L. da Silva等人利用Algodoo设计了高中物理的抛体实验教学活动，引导学生通过控制角度和速度来观察小球的运动轨迹，使学生探究并发现平抛运动的规律。

Algodoo与其他教学软件的对比与借鉴

1. Algodoo与WISE

WISE 是Bell 和Marcia Linn 教授在美国国家教学基金会的资助下主持的“知识整合环境”研究计划的主要成果。WISE的整个平台建设得很完善，按照用户角色的不同而有不同的功能模块。表1是Algodoo与WISE的比较分析。

2. Algodoo与几何画板

几何画板是适用于数学、平面几何、物理的矢量分析、作图的动态几何工具。总体来说，几何画板在我国的使用范围要比Algodoo广，经过分析得出了以下三个可能的原因：（1）教育部门的大力推广，几何画板是全国中小学计算机教育研究中心推广使用的软件之一；（2）几何画板比Algodoo操作更加简单，不会给广大的教育工作者造成较大的负担；（3）在当前应试教育体制下，数学作为一门主要学科，受学校和教师重视的程度较高。表2是Algodoo与几何画板的比较。

3. Algodoo与Scratch

Scratch是由麻省理工学院（MIT） 设计开发的一款面向少年的简易编程工具。如表3所示，Algodoo相比于Scratch在国内尚未广泛流行的原因有以下几点：（1）操作难度高：Algodoo元件有不同的属性和参数，需要设置才能够实现模拟实验，而Scratch元件设置简单，重在培养学生的逻辑思维能力；（2）应用领域窄：Algodoo主要适用于物理领域，而Scratch则因具有丰富的多媒体功能和便利的操作而适用于数学、音乐、艺术等多个领域；（3）教学活动设计难度高：Algodoo应用于教学活动中，需要教师进行大量的准备工作，在设计教学活动尤其是情境创设这类活动时难度较大，而Scratch则可以设计有趣的小故事引导学生进行参与，通过丰富简单的功能实现有趣的效果。

小 结

1. Algodoo的优势

第一，实验模拟促进高效教学。 Algodoo可以对物理、数学等领域进行实验的模拟，在熟悉软件使用后，可以为教师节约实验准备的时间，将更多时间投入到教学活动设计中。

第二，动手搭建培养学生探索能力。Algodoo中的虚拟实验环境可以由学生自己来搭建、改进，有利于培养学生的动手能力和探索能力。

第三，能够激发学生对实验操作和知识探究的兴趣。Algodoo无论是界面还是功能设计，都能够激发学生对实验操作和持续进行知识的兴趣，能够有效地提高课堂效率，同时把课堂延伸到学生的课余时间。

2. Algodoo的局限

一是技能要求较高。Algodoo虽然包含丰富的功能，但对大部分物理教师而言，设计出符合物理实验要求的仿真实验，需要一定的操作能力。

二是教学活动设计难度高。在设计教学活动时，需要综合考虑Algodoo在教学中的应用，不能只把其作为实验演示工具，还应作为合作建模工具，让学生参与实验模型的搭建。

三是国内缺乏讨论和共享的平台。国内受限于语言、网络等因素，无法充分利用国外这一社区平台，同时又缺乏国内的社区平台。

（基金项目：北京市教育科学“十三五”规划2016年度重点课题“基于游戏化学习的教育教学实践研究”（编号：CAHA16052））

（作者单位：北京大学教育学院）