物理沙盒“Ｐｈｕｎ”及其在教学中的应用

陈　乐　罗冬梅

物理学是一门以实验为基础的学科，实验几乎贯穿了物理学习的整个过程。Phun是面向中学物理教师和学生的一个全开放性的物理仿真实验平台和课件制作工具，是物理教师的得力助手。

一、Phun软件概述

1．Phun软件简介

Phun是瑞典一所大学计算机专业硕士Emil Ernerfeld为其导师Kenneth Bodin写的一个程序，也是他的毕业设计作品，其开发目的是为了让物理教学和研究更直观有效。英文名称是“2D Physics Sandbox”，即“二维物理沙盒”。Phun是一款免费软件，同时提供了Windows、Linux和MacOS三个版本，可以到http://www.phunland.com/wiki/Download免费下载。

2．Phun软件的功能

以Phun3.5版为例，在该软件的工具箱中包含了9个工具，分别是画笔（Brush），拖动（Drag）、平面(Plane)、圆形（Circle）、方形（boX）、链条（chaiN）、弹簧（Spring）、固定（Fixate）、铰链（Hinge），其中大写字母代表该工具的快捷键。

画笔是Phun中最灵活也是最复杂的工具，在使用过程中，笔者总结出画笔工具的五种用法，具体为：随意拖动鼠标可画出一个形状不规则的物体；通过圈选，可以选中已有的物体；在已有的物体上画线可以删除该物体；鼠标左键可选中物体，按住Ctrl键可以进行多选，单击空白处可取消选择；左键拖动可以改变物体的位置，按住Ctrl拖动可以复制该物体。

拖动工具可以在运行状态中抓住物体，对其施加一个力，从而改变物体的运动状态。平面工具、圆形工具、方形工具、固定工具的用法比较简单，无需赘述。铰链工具附带马达，只要设置相应的参数，就可以让铰链转动起来，通过铰链工具我们就可以轻松搭建像汽车、活塞这样的传动装置。链条、弹簧等工具将在后面的具体实例中进行介绍。

此外，鼠标滚轮可以缩小和放大视图，鼠标右键可以移动视图，旋转该物体，右键单击还可以打开参数菜单，如物体有摩擦系数、弹跳系数和密度，铰链有马达转速和马力，弹簧有劲度系数和阻尼系数等。

二、Phun在物理教学中的应用

1.帮助教师制作物理动画

中学物理是一门介绍物质结构和运动规律的学科,在应用多媒体课件进行物理教学时,课件中制作精美的动画,能把物理学中的一些抽象概念、复杂原理,用高度简化的手法加以形象化,从而准确、深刻地诠释了物理现象和物理规律,使一些不易理解的知识点变得浅显易懂,从而启迪学生思考,激发学生深入探索物理知识的精神。

对物理教师而言，可以用来制作动画的软件有很多，如PowerPoint、Authorware、Flash等。而这些软件都属于通用的课件开发工具，并没有针对物理学科的特点进行优化，因此用来制作物理动画常常费时费力。

和这些软件相比，用Phun来制作物理动画无需编程、既简单又精准。

2.为学生提供物理仿真实验平台

物理是一门以实验为基础的学科，物理学所表达的定律，绝大多数是用实验探索得出来的，也就是通过大量实验进行观察，取得数据，再加工整理，运用精辟的数学工具，将大量的数据上升为规律。Phun是趣味性很强的自主学习物理仿真实验平台。学生可以用它来验证课堂所学的物理规律，通过仿真实验加深对物理规律本质的理解。更为重要的是，Phun中虚拟实验环境可以由学生自己来搭建，学生都可以在教师的指导下准备好虚拟实验器材，自主探究诸如惯性现象、滑动摩擦、弹性碰撞等问题。此外Phun还可以做没有重力、没有摩擦力、没有空气阻力等情形下的理想实验。这对于帮助学生获取感性认识，促进知识迁移，以及培养抽象思维能力都是大有裨益的。再次，用Phun做物理仿真实验能节约实验成本，缩短实验准备的时间，可以作为实物实验的辅助手段和有益补助。因此，笔者认为，随着理实一体化教学模式的推荐，将Phun引入物理实验教学，将仿真实验和实物实验相结合，是一种切实可行、简单有效的方法。

3.培养学生的创新思维和创新能力

新课标的改革核心是创新能力的培养，创新思维下的物理教学，而Phun的核心价值就是能够培养学生的创新思维和创造力。Phun提供了各种形状的物体、铰链、弹簧等基本的零部件，有了这些基本零部件，学生就可以发挥奇思妙想，像搭积木那样设计出具有特定功能的复杂装置，如昆虫机器人、自动洒水车、火箭弹射器等。学生可以在Phun的仿真环境下测试这些装置，观察其运动状态，对原先的设计进行改良，并在条件允许的情况下制作出实物模型。Phun的这一应用和机器人竞赛有异曲同工之妙，但机器人竞赛投入大、成本高，只有少数学生可以受益，而Phun是免费的，可以让每一个学生体会到创造发明的乐趣。

三、Phun的具体教学实例

下面通过坦克履带的制作来阐述Phun软件在教学中的具体应用。

本例从一个最简单的轮子开始，一步一步最终制作出一个能自由跑动的坦克履带，综合运用了画笔、圆形、铰链、方形、链条等工具，其中涵盖了物体组装过程中的各种操作技巧。实例中转动的轮子是各种运动装置的基础，有了轮子就可以完成汽车、活塞等复杂传动装置。

其制作步骤如下：第一，用圆形工具画两个圆（按住Ctrl拖动可以画出两个相同的圆），用矩形工具画一个横杆，使横杆两头位于两圆的圆心。第二，在两圆圆心处各安一个铰链，拖动横杆看铰链是否跟动，此步是关键。如果铰链没有跟动，应移动铰链的位置或者删除后重画铰链。第三，同时选中两个铰链，右键打开参数菜单，勾选马达选项并给予一定的转速和动力。至此两个转动的轮子便做好，可以按下空格键查看效果。第四，在轮子上方画一条链条（模拟坦克的履带），长度应能围住两个轮子，删去链条起点处的第一个铰链，按下空格键使链条坠落，当链条围住轮子时再次按下空格键暂停。第五，将铰链的最后一节拖至第一节处，用铰链将两者连在一起。如果单击无法选中单个铰链，可以在放大视图后用笔刷工具将其圈选。最后将链条的摩擦系数调大，至此，坦克的履带便制作完成（见下图）。

利用Phun软件进行物理教学，打破了课堂教学开展实验条件的限制，弥补了课堂教学的不足，使得枯燥的物理教学变得生动，激发了学生学习的热情与兴趣。但Phun这款软件也存在一定的局限性，就目前已有的最高版本而言，它的功能还不十分完善，如无法精确设定物体的初速度，无法绘制平滑的曲线等，希望能在今后的版本中得到解决。

目前，在互联网已经悄然兴起了学习和使用Phun的热潮，全球最大视频网站Youtube开辟了Phun专栏，Phun的官方网站已收集到5600多件作品，这为学习使用这款软件提供了很好的参考。然而，到目前为止，笔者还没有看到国内有关于Phun在教学中应用的研究成果发表，希望通过本文的讨论，抛砖引玉，吸引更多的国内教育界的同行关注这款软件，并积极参与到Phun的实践开发与教学应用研究中来。

参考文献

[1]Kenneth Bodin.Phun - visual and interactive 2D physics[EB/OL].＜http://www.vrlab.umu.se/research/phun/,2008-02-12＞.

[2]Emil Ernerfeld.Phun Recent Changes Random [EB/OL].＜http://phun.cs.umu.se/wiki/Tutorial/, 2008-03-28＞.

[3]王蕊,李燕临.动画在中学物理多媒体课件中的设计与应用[J].中国教育信息化,2008，(6)：45-46.

[4]王民英.“多媒体仿真实验”在物理教学中的实践与思考[J].甘肃科技纵横,2008,37(2)：144-145.