游戏在中学物理探究式教学中的应用*——以“斜抛运动”为例

徐连荣谭 伟崔光佐

（1．北京师范大学 知识工程中心，北京 100875；2．聊城大学 传媒技术学院，山东聊城 252059）

游戏在中学物理探究式教学中的应用*
——以“斜抛运动”为例

徐连荣1,2谭 伟1崔光佐1

（1．北京师范大学 知识工程中心，北京 100875；2．聊城大学 传媒技术学院，山东聊城 252059）

斜抛运动是高中物理教学的难点，按照常规讲授式教学，难以产生对这一运动规律的深度理解。为解决这一教学问题，基于“愤怒的小鸟”这一游戏，设计问题情景，通过学生自主探究，自主发现斜抛运动的规律。实验选取北京市门头沟区某高中的两个班共计74名学生开展了同课异构的对比教学活动，结果显示：（1）学生在基本知识、基本技能的掌握上没有差别；（2）在斜抛运动的深入理解上，两个班级的学生得分具有统计学上的显著差异性，且实验班的学生平均得分要高于控制班的学生平均得分。与常规讲授式教学相比，使用游戏进行探究式教学，学生不但可以掌握关于斜抛运动的基本知识与技能，还可以获得对这一运动规律的深度理解。

游戏；探究式教学；愤怒的小鸟；斜抛运动；深度理解

引言

使用游戏促进学习并不是一个新的现象。不论是东方还是西方，“学”与“玩”总是关联在一起，出现了许多益智类游戏。例如，中国自古便有“寓教于乐”的传统，出现了围棋、七巧板、九连环、华容道等游戏；而西方也出现了魔塔、独立钻石棋、魔方等游戏。参与这些游戏不但需要一定的智力，还需要一定的技巧，可以很好地提高参与者的推理与决策能力。现在随着多媒体技术的不断发展，原有的古老游戏找到了新的载体，把这些新形式的游戏用于教育目的是一件新鲜事。教育游戏既不是纯粹的游戏，也不是教育与游戏的简单相加[1]，有待进一步探索其理论与应用研究。

一 游戏与教育

游戏没有一个准确的定义，不同的游戏有着不同的设计开发理念[2]，给游戏下定义是一件非常难的事情[3]。绕过给游戏下通用定义，Roger Caillois[4]通过分析大量的游戏，提出了游戏之所以成为游戏的六个关键属性:Free（自由性）、Separate（时空隔离）、Uncertain（不确定性）、Unproductive（无有形产出）、Governed by rules（基于规则）、Make-believe（虚拟信念）。当然，列举的这些特性只是笼统的归纳，并不要求一个游戏必须具备上述所有特性。实际上，由于游戏在设计及技术实现上的多样性，很难形成一个面面俱到的定义。

20世纪80年代，游戏的教育价值开始得到重视，一些研究者开始进入这一领域的研究[5]。同时，由于电子技术与计算机技术的发展，开始出现以电视或计算机为载体的视频游戏。Pac-Man这一游戏的出现开启了用于教育目的视频游戏的先河[6]。现有的研究中，相关文献大体包括以下几个方面:发展综述、理论探索、设计方法、技术工具、应用实践以及调查分析等[7]。技术工具与应用实践类的研究较少，在这两类较少的文献中，大多偏重于严肃游戏研究，关于教育中使用商业游戏的研究较少。

用于教育目的的游戏可以分为两类，一类是商业游戏，另一类是专门设计的严肃游戏[8]。严肃游戏专门用于教育目的，符合教育规范，为学习者提供学习材料与交互工具。在无法即时获得适用于教学内容的严肃游戏的情况下，可以选择合适的商业游戏。首先，虽然商业游戏强调娱乐性，但其提供的情景是外部真实世界的投射，这些情景仍遵循客观世界的规律。其次，游戏的操作结果不具有危险性，使用者可以使用多种策略、多种方式来尝试解决问题。已有一些学习专家指出，合理使用商业游戏可以促进学习者判断、问题解决、创造性思维、批判分析思维等高阶思维的发展[9]。实践上也有了采用商业游戏进行领域知识教学的先例，例如SimCity、Second Life、Civilization等游戏已被用于管理与城市规范等领域的教学[10]。

我国中小学教育正在从重视基础知识、基本技能的“双基教学”，向重视学生能力的基础知识、基本技能、基本思想、基本活动经验的“四基教学”转变[11]。恰当地使用游戏，为这种转变提供了契机。

二 物理课堂中应用“愤怒的小鸟”促进双基教学

斜抛运动一直都是中学物理教学的难点。虽然在高中物理教学中有小球的平抛实验，但这种纯物理实验缺乏趣味性、交互性，学生基本上是按实验指导书机械完成实验，缺乏探究过程[12]。由于这一运动涉及变量较多，关系复杂，学生难以在短短教学时间内掌握这么多的内容。另外，学生还会倾向于机械记忆公式，弱化对这一运动规律的深度理解。教师个人开发的专门游戏往往比较简单，虽可满足基本知识与基本技能的教学目标，但难以营造良好的探究环境来促进学生思维能力的提高。在这种情况下，经过精心设计，可以把“愤怒的小鸟”这一商业游戏整合到物理教学的过程中，在物理知识与外部世界之间搭建一座沟通的桥梁。学生可以通过这一桥梁来研究物理规律，体验物理科学的魅力，激发内部动机。

研究“愤怒的小鸟”游戏中的斜抛运动，首先要采集小鸟的位置坐标。小鸟在斜抛过程中位置坐标随时间变化，无法即时获取坐标数据，所以需要转化一下，把小鸟的飞行过程使用屏幕录制软件录制为视频，再对视频进行坐标数据采集。屏幕录制软件推荐使用Camtasia Studio。在屏幕录制过程中需要注意的是，如果游戏的窗口无法完全容纳小鸟的飞行轨迹，游戏画面会自动缩放以容纳全部轨迹，导致录制下来的轨迹不是一条真正的小鸟飞行路径，因此需要预先发射几次小鸟，根据上一次的轨迹情况调整窗口大小，使游戏窗口可以完全容纳小鸟的飞行轨迹。

对视频的每一帧进行分析便可得到一系列小鸟的坐标。Camtasia Studio生成的视频默认帧频为30，即每秒包含30帧图像，整个小鸟的飞行过程约为3秒左右，所以共需采集的位置坐标约为30×3=90个左右。手工采集大量的坐标数据是一件枯燥重复的工作，并且还会带来测量误差，而计算机程序恰恰胜任这类重复有规则的操作，Tracker Video Analysis就是这样一个工具软件。Tracker Video Analysis是一个基于开源物理开发框架（Open Source Physics，OSP）基础上的开源软件，可以对多种物理运动进行建模分析。由于在游戏中小鸟具有固定的大小、形状，并且与背景具有较大的反差，所以通过软件提供的自动追踪（Auto Tracker）功能可以把每一帧中的小鸟从背景中自动识别出来，并获取其位置坐标。因为帧间隔为1/30秒，在这极短的时间里直接相邻的两帧内小鸟的位置变化很小，逐帧采样误差较大，因此这里采用每2帧采集一个位置坐标的方式进行采样。本示例中共采集到40个采样点。

Auto Tracker功能避免了重复的鼠标点击，并且提高了数据的采样精度。这一处理过程中某一时刻对图像的处理如图1所示。

图1 Auto Tracker采样处理

图1中以弹弓的发射点为原点，建立二维坐标系；1.0表示小鸟发射时离地的高度，被定义为1个标准单位；v0、vx、vy分别表示小鸟发射时的速度、水平速度分量与竖直速度分量；θ表示发射速度方向与水平方向的夹角；红色菱形表示连续的若干帧中识别出的小鸟的位置。

采集小鸟的位置坐标后，Tracker Video Analysis会自动计算出每个采样点的水平速度、竖直速度、动量、动能等参数。小鸟的水平位移、水平速度分量在各采样点的数值如图2、图3所示。

图2 水平位移的变

图3 水平速度的变化

图4 竖直位移随时间的变化

从图2中可以观察出小鸟的水平位移随时间线性变化，即小鸟的水平速度分量保持不变。图3中的水平速度分量图示也反映了这一趋势。竖直方向上的位移随时间的变化是一条抛物线，如图4所示。使用软件提供的分析功能（Analysis）对竖直速度分量进行线性回归分析，得到线性拟合方程为vy=-2.50t+3.15。根据线性方程，小鸟发射时竖直速度分量的初始值为3.15单位/s，加速度为-2.5单位/s2，即竖直速度分量按每秒钟减小2.5单位/s的规律变化。

同样使用分析功能，得到水平速度分量、水平位移、竖直位移的拟合方程。其中水平速度分量的加速度为-0.01单位/s2，比水平速度初始值（4.40单位/s）小2个数量级，并且水平速度各采样值的统计标准差为5.24×10-2，变动非常小，排除测量误差因素，可以认为小鸟的水平速度分量为一恒定值，即4.40单位/s。

三 物理课堂中应用“愤怒的小鸟”进行探究式教学

基于“愤怒的小鸟”这一游戏建立斜抛运动的模型，完成数值采集及运动过程分析后，教师可以进一步提出具有一定难度的探究性问题，鼓励学生进一步思考，使学习不仅仅停留在了解事实与记忆公式的层次，而是达到对斜抛运动这一物理运行规律的深度理解。探究性问题要具有一定的难度、发散性，并且要富有趣味，使学生在探究过程中巩固基础知识与基本技能，并且促进批判分析思维、创新思维与问题解决等高阶思维的发展。

可供参考的一些探究性问题:

（1）如果“愤怒的小鸟”的游戏场景发生在地球上，请推测小鸟的高度。

（2）如果游戏场景发生在一个和月球大小类似的星球上，请推测这个星球的密度。

（3）如果游戏中的小鸟与地球上的公鸡大小类似，请比较游戏场景中的重力加速度与地球的重力加速度的大小关系。

上面三个探究问题的共同特征是题目本身没有提供可供问题解决的直接线索，甚至没有提供与解决问题相关的数据，但解决问题所使用的知识又没有超出学生已有的知识范围，学生仅具备知识无法解决此类问题，即简单地运用规则无法获得问题的解。

探究问题的目的不是让学生通过解决这些问题来发现科学原理或指导生产，而是让学生在解决问题的过程中巩固知识技能，促进高阶思维能力的发展，并产生能够引导学生后续思维行为的认知策略。学生解决问题的过程比获得问题的解更重要。解决问题的过程就是一个产生新的学习的过程，此过程中产生的认知策略能使学生解决同类或相似的问题[13]。

四 使用游戏的探究式教学与常规讲授式教学的对比实验研究

1 实验对象

选取北京市门头沟区某高中两个班级开展实验对比研究。班级A男生21人，女生14人，共35人；班级B男生21人，女生18人，共39人。班级A为控制组，在教室中使用常规教授式教学；班级B为实验组，在多媒体计算机教室使用游戏进行探究式教学。

2 实验材料

实验材料包括学习单两份，以及配备好“愤怒的小鸟”游戏视频与软件Tracker Video Analysis的计算机教室一个。

我蹑手蹑脚地走上阳台，生怕惊破了这场难得的精神“艳遇”。远远看去，昙花那海带状的绿叶上，一朵朵娇嫩的花蕾似乎正在微微颤动着。那白玉般的花苞徐徐绽开，鹅黄色的花蕊悄悄地探出花苞，有如初降生的婴儿满带着好奇打量着眼前的世界。渐渐地，片片花瓣如电影中的慢镜头一般完全展开，展现给我的是一种惊世骇俗的美丽！我不敢用手，只能用一种满含温柔的目光轻轻地触摸着它们。

学习单一包含两个问题，用于测试两组学生对斜抛运动的前置知识的掌握情况，分析是否存在显著性差异。使用的问题如下:

问题1:一个滑块在光滑平面上直线匀速滑行，速度为10m/s，经过5秒钟，运动的距离是多少米？

问题2:以初速度9.8m/s的速度竖直向上抛出一个小球，经多长时间小球到达顶点？

学习单二也包括两个问题:第一个问题用于测试两组学生在基本知识、基本技能的掌握上是否存有显著性差异，第二个问题用于测试两组学生在斜抛运动的深入理解上是否存有显著性差异。使用的问题如下:

问题1:青蛙进行远距离跳跃时，与地面的夹角通常为45度角，如果青蛙想跳过2米宽的小河，最小初速度是多少？

问题2:一位铅球运动员的最大铅球出手速度是15m/s，球离手时离地面的高度是1.5米，请问如何才能把铅球推得最远？

3 实验过程

在正式上课前，使用自由时间要求两个班级完成学习单一，然后分析完成结果是否存在显著性差异——如果存在显著性差异，则需要更换实验班级；如果不存在显著性差异，则对选定的实验组学生培训软件Tracker Video Analysis的使用。

4 数据分析

（1）学习单一的结果分析

斜抛运动的前置知识是水平匀速运动与斜抛运动，学习单一的目的是检测两组学生对这两种运动的掌握程度，分析是否存在显著性差异。如果存在显著性差异，则不能使用这两个班级开展实验。结果表明，除个别学生的计算性错误外，实验组与控制组均成功解决了学习单一上的两个问题，不存在显著性差异，可以使用选定的两个班级开展实验。

（2）学习单二的结果分析

学习单二中的问题1满分为10分，用于检测学生对基本知识、基本技能的掌握水平。此问题考查学生是否可以运用斜抛运动公式解决问题，因此计算结果无论正确与否，只要公式全部正确便得满分10分，如果有部分公式错误酌情扣分。

学习单二中的问题2用于检测学生是否对斜抛运动有深度理解。一般的教学都会指出当速度矢量与地面夹角为45度时，可将物体抛出最远，但这一结论的前提是物体的出发点与落地点在同一平面内，如果落地点高于或低于出发点时此结论将不再成立。问题2同样不去考查学生的计算能力，只要列式正确就给出相应分数——如果学生在解决问题时直接使用上述结论或无法解答，计0分；考虑到铅球的落地点低于出发点，但列式不全，计3分；列式全部正确，计5分。

首先使用 K-S检验验证实验组与控制组在学习单二中两个问题上的成绩是否符合正态分布。四组得分数据的虚无假设 H0为符合正态分布，四个 K-S检验结果均达到显著性水平（Sig〈0.05），拒绝虚无假设H0，即四组数据均不符合正态分布，如表1所示。

表1 K-S检验验证知识技能与深入理解得分正态分布结果

四组得分数据不符合正态分布的原因是成绩的取值区间较小，无法符合正态分布。因此这四组数据不符合独立样本t检验的条件，不能使用t检验比较均值的显著差异性。

可以使用非参数检验中的独立样本Mannn-Whitney、Kruskal-Wallis检验来比较不符合正态分布的数据之间的差异性，虽然效度不及t检验，但仍在可接受的范围之内。分别使用两种检验方法来验证两组数据的显著性差异。对于知识技能，虚无假设H0为两组数据无显著差异，两种检验方法结果表明未达到显著性差异（Sig〉0.05），因此接受虚无假设；对于深入理解，虚拟假设 H0为两组数据无显著差异，两种检验方法结果均表明达到显著性差异（Sig〈0.05），如表2所示。

表2 非参数检验两类成绩的显著性差异

（3）实验结果总结

对学习单二的验证分析结果表明，对于讲授式教学与使用游戏进行探究式教学这两种方法来说，学生在基本知识、基本技能的掌握上没有差别；在斜抛运动的深入理解上，两个班级的学生得分具有显著差异性，并且实验班的学生得分（2.67分）要高于控制班的学生得分（1.60分）。因此可以说明，相对于常规式教学，使用游戏进行探究式教学可以更好地促进学生对所学内容的深入理解。

五 总结与展望

游戏可以寓教于乐，为学生创设充满乐趣的交互学习环境，可以让学习者完成无法在常规课堂中进行的任务并获取相关经验。把游戏用于教育之中，不但可以促进学生对知识技能的掌握，还可以激发学生的内部动机，促进批判分析思维、猜想创新思维、判断推理、问题解决等高阶思维的发展。在使用得当的情况下，游戏教学模式比传统教学模式效果更好、效率更高。

在教育环境中使用游戏，虽有一些理论与应用研究，但这些研究很少涉及商业游戏在教育中的应用。玩游戏尤其是玩商业游戏会被习惯性地认为是“玩物丧志”，在教育中使用商业游戏往往会受到非议与质疑。而在学术研究中，一方面在理论研究上，对商业游戏应用于教育环境的理论依据与模式需要做进一步的探讨；另一方面在实践应用上，还缺少让人信服的应用实例。因此，本文使用“愤怒的小鸟”这一商业游戏探究斜抛运动规律的案例，正是这类游戏应用于教育环境的一个尝试。像所有教育领域中的创新一样，虽然在当前教育环境中使用商业游戏还有不少阻力，但有理由相信:不久的将来这一领域会取得长足的发展。

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[13](美)R•M•加涅著.皮连生,王映学,郑葳译.学习的条件和教学论[M].上海:华东师范大学出版社,1999:178-179.

Using Games for Inquiry Teaching in High School Physics Classroom: “Projectile Motion” As an Example

XU Lian-rong1,2TAN Wei1CUI Guang-zuo1
(1. Center for Knowledge Engineering, Beijing Normal University, Beijing, China 100875; 2. School of Communicational Media and Technology, Liaocheng University, Shandong, China 252059)

Projectile motion is the keystone and difficulty of physical teaching. Students are prone to memorize the equations mechanically, and hard to obtain the deep understanding of projectile motion. In order to solve the problem, the game Angry Birds was introduced into the physics classroom and the total number of 74 students participated in this study. The results indicated that there was no difference in mastering the basic knowledge and the basic technical ability, a positive relationship between deep understanding and game-based inquiry learning. As for the deep understanding, the research appeared to support the superiority of game-based learning over method of lecture.

games; inquiry learning; angry birds; projectile motion; deep understanding

G40-057

A【论文编号】1009—8097（2015）06—0058—07【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.06.009

编辑:小西

本文为国家社会科学基金“十一五”规划2010年度教育学一般课题“课堂交互产生学习结果的认知模型与仿真”（课题批准号：BCA100023），北京师范大学教育学部博士生研究基金、聊城大学培育课题“数字新媒体与移动学习研究”（课题批准号：Y1002031）的研究成果。

徐连荣，聊城大学讲师，北京师范大学教育技术学专业在读博士，研究方向为思维能力教学，邮箱为lianrongxu@126.com。

2014年9月14日