借助物理模拟程序开展三步式交互教学

杜昆 李国良 董爱军 苏显斌 郭洋

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》强调，科学探究能力的培养应渗透在物理教学全过程。教师要引导学生基于证据和逻辑对问题作出合理解释，解决物理问题。戴维森学院物理系专门针对物理教学开发了Physlets程序，这些程序用Java语言编写。高中物理中的每条物理定律都可以找到相应的Physlets程序。教师在向学生教授物理定律时可以应用Physlets程序进行交互教学，增强学生与教师的互动。同时，学生也能利用Physlets程序独立地交互学习，在Physlets程序引导下逐步了解、掌握、应用物理定律，逐渐培养解决问题的能力。笔者在牛顿第一定律的教学中，利用Physlets程序的概念描述（Illustrations）、定律探究（Explorations）和问题解决（Problems）三个模块开展三步式交互教学。这三个模块分别对应着学生对知识的了解、掌握、应用。笔者应用该软件教学不仅加深了学生对物理定律的理解，而且培养了学生的科学探究能力。

一、Physlets程序支持下的三步式交互教学概述

软件开发者针对物理教学编写的Physlets程序涵盖力学、流体学、波、热力学、电磁学、电学和光学，与我国的高中物理教学内容基本相符。每项内容都包含概念描述、定律探究和问题解决三个板块，对应着学生对知识的了解、掌握与应用，具有递进性[1]。

概念描述模块用于辅助学生初步理解物理定律，对应着学生对知识的了解。定律探究模块支持学生在对物理定律有初步理解的基础上深入探究物理知识，对应着学生对知识的掌握。问题解决模块要求学生在没有教师指导的情况下独立交互，应用已学物理定律解决问题，对应着学生对知识的应用。

对于牛顿第一定律的教学，首先，教师利用相应的Physlets程序和学生进行交互，让学生在Physlets程序辅助下了解牛顿第一定律的内容：一是物体在不受力的情况下保持静止或做匀速直线运动；二是如果物体所受的合外力为0，则能找到至少一个相对于该物体静止的参考系。然后，教师对牛顿第一定律深入开展探究式教学，让学生基本掌握牛顿第一定律。最后，学生与Physlets程序交互，独立地解答牛顿第一定律相关的问题，提升自主学习能力。下面介绍牛顿第一定律三步式交互教学方法。

二、应用概念描述模块帮助学生了解概念

牛顿第一定律对应的概念描述模块中的Physlets程序预设了三种不同的物理情境（如图1），三种情境下小球均从小车里被竖直向上射出，小车分别保持静止、往右匀速运动、往左匀速运动。虽然小球都会从小车里被竖直向上射出，但是在小车不同运动状态的影响下，小球的轨迹并不相同。教师和学生进行交互，让学生分别以地面、小车为参考系描述小球的轨迹和小球的最终状态。教师对学生的表述进行记录（见表1）。

教师与学生互动如下。

教师：小球最终都回到小车发射口，这意味着什么？

学生：意味着小球在水平方向上应该保持刚从小车发射口射出的运动状态。

教师：因此，在小车静止、向左匀速运动、向右匀速运动的时候，小球也应该在水平方向上保持静止、向左匀速运动、向右匀速运动。此时小球在水平方向上是否受力呢？

学生：在水平方向上不受力，在竖直方向上受到重力。

教师：那么，我们可以得到结论——物体在不受力的情况下保持静止或做匀速直线运动，或者说物体具有保持原来运动状态的惯性，这就是牛顿第一定律。

教师：刚才我们是以什么为参考系得到上述结论的呢？

学生：以小车为参考系。

教师：那么，我们得到小球相对于小车这个参考系在水平方向上是处于静止状态的。物体所受的合外力为0，则能找到至少一个相对于该物体处于静止状态的参考系，相应的参考系被称为惯性参考系。

学生：如何定义非惯性参考系呢？

教师：凡是相对地面静止或做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而相对地面做变速运动的参考系则是非惯性系。

师生交流研讨，得出结论：以小车为参考系，小球在水平方向上相对静止，在竖直方向上相对小车运动。

教师：滑冰运动员在冰面滑冰，如果不用力，他会慢慢停下来。这是否违背了牛顿第一定律呢？

学生：没有违背。滑冰运动员受摩擦力影响，运动状态改变了。

教师：如果冰面光滑，不存在摩擦阻力，那么滑冰运动员会怎样运动？

学生：滑冰运动员会保持固定的速度一直运动下去。

教师：在摩擦阻力影响下，滑冰运动员从运动状态逐渐停下来。可见，力是改变物体运动状态的原因。

综上所述，牛顿第一定律包含两种表述：一是物体在不受力的情况下保持静止或做匀速直线运动，具有保持原来运动状态的惯性，同时力是改变物体运动状态的原因；二是如果物体所受的合外力为0，则能找到至少一个相对于该物体静止的参考系，相应的参考系被称为惯性参考系[2]。这样，学生对牛顿第一定律建立了完整的认知。

三、借助定律探究模块探究牛顿第一定律

定律探究模块支持学生探究，以达到更高的认知程度——掌握（如图2）。教师可以利用相应的程序帮助学生掌握牛顿第一定律。

定律探究模块中有太空探测器这一交互程序。太空探测器的上、下、左、右分别有一部发动机，可以分别在x、-x、y和-y四个方向上对太空探测器施加大小相等的力的作用。首先，学生预测太空探测器在以上四个方向的运动，并根据牛顿第一定律对预测进行相应的解释。然后，教师展示Physlets程序，引导学生验证或者纠正自己的想法。最后，教师带领学生进行总结。

教师：太空探测器始终沿着x方向匀速直线运动，当只在一个方向上对探测器施加力时，如何预测它的轨迹？

学生：应用刚学的牛顿第一定律。

教师：当在x、-x方向上施加力的作用时，探测器的轨迹如何？

学生：保持水平方向上的运动，应该是直线。

教师：当在y、-y方向上施加力的作用时，探测器的轨迹如何？

学生：分别向着y、-y方向偏转，水平方向速度不变，轨迹应该是曲线。

教师为学生播放探测器的运动情况，此时探测器的运动轨迹有四种情况（如图3）。

教师：大家已经通过Physlets程序看到了在不同方向上受力后的探测器运动过程，接下来验证一下自己的想法，如不对则进行纠正。

学生：基本和预想的一样，但是细节需要稍微纠正。

教师：纠正后，请结合牛顿第一定律作出解释，具体地描述运动轨迹。

教师对四种情况下学生对探测器的运动轨迹描述进行整理、记录，得到结果如下（见表2）。

探测器始终沿x方向匀速直线运动，当施加两个或两个以上的力时，探测器的运动轨迹会有3种情况（如图4）。

教师：在两个或两个以上力的共同作用下，牛顿第一定律是否还适用呢？

学生：同样适用。

教师：如何对探测器的运动进行解释呢？

学生：分别对每个方向用牛顿第一定律分析。

教师：不错，请描述上述探测器运动情况，并结合相应的运动轨迹进行证明。

要探究解答这一问题，学生需要深入思考，教师也需和学生进行更多的交互，引导学生应用牛顿第一定律对探测器在多个力作用下的运动情况进行描述（见表3）。

接着学生可以自己对动画暂停、回放等，或者在教师的帮助下动画暂停、回放等，与Physlets程序进行交互，结合牛顿第一定律对轨迹进行验证。通过这样的方式，让学生明白物体在不受力的情况下保持静止或做匀速直线运动；知晓如果物体所受的合外力为0，则能找到至少一个相对于该物体静止的参考系。学生能较好地应用牛顿第一定律预判物体的运动，或者对物体的运动轨迹进行分析，对牛顿第一定律掌握较好。

四、在问题解决模块辅助下应用牛顿第一定律解决问题

软件中的问题解决指的是交互形式的物理问题。问题解决模块要求学生在Physlets程序引导下独立地写出问题的答案，应用牛顿第一定律解决问题。相应的Physlets程序为学生创设了一个打高尔夫球的情境。

学生应用Physlets程序交互独立解决物理问题过程如下。第一步，学生通过Physlets程序观察运动过程：在t=0 s时击打高尔夫球，高尔夫球发生了运动，在t=4.2 s时球停止运动，然而球并没有成功地进入洞中。第二步，学生阅读问题：a.从t=0 到t=4.2 s时间内，高尔夫球所受的合外力如何？b.从t=0 到t=4.2 s时间内，推杆对高尔夫球的力如何？第三步，学生与Physlets程序交互。动画界面下方相应的显示框可以显示具体时刻该球的水平速度与竖直速度的大小与方向。学生点击“播放”和“暂停”按钮，观察球的运动状态（如图5）。第四步，明确解题思路：a问题需要对x和y方向上小球的受力分别分析，根据力的合成得出总的合外力的大小，确定方向；b问题中杆只在一开始的瞬间对小球产生了力的作用，在后面的运动过程中，杆对小球没有发生力的作用。

学生解答这两个问题都需要对牛顿第一定律有充分的理解，并能熟练应用。

学生通过与Physlets程序进行交互学习，解答相应的问题，有利于对牛顿第一定律进行深入思考，从掌握知识向应用知识转变。

Physlets程序作为成熟的交互式物理教学工具和资源，基本涵盖了中学物理的所有知识点，且按照了解、掌握、应用的一般步骤编排内容，充分考虑了与教学法的结合。Physlets程序交互性强，有利于学生在活动中生成知识，培养解决问题的能力，提高科学探究能力。

注：本文系贵州师范大学—兴义民族师范学院联合培养研究生创新基金（编号：LPYJS-2022-16）资助项目的研究成果。

参考文献

[1] CHRISTIAN W， BELLONI M， SOKOLOWSKA D， et al. Teaching with Physlets[J]. Physics Education，2020（4）：1-15.

[2] 刘德玉，钱长炎，左崇睿.“牛顿第一定律”内容表述的比较分析及启示[J].物理通报，2021（4）：124-126.

（作者杜昆系贵州师范大学研究生；李国良系兴义民族师范学院教授；苏显斌系兴义市第五中学物理高级教师；董爱军系贵州师范大学副教授；郭洋系重庆三峡教师教育学院研究生）

责任编辑：祝元志