用遊戲編程方式學習物理知識

對於物理原理和概念的理解，如果從學生喜歡玩的遊戲入手，讓學生利用Scratch這種簡單的圖形化編程工具進行遊戲的設計，或者是通過修改遊戲參數，來觀察物理現象，分析物理問題，驗證物理規律，學生應該更容易理解。並且對於不能直接觀察的一些微觀現象，還可以通過虛擬仿真的方式加以模擬和體現。

本案例的設計旨在通過一個米奇奔跑的小遊戲，讓學生理解機械運動、參照物、運動和靜止的相對性，使他們在調節程序中的參數的同時，也對物理現象進行觀察、分析和驗證。

　　● 問題的提出

“咱們來看看下面這個例子：於老師靜靜地坐在從淄博到北京的動車上睡着了，兩個多小時後等於老師醒來時，火車已經到達北京，那麼在這個過程中於老師“運動”了嗎？如果説於老師動了，對面的乘客會反對説於老師一直坐在那裏睡覺，如果説沒動，那於老師怎麼能從淄博來到了北京呢？”

我通過問題式的導入方式，引起學生對物理現象的觀察和思考。

● 遊戲腳本的設計

下面就讓我們來類比一下在高鐵上的情境，在高鐵上我們看到周圍的樹在向後走，而站在軌道旁的人則覺得我們向前走，樹並沒有移動。我們將樹和米奇這兩個角色放置在舞台上，如圖1所示。

接下來是米奇的程序，可以通過上移鍵和下移鍵來控制米奇的前進速度，不難發現變量n越大，米奇運動越快（如圖2）。

運用類似的'方法我們可以模擬以米奇為參照物，樹“向後”移動的場景。用變量m表示樹的速度（如圖3）。

接下來，學生就可以通過程序來輔助學習參照物的概念了，學生的角色可以有兩種，一種是參與編程和建模然後加深對概念的理解，另一種是僅僅使用這個Scratch課件，回答問題。

● 用遊戲編程研究物理現象

課程設計的一個重要原則就是要保證學生的參與，本節案例採用“導入角色→調整參數→研究物理現象”這樣的步驟進行。在研究物理現象的同時，學生須完成遊戲研究報告，研究報告設計按照“觀察現象→分析問題→驗證結論”的步驟完成。如果學生設計程序的水平不高，可以讓學生直接導入帶有程序腳本的角色，然後回答以下問題。

1.入門：米奇運動的探究

導入米奇角色，我指導學生看清圖的場景設置及人物狀態，完成如下問題。

（1）觀察現象

程序沒有啟動時，米奇在舞台中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇 （填“靜止”或“運動”）。

當啟動程序時，通過按下“上移鍵”使得n值增加，米奇在舞台中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇 （填“靜止”或“運動”）。

（2）分析問題

我們是通過觀察米奇在舞台中的 變化，來判斷米奇是運動還是靜止。

（3）驗證結論

在物理學中，我們把一個物體相對於另一個物體位置的變化叫做機械運動。

2.進階：對參照物的探究

什麼是參照物呢？參是參考的意思，照是對照的意思。我們日常生活中經常使用這個概念，如“明明”比“長江”高，長江就是參照物，“博爾特”跑得比“兔子”還快，兔子就是參照物，上面例子中我們給米奇安排的“參照物”是舞台。

在物理學中，我們判斷一個物體是運動還是靜止，要看以哪個物體作為標準，這個被選作標準的物體叫做參照物。接下來我們可以導入樹角色，完成對運動和靜止相對性的探究。

導入樹的角色，當米奇跑到舞台中間時將n值調整為0，這時候米奇會在在舞台上原地跑動，調整m的值（程序設計用W、S鍵），樹向米奇相反的方向運動，完成如下問題。

（1）觀察現象

當m、n的值調整為0時，米奇在舞台上原地跑動，米奇在舞台中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇相對於舞台來説是 （填“靜止”或“運動”）。

通過按下“W”鍵，使得m值增加，米奇相對於樹的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇相對於樹來説是 。（填“靜止”或“運動”）

（2）分析問題

米奇相對於舞台來説是 ，相對於樹來説是 。（填“靜止”或“運動”）

（3）得出結論

物體的運動和靜止是相對的，描述物體的運動情況時，首先要選定參照物。參照物可以根據需要來選擇，如果選擇的參照物不同，描述同一物體的運動時，結論一般也不一樣。

設計不同情境，設定不同參照物，讓學生根據不同參照物判斷物體運動和靜止的情況，可以加深對運動和靜止的相對性理解。

3.提升：觀察與思考

遊戲中藏在樹後“伺機而動”的小貓，如果選擇樹為參照物它是 ，如果選擇米奇為參照物它是 。

分析： 如果以樹為參照物，小貓是靜止的，因為小貓相對於樹的位置沒有變化，如果以米奇為參照物，小貓是運動的，因為小貓相對於米奇的位置發生了變化。

● 結語

本程序是用編程的方法，通過建模和仿真，來提升學生對程序和物理概念更加深入的理解。孩子的想象力是無限的，給出更多的素材培養他們的想象力和創新能力是教育的一個重要方向。這種創造性的活動更能加深學生對物理知識理解的深度。在對遊戲主題自我理解的基礎上，添加自己的角色（可以自選素材，也可以用提供的“貓”素材），編輯腳本深入探究，體驗創造的快樂。建模和仿真，也是信息技術實驗的一種典型的研究方法，仿真並不是簡單地模擬真實生活，很多時候，通過建模會有意想不到的收穫。例如，在本案例中，如果對米奇的代碼稍加修改，學生就可以“發現”加速運動的規律，我們期望這種“驚喜”能夠常常在課堂上閃現，這也是STEAM教育的旨趣之一。