模擬軟件Ｍｏｄｅｌｌｕｓ ２．５引入物理探究教學之構想

摘 要新型模擬軟件 Modellus 2.5為師生建構、探究物理現象提供了有效的建模工具及良好的虛擬實驗環境。筆者闡述了該軟件的出現及優點，并以制作歐姆定律、機械能轉換和凸透鏡成像3個課件為例，詳細說明了軟件的使用。

關鍵詞 Modellus 2.5；探究教學；構想

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1671-489X（2008）02－0068-03

1 模擬軟件Modellus 2.5探悉

當前，“探究教學”已成為國際科學教育的核心理念之一。 著名的《美國國家科學教育標準》與《2061計劃》把探究列為學習科學的核心方法，我國教育部 2001年7月頒布的《全日制義務教育物理課程標準(實驗稿)》也明確提出“注重科學探究，提倡學習方式多樣化”。

當前信息技術迅猛發展，能否為物理課程實施科學探究提供一種新型的學習工具與實驗環境，改革傳統的以書本為主、實驗為輔的教學模式，將現代信息技術滲透于探究教學之中呢？

1997年葡萄牙新里斯本大學（New University of Lisbon）科學與技術學院（Faculty of Sciences and Technology）教授 Vitor.Duarte .Teodore 開發的科學模擬軟件Modellus，受到國際科學教育者的廣泛好評。2002年修訂的新款Modellus 2.5允許使用者從其官方網站“http://phoenix.sce.fct.unl.pt/ modellus / ”免費下載英語、葡萄牙語等版本軟件及詳細的用戶手冊。 盡管目前國內尚無使用Modellus 2.5的文獻報道，但香港特區教育統籌局曾在2004年11月~2005年1月由香港大學教育應用資訊科技發展研究中心組織對中學科學科（中一至中三）的教師進行了Modellus 2.5 的應用培訓，該軟件廣泛的影響力可見一斑。

這款由科學教育專家研發的模擬軟件Modellus 2.5，應用于探究教學有其獨特優勢：（1）簡單易學，方便快捷。如圖1所示，Modellus2.5的界面包括“Control window”（控制窗口）、“Notes window”（筆記窗口）、“Modelwindow ”（模型窗口）、“Animation window”（動畫窗口）、“Graph window”（圖表窗口），“Table window”（表格窗口），這些窗口都可根據需要被隱蔽或保護起來。

制作模擬探究課件時，首先在“Model window ”中創建符合物理現象和過程規律的數學模型，這類似分析物理問題后列出的完整數學公式。由于“Model window ”采用貼近人們思維習慣的常見數學符號和表達式的輸入方式，無須使用復雜、專門的編程語言或命令語句，所寫所見即所得，實現這一操作過程易如反掌。接著在“Animation window”中繪制出模擬物體，定義其各項屬性，如位置、形狀、大小等，選擇“Control window ”中的運行鍵即可使一個符合創建數學模型的模擬現象和過程直觀地顯示在屏幕上。同時，在“Graph window”中可隨時查看各參量的變化曲線，“Table window”則列出了各參量的具體變化數值。

（2）功能強大，直觀形象。與一些模擬軟件大多把物理定律內置，學習者難以實現問題的求解且交互性較差不同，作為一款通用性很強的軟件，Modellus 2.5具有強大的數值計算和作圖功能，能實現問題的求解。它內嵌了各種數學方程的求解方法，能對涉及復雜微分方程的問題進行實驗仿真和模擬，不僅可以很方便地解出結果，還可把結果可視化，作出時間歷程圖、運動軌跡圖、相圖等。

（3）“人—機”互動、模擬探究。Modellus 2.5對研究變量設置了從最大值到最小值的變化區間，使用者改變參數值就能得到變化的運動軌跡、圖像，借助圖象的形象性和直觀性，有利于展現變量之間的依賴關系，明確數學公式或圖像在揭示物理概念中的作用。基于 Modellus 2.5 良好的模擬探究環境，使用者可對獲取的實驗數據、圖像，甚至純粹的理想實驗（假想實驗），利用Modellus 2.5構造數學模型，通過動畫、圖表、表格來檢驗模型的正確性。在這種理想化的探究學習環境中，學習者建立、觀察、修改那些以解析、類比、圖解等表征形式出現的數學對象， 深入理解隱含在物理現象背后的數學規律。

2 Modellus 2.5 引入探究教學之構想

結合3個應用Modellus 2.5制作的模擬課件實例，淺析初中物理教學恰當應用Modellus 2.5 的方法，為師生順利構建探究活動提供一種操作性較強的現代教學手段。

建議一：作為對“原生態”探究活動（如觀察、實驗 、設計）的模擬，應用Modellus 2.5 進行探究教學突出了精確測定、定量描述、控制變量等方法在科學研究中的作用，強調提出猜想和形成假設能力的培養。

有調查表明，受數學知識和水平制約， 部分學生收集和處理信息的能力不強，難以對實驗數據提供的信息進行歸納與推理，提出猜想和形成假設[1]。不少初中物理概念和規律具有類似比例關系的數學表達式，如U=RI，G=mg，m=ρv等，一些學生理解此類規律存在困難。這是因為，物理學中比例關系的比值，一般都包含一定的物理意義而不是簡單的比例系數，該比例系數本身可能同參與比例的兩個物理量沒有關系，它反映的是事物的其他屬性。教師可應用Modellus 2.5制作相應的模擬課件進行課堂探究，啟發學生從物理量之間的變化情況概括得出正確的函數關系，借助表格窗口中的大量實驗數據引導學生掌握收集信息、處理信息、評價信息的方法。

以歐姆定律的探究為例，不少學生單純從數學角度理解R=U/I而得出R與加在導體兩端的電壓U成正比，與通過的電流I成反比的錯誤結論，難以把握這3個物理量之間存在的相互變化關系。圖2是利用Modellus 2.5 制作的“歐姆定律”探究課件（一）。教師事先隱藏“模型窗口”中滿足的實驗規律U=RI，引導學生觀察“動畫窗口”中以圖像形式直觀顯現的物理量之間的比例關系：滑動鼠標改變電流I 的大小，在U—I坐標圖上出現一條通過原點的斜線（伏安特性曲線）。通過與數學比例式Y=kX以及函數圖象的對比，利用表格窗口列出的T、U、R、I的原始數據進行分析和論證，啟發學生猜想U、I滿足的關系，明確物理量之間的變化條件。若條件許可，教師還可以制作同一坐標圖上兩個不同電阻的伏安特性曲線，在學生動手操作變化參量的過程中加深對電阻本質的認識。

建議二：應用Modellus 2.5進行探究重在揭示物理現象蘊涵的數學模型及規律，明確數學方法在科學探究中的地位與作用，感受科學方法的熏陶和能力訓練。

數學是自然科學研究的語言和工具，應用Modellus 2.5進行探究教學，學生可以認識到數學在描述、解釋、預言物理現象、揭示物理規律中的作用，了解物理規律的數學表達式的建立、發展、完善歷史，熟悉數學建模的一些基本工具，如代數、圖表等，能通過檢測模型如何與理論對應，培養科學知識建構的深刻洞察力，初步掌握一些建立典型物理學理論的數學方法。

例如，物體下落過程中重力勢能與動能的相互轉換，涉及重力做功、動能變化、機械能守恒等知識，與學生的生活經驗聯系較少，難以理解和把握。采用Modellus 2.5制作的“機械能轉換”課件（圖3），教師隱蔽模型窗口，讓學生觀察動畫窗口、圖表窗口、表格窗口，組織學習小組討論分析物體下落時動能、勢能變化與運動速度、下落高度間的關系，以書面報告或口頭說明的方式闡述相關物理量的變化情況。經歷這種類似科學家的探究過程，學生可以理解那些總結、概括物理規律的簡潔、嚴謹的數學表達式，是如何建立、發展、完善的；在對實驗現象進行歸納時，是如何通過思維加工和數學加工把實驗數據轉化為規律的數學表達式；在理論分析時，是如何通過嚴密的推理得到表達式。

建議三：應用Modellus 2.5 進行探究教學重在培養學生預測和構建模型的能力，體驗科學探究的過程，學習從科學現象中歸納科學規律的方法。

雖然初中物理較為簡單、直觀，主要通過觀察和實驗建立初步的物理概念與規律，獲得定性的知識，但一些物理現象及過程不易用傳統教學手段完整、清晰地再現，難以激發學生的學習興趣。應用Modellus 2.5 進行探究則能模擬物理現象，配合物理實驗再現、概括、補充實驗過程，獲取充足的證據。通過證據的收集、從證據中提煉解釋、將解釋與已有的知識相聯系等過程， 能對物理概念之間關系進行準確、直觀的描述，幫助學生建立完整的科學概念。學生學會把科學知識與觀察、推理和思維的技能結合起來， 對科學探究的手段、使用證據的規則、形成問題的方式、提出解釋的方法等一系列問題有了親身的經驗， 他們才能獲得對科學的深入理解。

例如，凸透鏡成像規律的探究涉及實像、虛像、焦距、物距、像距等物理量的變化， 需要總結出“兩倍焦距定縮放，一倍焦距定虛實”的實驗規律。利用模擬軟件Modellus 2.5進行探究教學時，教師制作好凸透鏡成像課件（圖4），隱藏“模型窗口”中的成像規律（公式）， 改變透鏡的焦距、物距，提醒學生觀察“動畫窗口”不同條件下的成像情況以及放大率的變化。利用表格窗口中顯示的不同狀態下透鏡的焦距、物距、像距的數值大小，引導學生定性分析歸納出凸透鏡成像的規律。這有利于學生全面認識透鏡成像情況，熟練掌握透鏡成像作圖法，認識照相機、投影儀、放大鏡的成像原理。對部分學有余力的學生，還可以指導他們對實驗數據進行歸納整理，猜想凸透鏡成像公式，提出假設或模型，感悟歸納法在科學發現中的作用。

3 小結

初中生智力發展逐步成熟，對物理現象的認識超越了低層次的直覺興趣與操作興趣，開始達到物理因果興趣和理論興趣水平，這為應用Modellus 2.5進行探究教學奠定了堅實的基礎。教師應用Modellus 2.5進行探究教學時應居于主導地位：他們熟悉Modellus 2.5的操作使用方法，可根據學生的實際情況安排不同層次及水平的探究活動，給予針對性的指導。例如，在探究教學的初期，可安排一些基于Modellus 2.5的觀察、繪制圖表、收集和處理數據等簡單的探究活動， 訓練學生基本的探究技能，了解探究的基本過程，如“歐姆定律”探究課件；隨后，根據教材或教師給出的問題安排部分探究活動，借助Modellus 2.5強大的信息處理能力提供的良好模擬工具及虛擬實驗環境，教師設置好探究情境（制作模擬課件），學生在教師指導下進行探究，強化提出問題、收集解釋數據、形成假設、作出結論等綜合性探究技能的培養，如“機械能轉換”探究課件；當學生對探究有了一定的認識，明確了探究的內涵，教師可以選擇一些同學感興趣的課題，組織學習小組獨立進行有關控制變量、建立模型、設計實驗等難度較大的開放型探究，如凸透鏡成像探究課件。最終，學生在與教師以及同伴間的交流與合作過程中獲取知識、領悟科學的思想觀念與科學方法，體驗科學探究的樂趣，促進想象力、探索精神、創造力的發展[2]。