游戲在中學物理探究式教學中的應用*
——以“斜拋運動”為例

徐連榮譚 偉崔光佐

（1．北京師范大學 知識工程中心，北京 100875；2．聊城大學 傳媒技術學院，山東聊城 252059）

游戲在中學物理探究式教學中的應用*
——以“斜拋運動”為例

徐連榮1,2譚 偉1崔光佐1

（1．北京師范大學 知識工程中心，北京 100875；2．聊城大學 傳媒技術學院，山東聊城 252059）

斜拋運動是高中物理教學的難點，按照常規講授式教學，難以產生對這一運動規律的深度理解。為解決這一教學問題，基于“憤怒的小鳥”這一游戲，設計問題情景，通過學生自主探究，自主發現斜拋運動的規律。實驗選取北京市門頭溝區某高中的兩個班共計74名學生開展了同課異構的對比教學活動，結果顯示：（1）學生在基本知識、基本技能的掌握上沒有差別；（2）在斜拋運動的深入理解上，兩個班級的學生得分具有統計學上的顯著差異性，且實驗班的學生平均得分要高于控制班的學生平均得分。與常規講授式教學相比，使用游戲進行探究式教學，學生不但可以掌握關于斜拋運動的基本知識與技能，還可以獲得對這一運動規律的深度理解。

游戲；探究式教學；憤怒的小鳥；斜拋運動；深度理解

引言

使用游戲促進學習并不是一個新的現象。不論是東方還是西方，“學”與“玩”總是關聯在一起，出現了許多益智類游戲。例如，中國自古便有“寓教于樂”的傳統，出現了圍棋、七巧板、九連環、華容道等游戲；而西方也出現了魔塔、獨立鉆石棋、魔方等游戲。參與這些游戲不但需要一定的智力，還需要一定的技巧，可以很好地提高參與者的推理與決策能力。現在隨著多媒體技術的不斷發展，原有的古老游戲找到了新的載體，把這些新形式的游戲用于教育目的是一件新鮮事。教育游戲既不是純粹的游戲，也不是教育與游戲的簡單相加[1]，有待進一步探索其理論與應用研究。

一 游戲與教育

游戲沒有一個準確的定義，不同的游戲有著不同的設計開發理念[2]，給游戲下定義是一件非常難的事情[3]。繞過給游戲下通用定義，Roger Caillois[4]通過分析大量的游戲，提出了游戲之所以成為游戲的六個關鍵屬性:Free（自由性）、Separate（時空隔離）、Uncertain（不確定性）、Unproductive（無有形產出）、Governed by rules（基于規則）、Make-believe（虛擬信念）。當然，列舉的這些特性只是籠統的歸納，并不要求一個游戲必須具備上述所有特性。實際上，由于游戲在設計及技術實現上的多樣性，很難形成一個面面俱到的定義。

20世紀80年代，游戲的教育價值開始得到重視，一些研究者開始進入這一領域的研究[5]。同時，由于電子技術與計算機技術的發展，開始出現以電視或計算機為載體的視頻游戲。Pac-Man這一游戲的出現開啟了用于教育目的視頻游戲的先河[6]。現有的研究中，相關文獻大體包括以下幾個方面:發展綜述、理論探索、設計方法、技術工具、應用實踐以及調查分析等[7]。技術工具與應用實踐類的研究較少，在這兩類較少的文獻中，大多偏重于嚴肅游戲研究，關于教育中使用商業游戲的研究較少。

用于教育目的的游戲可以分為兩類，一類是商業游戲，另一類是專門設計的嚴肅游戲[8]。嚴肅游戲專門用于教育目的，符合教育規范，為學習者提供學習材料與交互工具。在無法即時獲得適用于教學內容的嚴肅游戲的情況下，可以選擇合適的商業游戲。首先，雖然商業游戲強調娛樂性，但其提供的情景是外部真實世界的投射，這些情景仍遵循客觀世界的規律。其次，游戲的操作結果不具有危險性，使用者可以使用多種策略、多種方式來嘗試解決問題。已有一些學習專家指出，合理使用商業游戲可以促進學習者判斷、問題解決、創造性思維、批判分析思維等高階思維的發展[9]。實踐上也有了采用商業游戲進行領域知識教學的先例，例如SimCity、Second Life、Civilization等游戲已被用于管理與城市規范等領域的教學[10]。

我國中小學教育正在從重視基礎知識、基本技能的“雙基教學”，向重視學生能力的基礎知識、基本技能、基本思想、基本活動經驗的“四基教學”轉變[11]。恰當地使用游戲，為這種轉變提供了契機。

二 物理課堂中應用“憤怒的小鳥”促進雙基教學

斜拋運動一直都是中學物理教學的難點。雖然在高中物理教學中有小球的平拋實驗，但這種純物理實驗缺乏趣味性、交互性，學生基本上是按實驗指導書機械完成實驗，缺乏探究過程[12]。由于這一運動涉及變量較多，關系復雜，學生難以在短短教學時間內掌握這么多的內容。另外，學生還會傾向于機械記憶公式，弱化對這一運動規律的深度理解。教師個人開發的專門游戲往往比較簡單，雖可滿足基本知識與基本技能的教學目標，但難以營造良好的探究環境來促進學生思維能力的提高。在這種情況下，經過精心設計，可以把“憤怒的小鳥”這一商業游戲整合到物理教學的過程中，在物理知識與外部世界之間搭建一座溝通的橋梁。學生可以通過這一橋梁來研究物理規律，體驗物理科學的魅力，激發內部動機。

研究“憤怒的小鳥”游戲中的斜拋運動，首先要采集小鳥的位置坐標。小鳥在斜拋過程中位置坐標隨時間變化，無法即時獲取坐標數據，所以需要轉化一下，把小鳥的飛行過程使用屏幕錄制軟件錄制為視頻，再對視頻進行坐標數據采集。屏幕錄制軟件推薦使用Camtasia Studio。在屏幕錄制過程中需要注意的是，如果游戲的窗口無法完全容納小鳥的飛行軌跡，游戲畫面會自動縮放以容納全部軌跡，導致錄制下來的軌跡不是一條真正的小鳥飛行路徑，因此需要預先發射幾次小鳥，根據上一次的軌跡情況調整窗口大小，使游戲窗口可以完全容納小鳥的飛行軌跡。

對視頻的每一幀進行分析便可得到一系列小鳥的坐標。Camtasia Studio生成的視頻默認幀頻為30，即每秒包含30幀圖像，整個小鳥的飛行過程約為3秒左右，所以共需采集的位置坐標約為30×3=90個左右。手工采集大量的坐標數據是一件枯燥重復的工作，并且還會帶來測量誤差，而計算機程序恰恰勝任這類重復有規則的操作，Tracker Video Analysis就是這樣一個工具軟件。Tracker Video Analysis是一個基于開源物理開發框架（Open Source Physics，OSP）基礎上的開源軟件，可以對多種物理運動進行建模分析。由于在游戲中小鳥具有固定的大小、形狀，并且與背景具有較大的反差，所以通過軟件提供的自動追蹤（Auto Tracker）功能可以把每一幀中的小鳥從背景中自動識別出來，并獲取其位置坐標。因為幀間隔為1/30秒，在這極短的時間里直接相鄰的兩幀內小鳥的位置變化很小，逐幀采樣誤差較大，因此這里采用每2幀采集一個位置坐標的方式進行采樣。本示例中共采集到40個采樣點。

Auto Tracker功能避免了重復的鼠標點擊，并且提高了數據的采樣精度。這一處理過程中某一時刻對圖像的處理如圖1所示。

圖1 Auto Tracker采樣處理

圖1中以彈弓的發射點為原點，建立二維坐標系；1.0表示小鳥發射時離地的高度，被定義為1個標準單位；v0、vx、vy分別表示小鳥發射時的速度、水平速度分量與豎直速度分量；θ表示發射速度方向與水平方向的夾角；紅色菱形表示連續的若干幀中識別出的小鳥的位置。

采集小鳥的位置坐標后，Tracker Video Analysis會自動計算出每個采樣點的水平速度、豎直速度、動量、動能等參數。小鳥的水平位移、水平速度分量在各采樣點的數值如圖2、圖3所示。

圖2 水平位移的變

圖3 水平速度的變化

圖4 豎直位移隨時間的變化

從圖2中可以觀察出小鳥的水平位移隨時間線性變化，即小鳥的水平速度分量保持不變。圖3中的水平速度分量圖示也反映了這一趨勢。豎直方向上的位移隨時間的變化是一條拋物線，如圖4所示。使用軟件提供的分析功能（Analysis）對豎直速度分量進行線性回歸分析，得到線性擬合方程為vy=-2.50t+3.15。根據線性方程，小鳥發射時豎直速度分量的初始值為3.15單位/s，加速度為-2.5單位/s2，即豎直速度分量按每秒鐘減小2.5單位/s的規律變化。

同樣使用分析功能，得到水平速度分量、水平位移、豎直位移的擬合方程。其中水平速度分量的加速度為-0.01單位/s2，比水平速度初始值（4.40單位/s）小2個數量級，并且水平速度各采樣值的統計標準差為5.24×10-2，變動非常小，排除測量誤差因素，可以認為小鳥的水平速度分量為一恒定值，即4.40單位/s。

三 物理課堂中應用“憤怒的小鳥”進行探究式教學

基于“憤怒的小鳥”這一游戲建立斜拋運動的模型，完成數值采集及運動過程分析后，教師可以進一步提出具有一定難度的探究性問題，鼓勵學生進一步思考，使學習不僅僅停留在了解事實與記憶公式的層次，而是達到對斜拋運動這一物理運行規律的深度理解。探究性問題要具有一定的難度、發散性，并且要富有趣味，使學生在探究過程中鞏固基礎知識與基本技能，并且促進批判分析思維、創新思維與問題解決等高階思維的發展。

可供參考的一些探究性問題:

（1）如果“憤怒的小鳥”的游戲場景發生在地球上，請推測小鳥的高度。

（2）如果游戲場景發生在一個和月球大小類似的星球上，請推測這個星球的密度。

（3）如果游戲中的小鳥與地球上的公雞大小類似，請比較游戲場景中的重力加速度與地球的重力加速度的大小關系。

上面三個探究問題的共同特征是題目本身沒有提供可供問題解決的直接線索，甚至沒有提供與解決問題相關的數據，但解決問題所使用的知識又沒有超出學生已有的知識范圍，學生僅具備知識無法解決此類問題，即簡單地運用規則無法獲得問題的解。

探究問題的目的不是讓學生通過解決這些問題來發現科學原理或指導生產，而是讓學生在解決問題的過程中鞏固知識技能，促進高階思維能力的發展，并產生能夠引導學生后續思維行為的認知策略。學生解決問題的過程比獲得問題的解更重要。解決問題的過程就是一個產生新的學習的過程，此過程中產生的認知策略能使學生解決同類或相似的問題[13]。

四 使用游戲的探究式教學與常規講授式教學的對比實驗研究

1 實驗對象

選取北京市門頭溝區某高中兩個班級開展實驗對比研究。班級A男生21人，女生14人，共35人；班級B男生21人，女生18人，共39人。班級A為控制組，在教室中使用常規教授式教學；班級B為實驗組，在多媒體計算機教室使用游戲進行探究式教學。

2 實驗材料

實驗材料包括學習單兩份，以及配備好“憤怒的小鳥”游戲視頻與軟件Tracker Video Analysis的計算機教室一個。

我躡手躡腳地走上陽臺，生怕驚破了這場難得的精神“艷遇”。遠遠看去，曇花那海帶狀的綠葉上，一朵朵嬌嫩的花蕾似乎正在微微顫動著。那白玉般的花苞徐徐綻開，鵝黃色的花蕊悄悄地探出花苞，有如初降生的嬰兒滿帶著好奇打量著眼前的世界。漸漸地，片片花瓣如電影中的慢鏡頭一般完全展開，展現給我的是一種驚世駭俗的美麗！我不敢用手，只能用一種滿含溫柔的目光輕輕地觸摸著它們。

學習單一包含兩個問題，用于測試兩組學生對斜拋運動的前置知識的掌握情況，分析是否存在顯著性差異。使用的問題如下:

問題1:一個滑塊在光滑平面上直線勻速滑行，速度為10m/s，經過5秒鐘，運動的距離是多少米？

問題2:以初速度9.8m/s的速度豎直向上拋出一個小球，經多長時間小球到達頂點？

學習單二也包括兩個問題:第一個問題用于測試兩組學生在基本知識、基本技能的掌握上是否存有顯著性差異，第二個問題用于測試兩組學生在斜拋運動的深入理解上是否存有顯著性差異。使用的問題如下:

問題1:青蛙進行遠距離跳躍時，與地面的夾角通常為45度角，如果青蛙想跳過2米寬的小河，最小初速度是多少？

問題2:一位鉛球運動員的最大鉛球出手速度是15m/s，球離手時離地面的高度是1.5米，請問如何才能把鉛球推得最遠？

3 實驗過程

在正式上課前，使用自由時間要求兩個班級完成學習單一，然后分析完成結果是否存在顯著性差異——如果存在顯著性差異，則需要更換實驗班級；如果不存在顯著性差異，則對選定的實驗組學生培訓軟件Tracker Video Analysis的使用。

4 數據分析

（1）學習單一的結果分析

斜拋運動的前置知識是水平勻速運動與斜拋運動，學習單一的目的是檢測兩組學生對這兩種運動的掌握程度，分析是否存在顯著性差異。如果存在顯著性差異，則不能使用這兩個班級開展實驗。結果表明，除個別學生的計算性錯誤外，實驗組與控制組均成功解決了學習單一上的兩個問題，不存在顯著性差異，可以使用選定的兩個班級開展實驗。

（2）學習單二的結果分析

學習單二中的問題1滿分為10分，用于檢測學生對基本知識、基本技能的掌握水平。此問題考查學生是否可以運用斜拋運動公式解決問題，因此計算結果無論正確與否，只要公式全部正確便得滿分10分，如果有部分公式錯誤酌情扣分。

學習單二中的問題2用于檢測學生是否對斜拋運動有深度理解。一般的教學都會指出當速度矢量與地面夾角為45度時，可將物體拋出最遠，但這一結論的前提是物體的出發點與落地點在同一平面內，如果落地點高于或低于出發點時此結論將不再成立。問題2同樣不去考查學生的計算能力，只要列式正確就給出相應分數——如果學生在解決問題時直接使用上述結論或無法解答，計0分；考慮到鉛球的落地點低于出發點，但列式不全，計3分；列式全部正確，計5分。

首先使用 K-S檢驗驗證實驗組與控制組在學習單二中兩個問題上的成績是否符合正態分布。四組得分數據的虛無假設 H0為符合正態分布，四個 K-S檢驗結果均達到顯著性水平（Sig〈0.05），拒絕虛無假設H0，即四組數據均不符合正態分布，如表1所示。

表1 K-S檢驗驗證知識技能與深入理解得分正態分布結果

四組得分數據不符合正態分布的原因是成績的取值區間較小，無法符合正態分布。因此這四組數據不符合獨立樣本t檢驗的條件，不能使用t檢驗比較均值的顯著差異性。

可以使用非參數檢驗中的獨立樣本Mannn-Whitney、Kruskal-Wallis檢驗來比較不符合正態分布的數據之間的差異性，雖然效度不及t檢驗，但仍在可接受的范圍之內。分別使用兩種檢驗方法來驗證兩組數據的顯著性差異。對于知識技能，虛無假設H0為兩組數據無顯著差異，兩種檢驗方法結果表明未達到顯著性差異（Sig〉0.05），因此接受虛無假設；對于深入理解，虛擬假設 H0為兩組數據無顯著差異，兩種檢驗方法結果均表明達到顯著性差異（Sig〈0.05），如表2所示。

表2 非參數檢驗兩類成績的顯著性差異

（3）實驗結果總結

對學習單二的驗證分析結果表明，對于講授式教學與使用游戲進行探究式教學這兩種方法來說，學生在基本知識、基本技能的掌握上沒有差別；在斜拋運動的深入理解上，兩個班級的學生得分具有顯著差異性，并且實驗班的學生得分（2.67分）要高于控制班的學生得分（1.60分）。因此可以說明，相對于常規式教學，使用游戲進行探究式教學可以更好地促進學生對所學內容的深入理解。

五 總結與展望

游戲可以寓教于樂，為學生創設充滿樂趣的交互學習環境，可以讓學習者完成無法在常規課堂中進行的任務并獲取相關經驗。把游戲用于教育之中，不但可以促進學生對知識技能的掌握，還可以激發學生的內部動機，促進批判分析思維、猜想創新思維、判斷推理、問題解決等高階思維的發展。在使用得當的情況下，游戲教學模式比傳統教學模式效果更好、效率更高。

在教育環境中使用游戲，雖有一些理論與應用研究，但這些研究很少涉及商業游戲在教育中的應用。玩游戲尤其是玩商業游戲會被習慣性地認為是“玩物喪志”，在教育中使用商業游戲往往會受到非議與質疑。而在學術研究中，一方面在理論研究上，對商業游戲應用于教育環境的理論依據與模式需要做進一步的探討；另一方面在實踐應用上，還缺少讓人信服的應用實例。因此，本文使用“憤怒的小鳥”這一商業游戲探究斜拋運動規律的案例，正是這類游戲應用于教育環境的一個嘗試。像所有教育領域中的創新一樣，雖然在當前教育環境中使用商業游戲還有不少阻力，但有理由相信:不久的將來這一領域會取得長足的發展。

[1]王斌,伍忠杰.以教育游戲方式進行外語學習的思考——基于RPG游戲[J].現代教育技術,2012,22(1):77-79.

[2]Jong M S Y, Lee J H M. An evaluative study on VISOLE——Virtual interactive student-oriented learning environment[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies, 2010,3(4):307-318.

[3]莊紹勇,耿潔,蔣宇.“學習村莊2”在協作探究學習中的應用[J].中國電化教育,2014,(1):119-124.

[4]Salen K, Zimmerman E. Rules of play: Game design Fundamentals[OL].〈https://gamifique.files.wordpress.com/2011/11/1-rules-of-play-game-design-fundamentals.pdf.〉

[5]劉成新,王秋娟.教育游戲應用于學科教學的現狀與問題分析——基于 2001-2011年度中文期刊的文獻統計研究[J].電化教育研究,2012,(12):94-98.

[6]Squire K R. Video games in education[J]. International Journal of Intelligent Games & Simulation, 2009,2(1):15-28.

[7]王慶,鈕沭聯,陳洪,等.國內教育游戲研究發展綜述[J].電化教育研究,2012,(1):81-84.

[8][9]Morris S.Y.Jong. Educational use of computer games: where we are, and what's next[A]. Reshaping learning, new frontiers of educational research[C], Berlin: Springer-Verlag, 2013:306-309.

[10]曹俏俏.“第二人生”(Second Life)交互特點研究[J].現代教育技術,2009,(9):66-99.

[11]中華人民共和國教育部.義務教育數學課程標準(2011年版)[M].北京:北京師范大學出版社,2012:8.

[12]黃璐,章蘇靜.基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計研究[J].現代教育技術,2013,23(11):109-114.

[13](美)R?M?加涅著.皮連生,王映學,鄭葳譯.學習的條件和教學論[M].上海:華東師范大學出版社,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【論文編號】1009—8097（2015）06—0058—07【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.06.009

編輯:小西

本文為國家社會科學基金“十一五”規劃2010年度教育學一般課題“課堂交互產生學習結果的認知模型與仿真”（課題批準號：BCA100023），北京師范大學教育學部博士生研究基金、聊城大學培育課題“數字新媒體與移動學習研究”（課題批準號：Y1002031）的研究成果。

徐連榮，聊城大學講師，北京師范大學教育技術學專業在讀博士，研究方向為思維能力教學，郵箱為lianrongxu@126.com。

2014年9月14日