Algodoo的發展及教學應用

王辭曉+++江婧婧+++李靜

【摘 要】信息技術的發展，給課堂教學帶來了更多可能。Algodoo作為物理教學軟件極大地提高了物理教學的效率和趣味性。本文梳理了目前Algodoo在國內外課堂教學中的應用，采用案例分析法，對Algodoo這一信息技術與課堂整合的應用案例和建構主義教學理論下的Algodoo應用案例進行了分析。并將Algodoo與當下廣泛使用的WISE、幾何畫板、Scratch教學軟件進行了對比分析。最后，本文總結了Algodoo用于課堂教學的優劣勢與局限，最后為其未來發展提出建議。

【關鍵詞】Algodoo；課堂教學；案例分析；信息技術與課程整合；物理

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）01-0070-04

2001年頒布的《基礎教育課程改革綱要（試行）》中明確提出要全面推進素質教育；教育部從2003 年啟動了普通高中新課程改革，將技術課程（包括信息技術和通用技術）列為普通高中學生的的必修課；《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中強調提高學生勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力；《2015地平線報告（初等教育版）》提到，未來1～2年運用STEAM教育推行信息技術在教育中的整合，提倡混合式學習。很多學校在推行信息技術與課程整合的過程中，存在教學資源不足、硬件設備不完善等問題，大部分選修模塊無法開設。在這樣的背景下，Algodoo 這一趣味仿真實驗平臺走進了我們的視野，為更好地開展通用技術課程提供了有力的技術支持。

Algodoo的發展

1. 國外發展

Algodoo（譯名“愛樂多”）是一款2D仿真虛擬物理實驗軟件，其英文名稱是“2D Physics SandboxAlgodoo”，即“二維物理沙盒”，開發目的是使物理教學和研究更直觀有效。Algodoo適用范圍廣，鼓勵學生發揮創造力，并能夠突破收費和編程知識缺乏等障礙。

以“Algodoo”為關鍵詞在外文文獻數據庫、谷歌學術等平臺檢索，得到的文獻資料大部分為對Algodoo及其他物理仿真實驗軟件的新聞報道類資料，僅有少部分是針對Algodoo進行探究的。斯坦福大學的Tamar等人在第12屆互動設計與兒童國際會議（International Conference on Interaction Design and Children，2013）的論文中提出，在利用Algodoo等虛擬建模工具進行教學活動時，學生參與建模會提高其元表征能力。巴西維多利亞大學的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設計了物理的拋體實驗教學活動，教師引導學生通過控制角度和速度來觀察小球的運動軌跡，通過模擬實驗讓學生對平拋有更形象的理解，同時鍛煉其分析歸納能力。Samir L. da Silva還介紹了其團隊利用Algodoo進行布朗運動實驗的模擬和數據計算過程，并提出Algodoo可以作為教師向學生展示物理實驗的教學工具，也可以作為高年級學生分析物理實驗數據的學習工具。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學的Bor Gregorcic（2015）利用交互式電子白板設計課堂活動，通過讓學生在電子白板上用手操作Algodoo來模擬天體運動。

2. 國內發展

目前，Algodoo在中國大學以及中小學物理教學中的應用正在起步。淮陰師范學院的陳樂老師利用Algodoo進行了拱橋受力的物理模擬實驗，設計對照實驗活動，幫助學生了解拱橋設計原理。北京師范大學的韓蔚、項華老師與北京景山學校的吳俊杰老師將Algodoo軟件應用在“數字科學家”課程中，以介紹伽利略斜面實驗和天體運動實驗，進行了物理、數學、信息技術學科相結合的游戲化學習設計。江蘇省海安中學的黃偉老師（2012）利用Algodoo進行小球拋體、數學擺線、彈簧運動等物理實驗模擬和數據分析。江蘇省南通大學附屬中學的沈軍老師將Algodoo應用在氣體的模擬實驗中。湖北省武鋼三中的朱廣林老師對Algodoo在物理學中的應用進行了示例列舉。貴州師范大學的張覺老師（2015）將Algodoo用于拋體運動的課堂教學。山東省章丘一中的王清老師利用Algodoo模擬牛頓第二定律和動量守恒定律的實驗，以趣味性的視覺效果展現物理原理。

Algodoo的教學功能

1. 基本功能

Algodoo軟件界面如圖1所示，主要由場景工具面板、屬性面板、工具面板、工具選項面板、模擬仿真控制面板構成。Algodoo可以作為教學演示工具、建模工具、分析解釋工具、在線交流和反思工具。

Algodoo具有豐富的場景和仿真實驗控制、演示等功能；能夠精確形象地模擬實驗，可以直觀地觀察到實驗現象，有助于學習由感性認識上升到理性認識，實現知識的遷移；能夠創建各種物理元件，如固體、液體、齒輪、彈簧、光線與透鏡等；可以設置其材質及相關參數，如質量、密度、摩擦因素、彈性、折射率等；模擬各元件在重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力的作用下相互影響，實現精度很高的物理仿真實驗；Algodoo還可以實時顯示物體運行軌跡、受力和速度等物理特征量，使數據分析動態可視化。

2. 應用領域

Algodoo適用于8歲到大學階段的學生，基于真實的物理模擬以最有效的方式激勵學生記住所學的知識，使枯燥的課程變得有趣且易學，增強了學生的學習積極性。它的內置課程以簡潔的形式表示抽象概念，方便教師教學，適合專注于STEM的政府機構或教學組織使用。它主要可應用于物理學科幾何光學、力學、電磁學、熱學等知識的教學，如可以呈現光通過界面發生的反射、折射等物理現象，通過設計來模擬多種受力實驗以及模擬液體分子的布朗運動等。

課堂教學應用案例

1. Algodoo作為教學技術與課程整合

將Algodoo應用于課堂教學之中，體現了將信息技術與課程整合的理念，即信息技術主要作為一種工具、媒介和方法融入教學的各個層面中，包括教學準備、課堂教學過程等。目前，各位教師和研究人員都是將Algodoo作為教學技術與課程整合起來。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學的Bor Gregorcic利用交互式電子白板設計高中物理教學活動，通過讓學生在電子白板上動手操作Algodoo來模擬天體運動，從而驗證開普勒定律。

首先，教師根據開普勒三大定律進行實驗設計，在課前建立太陽系模型并繪制天體運行軌道。在課程的一開始，利用電子白板向學生展示太陽系模型，引起學生們的注意和興趣。接下來，教師邀請學生在電子白板上繪制天體，并輔助學生設置天體的參數（如天體質量、速度等），引導學生進行天體的操作，使其能夠圍繞太陽運動。之后，教師繪制多個天體，使其圍繞太陽運動，帶領學生觀察實驗，幫助學生利用Algodoo提供的數據分析功能，引導學生討論天體運行的規律。最后，教師對實驗過程進行總結，結合實驗現象歸納開普勒三大定律，進行知識點的鞏固。

2. 建構主義教學理論下Algodoo的應用

Algodoo在構建情境性學習方面也有較多的應用。陳樂將Algodoo引入主題為“趙州橋”的高中通用技術課堂，創設一定的情境，具體實施過程包含以下幾個階段：（1）提出問題。師生共同討論后確定研究的切入點。（2）制作模型。學生在教師的指導下設計方案，并制作仿真模型。（3）歸納解釋。學生對仿真實驗結果做出合理的解釋。（4）最后進行模型的優化改進，從中總結拱橋受力原理。

在傳統教學中，教師一般在教學之初先講解所要學習的概念和原理，而后再讓學生去做一定的練習，嘗試著去解答有關的習題。建構主義認為，學和做、知識的獲得和知識的應用是可以合二為一的，學習者可以在“做中學”，“通過問題解決來學習”。探究式學習就是學習者通過發現問題和解決問題而建構知識的過程，以問題為中心進行學習是各種探究式學習活動的核心思路，有利于幫助學生提高靈活應用知識的能力，形成有效的問題解決和推理策略，并發展他們的自主學習技能。

已有不少教師將Algodoo應用于探究式學習。例如，巴西維多利亞大學的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設計了高中物理的拋體實驗教學活動，引導學生通過控制角度和速度來觀察小球的運動軌跡，使學生探究并發現平拋運動的規律。

Algodoo與其他教學軟件的對比與借鑒

1. Algodoo與WISE

WISE 是Bell 和Marcia Linn 教授在美國國家教學基金會的資助下主持的“知識整合環境”研究計劃的主要成果。WISE的整個平臺建設得很完善，按照用戶角色的不同而有不同的功能模塊。表1是Algodoo與WISE的比較分析。

2. Algodoo與幾何畫板

幾何畫板是適用于數學、平面幾何、物理的矢量分析、作圖的動態幾何工具。總體來說，幾何畫板在我國的使用范圍要比Algodoo廣，經過分析得出了以下三個可能的原因：（1）教育部門的大力推廣，幾何畫板是全國中小學計算機教育研究中心推廣使用的軟件之一；（2）幾何畫板比Algodoo操作更加簡單，不會給廣大的教育工作者造成較大的負擔；（3）在當前應試教育體制下，數學作為一門主要學科，受學校和教師重視的程度較高。表2是Algodoo與幾何畫板的比較。

3. Algodoo與Scratch

Scratch是由麻省理工學院（MIT） 設計開發的一款面向少年的簡易編程工具。如表3所示，Algodoo相比于Scratch在國內尚未廣泛流行的原因有以下幾點：（1）操作難度高：Algodoo元件有不同的屬性和參數，需要設置才能夠實現模擬實驗，而Scratch元件設置簡單，重在培養學生的邏輯思維能力；（2）應用領域窄：Algodoo主要適用于物理領域，而Scratch則因具有豐富的多媒體功能和便利的操作而適用于數學、音樂、藝術等多個領域；（3）教學活動設計難度高：Algodoo應用于教學活動中，需要教師進行大量的準備工作，在設計教學活動尤其是情境創設這類活動時難度較大，而Scratch則可以設計有趣的小故事引導學生進行參與，通過豐富簡單的功能實現有趣的效果。

小 結

1. Algodoo的優勢

第一，實驗模擬促進高效教學。 Algodoo可以對物理、數學等領域進行實驗的模擬，在熟悉軟件使用后，可以為教師節約實驗準備的時間，將更多時間投入到教學活動設計中。

第二，動手搭建培養學生探索能力。Algodoo中的虛擬實驗環境可以由學生自己來搭建、改進，有利于培養學生的動手能力和探索能力。

第三，能夠激發學生對實驗操作和知識探究的興趣。Algodoo無論是界面還是功能設計，都能夠激發學生對實驗操作和持續進行知識的興趣，能夠有效地提高課堂效率，同時把課堂延伸到學生的課余時間。

2. Algodoo的局限

一是技能要求較高。Algodoo雖然包含豐富的功能，但對大部分物理教師而言，設計出符合物理實驗要求的仿真實驗，需要一定的操作能力。

二是教學活動設計難度高。在設計教學活動時，需要綜合考慮Algodoo在教學中的應用，不能只把其作為實驗演示工具，還應作為合作建模工具，讓學生參與實驗模型的搭建。

三是國內缺乏討論和共享的平臺。國內受限于語言、網絡等因素，無法充分利用國外這一社區平臺，同時又缺乏國內的社區平臺。

（基金項目：北京市教育科學“十三五”規劃2016年度重點課題“基于游戲化學習的教育教學實踐研究”（編號：CAHA16052））

（作者單位：北京大學教育學院）