應用電子游戲 促進物理教學

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210023)

1 引言

高中物理由于其課程難度大,思維抽象性強,會使學生對物理學習產生畏難情緒，但物理作為一門重要的自然學科,對學生核心素養的培養有至關重要的作用。因此,在物理課堂上如何激發學生的學習興趣，將物理知識生動化、形象化、具體化？這是一個亟待解決的問題。

電子游戲作為信息時代的產物,已經深入人們娛樂生活的方方面面，僅僅2018年1月到5月,網絡游戲的業務收入就高達743億元,而玩家群體中超過60%都是青少年。這也不難看出,從青少年熱衷的電子游戲入手,將其作為物理課程資源的一部分,不失為一種吸引學生學習物理的手段。

有教育工作者對結合電子游戲與物理教學這一課題進行了研究,但大多局限于理論探討或分析某一游戲中蘊含的物理知識點,這也導致了除了少部分內容,很難在大多數物理課程上應用這種方法。本文以3款經典游戲為例,將電子游戲資源與課程內容拓展到運動、相互作用和電磁等領域,為教學中應用電子游戲資源提供新的開發與應用思路,同時展望電子游戲與物理教學在更多領域的結合與創新。

2 電子游戲分析

2.1 絕地求生

“絕地求生”是一款第三人稱射擊游戲，在游戲中,100名玩家跳傘到一個小島上,然后依據地圖開發資源,并在不斷縮小的安全區域內對抗其他玩家,使自己生存到最后，很多青少年都對這款游戲有一定的了解,游戲中含有大量可用于教學的內容,覆蓋了運動和相互作用等主題。

圖1

首先是游戲開始時跳傘的場景,如圖1所示,玩家開始做自由落體運動,下降到一定高度后開傘,最后降落到地面，這個情景可以應用于高中物理必修1“自由落體運動”一節的教學。在向學生舉例說明質量不會影響物體的下落速度時,教師常常使用伽利略的比薩斜塔實驗,且不論該實驗的真實與否,就實驗本身而言,與生活聯系不緊密,難以引起學生共鳴。相較之下,以學生游戲體驗中所觀察到的現象為例,更容易使學生產生認知沖突,從而建構起新的知識,了解到質量不會影響物體的下落快慢。同時通過對開傘前后玩家下落速度的分析,也可以引發學生對影響物體下落速度的相關因素的思考。

游戲中還有不同類型的載具,玩家通過載具來快速移動，這也是高中物理必修1“運動的描述”這一章所關注的。通過游戲地圖上從一個地方轉移到另一個地方,可以明確地向學生介紹位移與路程的概念,同時引出速度與速率,并引導學生思考和理解車輛速度計的讀數實際上對應的是物理中的速率。由于游戲還顯示實時的車輛速度,所以也可以通過截取片段,讓學生記錄不同載具的最大速度,并計算各自的加速度,從而探究加速度和最大速度之間是否存在聯系。

游戲還包含各種槍械,不同類型的槍械殺傷力也不同。關于槍械可以關聯高中物理中相當多的知識,例如射擊過程就涉及選修3-5中“反沖”的內容，相同口徑下手動上膛的槍械威力大于自動上膛的槍械。該游戲涉及必修2中的“能量守恒定律”，射擊遠處敵人時將槍口略微抬高則與“曲線運動”有關，因此通過截選不同的片段可以對應不同的教學內容。

2.2 憤怒的小鳥

“憤怒的小鳥”作為一款經典且廣受歡迎的手機游戲,其情節是小鳥為了報復偷蛋的肥豬,將自己作為炮彈,用彈弓射向肥豬的堡壘。在游戲中,玩家通過調整彈弓彈射的方向與力度,使射出的小鳥可以命中肥豬堡壘的關鍵部位,讓其崩塌，整個游戲體現了拋體運動的特征。

以下簡要介紹將這款游戲應用于“拋體運動”教學的思路，如圖2所示,在玩家調整彈弓彈射的方向與力度時,游戲可以實時給出拋體運動的彈道。根據這一特點,教師可以在課堂上向學生展示初始速度與方向對于拋體運動軌跡的影響。截取游戲片段,并導入Tracker等分析軟件,還可以在截圖上直接給出坐標軸,導出相應的軌跡方程,讓學生思考方程各參數的物理意義,從整體上理解拋體運動。除此之外,利用彈弓的彈力與伸長長度成正比可以用于“胡克定律”的教學，小鳥命中目標后,兩者運動的解釋可應用“動量守恒定律”,肥豬堡壘在被轟擊后的平衡與倒塌情景則可以用于“重心”內容的拓展。

圖2

除了作為教學過程中的情景模擬,鑒于游戲畫面的簡約、形象性,還可以將其設計為課后習題。例如告訴學生肥豬和彈弓的垂直高度,兩者的水平距離,小鳥射出的角度,就可以讓學生計算小鳥擊中肥豬所需要的速度。

2.3 星際爭霸2

“星際爭霸2”作為一款即時戰略游戲,廣受策略類玩家青睞。玩家通過建造活動進行升級戰斗，游戲中所蘊含的物理知識大多在于建造的單位與建筑中，由于部分物理知識涉及大學物理內容,以下暫且介紹可用于高中教學的相關情景。

游戲中機槍兵使用以電磁加速來發射金屬子彈的高斯步槍，這種高斯步槍實際上就是電磁炮的微縮版。如圖3所示,電磁炮由兩條平行的長直導軌組成,導軌之間放置導電滑塊作為彈丸。當軌道接入電源時,強大的電流從一根導軌流入,經導電滑塊從另一根導軌流出,兩根導軌之間會產生強磁場,通電滑塊在安培力的作用下高速射出,這就是電磁炮的發射原理。在這樣一個物理情景中,涉及通電導線產生磁場、安培力、安培力方向的判斷等知識點,綜合了右手螺旋定則、左手定則和安培力的計算。由于彈丸在炮管中受到的推力是電磁力,這種力是非常穩定的,所以在給出相關系數后,可以讓學生應用動量定理計算出彈丸的出膛速度。結合該游戲中的武器,不僅可以加深學生對相關知識的綜合應用,同時也聯系了生活,指明了安培力在軍事中的應用和電磁武器的發展方向。

圖3

3 具體應用

3.1 課前準備

在物理教學中,為了使學生掌握抽象的物理知識,需要創設形象生動的物理情景來幫助學生理解。例如為了使學生理解質量不影響物體的下落速度,跳傘就是一個非常不錯的例子。但同樣是以跳傘為例,使用游戲中的跳傘截圖顯然比一張真人圖片更容易激發學生的學習興趣。學生結合自身的游戲體驗產生認知沖突,從而建構起新的物理知識。在課前開發教學資源時,從電子游戲中尋找相似的物理情景是一個可行的方法。

受限于電子游戲的容量和部分游戲場景的不確定性,除了少部分游戲外,教師需要在課前截取所需的圖片和視頻。課堂展示電子游戲并不是鼓勵學生去玩,更多地是聯系學生生活,拉近師生關系,創設學生有一定體驗、容易理解的物理情境。

3.2 課堂教學

在具體的教學中,教師需要考慮課程內容和所選游戲的特點。除了將電子游戲資源運用于課程導入,教師還可以替換原先教學中枯燥抽象的部分和脫離生活的例子。比如之前所提到的“斜拋運動”教學中,單純的文字講解對于學生來說不直觀、不形象，引入游戲實時的拋體運動軌跡,就可以形象地解釋這一過程,并進行進一步分析。

3.3 課后拓展

對于物理教學而言,深入挖掘課程資源的潛在價值十分重要,電子游戲資源也是如此。以這些游戲片段為出發點,可以很好地進行相關知識的拓展。例如在引入游戲中“高斯步槍”,可以讓學生在課后進一步查找與“電磁武器”相關的資料,了解電磁武器的分類、工作原理和特點,在這一過程中加深對電磁學知識的理解。

4 總結與展望

通過分析電子游戲和相應的教學過程可以看出,電子游戲豐富的內容可以為物理教學提供生動的情景。電子游戲作為一項新興的物理課程資源,有相當廣闊的開發前景,這需要物理教育工作者樹立正確的觀念,促進教學與游戲的融合,拉近學生與課堂的距離,使學生真正可以在學中玩,在玩中學。