高中編程教育中的模擬實驗項目的教學設計方法

周南

使用編程模擬物理實驗，可以幫助學生更方便地理論聯系實際，加深對概念或原理的理解，培養創新思維和探索能力，突出編程在計算思維與數字化學習與創新學科核心素養中的雙重意義。尤其對部分地區來說，利用編程模擬能較好地解決因課時少、器材缺、教師技能欠缺等導致的實驗教學不充分的問題，為進行真實物理實驗打好基礎，加深理解。下面，筆者以《打點計時器》為例探討用編程模擬物理實驗的項目學習設計。

項目設計背景

本節課的教學目標是學會使用計數循環結構程序解決問題的方法。通過嘗試結合物理實驗《打點計時器》進行項目學習，模擬重復打點，形成紙帶效果，學生在實踐中不僅能掌握計數循環，而且會加深對打點計時器工作原理及運動現象的探究。本節課的程序學習可采用半成品加工的方式，突出核心問題，幫助學生獲得學習的成就感，激發學習興趣。

項目實施過程

在學習本課時，物理學科正好在同步講解打點計時器，學生了解打點計時器的結構及工作原理，課堂引入時可以根據情況進行簡單溫故。

模擬實驗1：模擬勻速直線運動打點

已知物體處于勻速直線運動狀態，運動速度為0.3m/s，采用打點計時器記錄物體運動0.4秒，模擬紙帶效果（如屏幕分辨率為1024×768，那么1毫米約等于3.78像素）。

為了更好地幫助學生理解實驗中物體的運動過程，使用表1，要求學生在完成填空的基礎上，再將教師提供的Python半成品程序代碼補充完整（如圖1），運行觀察、記錄紙帶效果。

參考答案：①v*tm*1000*3.78;②sx;③tm

圖1中，前進的位移需要根據已知量將其換算成像素。從圖1可以看出，此時算法采用順序結構，學生在該程序中學習海龜畫圖實現點繪制的過程，為下面的循環結構打下基礎。

模擬實驗2：模擬大量自動打點

探究如何優化模擬實驗1的算法，模擬輸出使用打點計時器記錄物體運動1秒的紙帶效果（如圖2）。

參考答案：①v*tm*1000*

3.78;②i in range（50）（說明：此處循環變量i也可用其他變量表示）;③sx;④tm

通過模擬實驗2，從順序結構過渡到循環結構，可以讓學生更好地理解循環結構的作用，使用循環語句簡化算法，提高效率，同時，該程序可以幫助學生理解循環體語句、循環變量和循環次數各自的含義，學習for語句的基本格式和列表的range函數表達，為模擬物體的勻加速直線運動奠定基礎。

模擬實驗3：模擬勻加速直線運動打點

已知物體處于勻加速直線運動狀態，運動初速度為0.05m/s，加速度為1m/s2，采用打點計時器記錄物體運動1秒，模擬紙帶效果（如圖3）（如屏幕分辨率為1024×768，那么1毫米約等于3.78像素）。

在模擬實驗3中，需要將之前所學的知識綜合運用，利用位移計算，制作勻加直線運動的打點效果。本實驗難點是學生對變量中值的變化和算法中遞推思想的理解，可以通過對其他案例如累加等進行講解并遷移，達到教學目的。

參考答案：①i in range（2，51）;②（v0*t+（a*t**2）/2）*1000*3.78;③（v0*t+（a*t**2）/2）*1000*3.78;④sb-sq;⑤sy

項目拓展

通過模擬實驗，可以利用打上點的紙帶研究物體的運動情況，進一步體驗測量平均速度和瞬時速度，回歸實驗本身的意義，布置項目拓展。以屏幕上的第一個點為計時零點，用平均速度代替瞬時速度的方法，粗略地算出每點的速度，填入表2中。同時，課后請將表2中的瞬時速度在v-t圖中描點連線，畫出v-t圖像，以達到實驗目的。

項目交流

實驗是搜集科學事實、獲得感性材料的基本方法，同時也是檢驗科學假說、形成科學理論的實踐基礎。在科學實驗中使用儀器，能使獲得的資料更豐富、更精確，且能排除次要因素的干擾，更快揭示出研究對象的本質。實驗結束后，學生對實驗中獲得的數據做進一步加工、整理，可以從中提取出科學事實或某種規律性的理論。本項目通過使用程序對實驗進行模擬，可以排除真實實驗中誤差對實驗結果的干擾，同時，引導學生采用逆向思維，深刻體會程序在情境中的運用方法，發展計算思維，促進對編程的深度學習。

蒼山點題

編程教育與其他信息技術教育一樣，有豐富多彩的教學故事可以采用，有奇妙精彩的學科選題可以使用。但是，我們在追求內容新鮮、生動、豐富的同時，一定不要忘記在教學設計中注重對學法的策略研究，方法研究只有更針對學生的知識儲備、思維特點等具體情況，才能更有利于教學的順利實施，也才能更好地培養學生的技能與思維。

第一篇文章，作者從小學生的認知特點出發進行教學設計，注重了行動比思維先行一步，讓思維順其自然地產生，通過動起來、說出來、做起來，充分調動行為動作和語言描述等綜合能力的配合，在祝愿卡的制作活動中打破單調的輸出語句學習，讓學生盡情說出自己的心愿并通過心愿卡進行展示及與父母交流，在愉快的行動中學習編程，進而通過對心愿卡的優化設計，增加互動功能，體驗人機交互的程序設計，順其自然地對輸入語句進行深入探索。在分支程序方面，也通過拯救小動物的情境游戲，在行動中體驗事物判斷的意義，逐步遷移到分支結構程序的應用。這些行動，降低了算法與程序的理解難度，讓學生的身心共同參與學習，從而培育了多元的智慧。

第二篇文章，作者從高中的學科學習需求出發進行設計，體現了編程在學科融合學習中在數字化與創新這一學科核心素養中的價值，并深化了計算思維的培育。在編程學習方面，通過最簡單的圖形——點的繪制，讓分辨率與實際位移相結合，從順序程序借助頭腦風暴過渡到循環程序的設計，一步步越來越自動化地繪制紙帶上的點;在物理實驗學習方面，從勻速運行的模擬觀察開始，到加速運動的模擬實驗的觀察與分析，注重了對直觀現象與抽象數據的配合設計，對編程學習的流程、意義與方法都是一種良好的嘗試，在算法的理解與編程技術的掌握上對學生大有裨益。

也許，不少老師會質疑：為什么編程教學要在主題內容、學習方式上玩這么多花樣，而不是扎實地進行計算機語言的學習與編程實例的訓練？這仍然是對教育理念與教學方法的爭議問題，并不只是編程教學面臨的分歧，是軟件教學還是技術教學，是信息素養目標還是計算思維目標，甚至只是純粹的編程體系知識的目標，這都值得我們繼續探索、比較和反思，也期待大家的更多觀點。