Scratch軟件輔助初中物理教學初探

摘" " 要：針對“浮力產生的原因”這一教學難點，利用Scratch軟件設計了仿真實驗平臺。該仿真實驗平臺具有可以顯示物體大小、浸沒在液體中的物體上下表面的壓力大小、浮力大小等功能，學生可以直接從平臺中讀取實驗數據，從而充分理解“浮力產生的原因”。利用該平臺進行輔助教學，讓“浮力產生的原因”這一抽象的知識變得形象。另外，學生還可以在仿真平臺的搭建過程中復習和鞏固相關的物理知識及原理。

關鍵詞：Scratch；仿真實驗；浮力產生的原因；初中物理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）1-0081-6

Ｓｃｒａｔｃｈ是美國麻省理工學院ＭＩＴ媒體實驗室推出的一款可視化、代碼塊拖拉式的教育性編程工具［１］。它是一款幫助師生建立物理模型用于演示實驗教學的圖形化編程軟件，能夠輔助師生理解、探究枯燥抽象的物理知識［２］。教師可以利用Ｓｃｒａｔｃｈ軟件編程搭建仿真實驗平臺，相關程序的編寫是在物理知識和物理原理的基礎上進行的。可以將一些難以觀察、難以理解的實驗現象、知識概念或無法進行實驗演示的內容，以生動、形象的方式呈現。這樣，不僅能提升學生學習物理的興趣和課堂參與度，還可以幫助學生加深對物理公式等的理解。因此，利用Ｓｃｒａｔｃｈ軟件輔助教學，可以幫助學生加深對物理規律、原理的理解和認識。

下面，以人教版初中物理八年級下冊“浮力產生的原因”為例，探討Ｓｃｒａｔｃｈ軟件在初中物理教學中的應用與融合。

1" " 教材分析

“浮力產生的原因”一直以來都是初中浮力教學中的難點內容，因為它需要學生綜合運用“力的合成”和“壓強”的知識來分析和理解浮力。筆者對比了幾個版本的初中教材后發現，人教版、滬科版和教科版的物理教材都是結合壓強的知識，通過理論分析與推理相結合的方法，幫助學生認識浮力產生的原因。人教版教材是這樣闡述的：“浸沒在液體中的物體，其上、下表面受到液體對它的壓力不同，這就是浮力產生的原因”［３］。北師大版的教材利用了一個用橡皮膜封住兩端開口的玻璃筒，將其浸沒水中后，通過觀察橡皮膜的形變程度，結合理論分析，引導學生發現浮力產生的原因。然而，這些教學方式對學生的數學基礎和思維水平的要求都比較高。對于八年級的學生來說，其思維方式還是以具體的形象思維為主。因此，三版教材采用的理論分析方式對八年級的學生來說難度還是較大的。

2" " 實驗的改進及存在的問題

很多教師通過自制教具幫助學生理解浮力產生的原因。例如，程生銀利用橡皮膜的形變程度來衡量浸沒在液體中的物體上下表面受到的壓力，通過形變程度不同來說明浮力產生的原因［４］；鄧金祥等用橡皮膜封好的空心圓筒與Ｕ形管連接，通過觀察Ｕ形管內的液面高度差，更直觀地說明液體內物體上下表面受到的壓力不同［５］。利用這些自制教具的好處是將課本上的圖片轉化為可供學生直接觀察的動態現象后，他們更容易理解浮力產生的原因。利用 Ｕ形管還能將物體上、下表面受到的壓力更明顯地展示出來，便于學生觀察。不足之處在于學生不能直觀讀取物體上、下表面受到的壓力大小，也不能計算其壓力差。利用ＤＩＳ數字傳感器讓學生收集具體數據，并通過定量分析探究影響浮力大小的因素，其結果更直觀、具體，說服力較強。但是，ＤＩＳ數字傳感器的成本較高，在一些教育資源相對落后的地區，較難在普通中學進行普及和推廣，而且學生的信息技術基礎也比較薄弱，ＤＩＳ數字傳感器實驗操作難度較大。

3" " “浮力產生的原因”演示實驗的軟件設計

3．１" " 算法與流程

以初中物理“壓強”與“二力的合成”理論分析為基礎，利用Ｓｃｒａｔｃｈ程序模擬浸在液體中的物體上下表面受到的壓力及浮力大小的場景，算法流程如圖１所示。第１步，開始；第２步，數據初始化；第３步，判斷物體是否浸在液體中，如果“是”，執行第５步，如果“否”，執行第４步；第６步，只改變物體的大小，接著執行第９步；第７步，只改變液體的密度，接著執行第９步；第８步，改變物體的位置，需要回到第３步進行判斷，若“是”，執行第９步，若“否”，則返回第４步。

3．２" " 編程與實現

Ｓｃｒａｔｃｈ軟件操作界面如圖２所示，主要由積木分類區、積木區、代碼區、角色列表區、背景區、舞臺區六個部分組成。代碼區有代碼、造型、聲音三個模塊，可以對角色進行編程；造型區可以修改角色的造型，如大小、顏色、形狀等；聲音區可以給角色添加聲音。在角色列表中可設置角色的大小、格式、位置等；代碼和角色完成編程后，在舞臺區展示程序運行的效果［６］。結合對應的物理理論知識融合算法分析，進行編程。通過創建角色、數據初始化及上下表面壓力、浮力的計算，完成仿真實驗平臺設計。

3．２．１" " 創建角色

在角色列表區創建新的角色，也可以在系統中選擇需要的角色。編程需要創建的角色有液體、物塊、清水按鈕和濃鹽水按鈕，如圖３所示。其中，“液體”角色需要自行在角色造型區進行繪制，其余角色可以在系統中選擇。“液體”角色有兩種造型，分別代表“清水”和“濃鹽水”；“清水”按鈕和“濃鹽水”按鈕用于改變液體的密度。創建好之后，可以根據需要修改角色名稱。為了方便后續計算，在繪制“液體”角色時，將液面的ｙ坐標設置為０。

3．２．２" " 數據初始化

創建變量“物體的邊長”“物體的底面積”“物體上表面的深度ｈ１”“物體下表面的深度ｈ２”“物體上表面受到的壓力Ｆ上”“物體下表面受到的壓力Ｆ下”“物體的浮力”“液體的密度”。為了能夠通過拉動滑桿改變物體的大小，讓實驗結論更具有普遍性，在數據初始化時選中“物體”角色并對其編程，將“物體的底面積”設置為“物體的邊長×物體的邊長”，如圖４所示。這樣的設計還可以用來探究浮力與Ｖ排的關系。為了能在按下小綠旗時物體不被液體覆蓋以及回到初始位置，筆者還設置了如圖５所示的代碼。

3．２．３" " 計算浮力

根據浮力產生的原理，用Ｆ浮＝Ｆ下－Ｆ上計算浮力的大小。因為程序中液面的坐標ｙ ＝０，當物體浸沒在液體中時，物體的深度可以用物體的ｙ坐標來計算［７］。為了縮小深度，讓模擬結果與計算結果契合，這里將ｙ坐標乘以０．１。根據壓力與壓強的知識，可以用F=ρghS計算液體對物體上、下表面的壓力。其中，ｇ＝９．８ Ｎ／ｋｇ，物體的邊長、底面積都已換算成國際單位。若物體有部分露出液面，其上表面的深度與受到的液體壓力均為０。此時，物體受到的浮力即為物體下表面受到的液體壓力。因此，需要系統先對物體的位置作出判斷，再進行浮力的計算，其程序代碼如圖６所示。最后，將計算的結果保留兩位小數。

3．２．４" " 判斷物體是否受到浮力

當物體全部離開液體后，將不再受到浮力的作用。此時，物體上、下表面受到的液體的壓力均為０，浮力也為０，系統提示將物體拖入液體中，代碼如圖７所示。其中，坐標ｘ與ｙ的取值范圍根據液體的實際坐標來設定。

3．２．５" " 改變液體的密度

要改變液體的密度，就要對“清水”按鈕、“濃鹽水”按鈕和“液體”這三個角色分別進行代碼的編寫。當“清水”按鈕被點擊時，會廣播“清水”，并將液體的密度設為“１０００”（圖８）；當“濃鹽水”按鈕被點擊時，會廣播“濃鹽水”，并將液體的密度設為“１３００”；當“液體”接收到“清水”時，會轉換成“清水”的造型（圖９）；當“液體”接收到“濃鹽水”時，會轉換成“濃鹽水”的造型。

利用Ｓｃｒａｔｃｈ軟件定義角色，對角色進行數據初始化，計算出物體受到的浮力大小，完成了“浮力產生的原因”仿真實驗平臺的搭建，如圖１０所示。改變浸沒在液體中物體的深度、液體的密度，不僅可以直接讀取物體上、下表面的壓力大小、計算壓力差，還可以讀出Ｆ浮＝Ｆ下－Ｆ上，從而得到浮力產生的原因。除此之外，通過該程序還可以引導學生探究浸沒在不同液體中同一深度處的同一物體受到的浮力大小是否相同。

4" " “浮力產生的原因”仿真實驗平臺的教學建議

以人教版教材為例，提出利用“浮力產生的原因”的虛擬實驗平臺輔助教師開展教學活動的三個步驟的建議。

步驟一：

教師在講“浮力產生的原因”時，可以先利用文章一開始提到的自制教具向學生演示，引導學生通過觀察橡皮膜的形變程度，推理出浸沒在液體中的物體的上、下表面受到的壓力不同的結論。

設計意圖：通過實驗，學生可以直觀地看到橡皮膜形變程度的差異，通過該現象，教師引導學生結合理論知識推理出物體上、下表面受到的壓力不同的結論。這樣的設計符合學生的認知，學生理解起來也比較容易。

步驟二：

在學生得出物體上、下表面受到的壓力不同的結論后，教師可以進一步提出問題：為什么浸沒在液體中的物體上、下表面的壓力會不同？然后，再結合課本的示意圖（圖１１）分析并得到壓力不同的原因。

設計意圖：通過提問的方式引導學生思考，然后在實驗現象的基礎上進行由淺入深、由表及里的理論分析，學生深入理解“浮力產生的原因”，同時也是對“壓強”知識的回顧與鞏固。由于編程需要運用到相關的公式，因此，此處的理論分析和推導都可以為接下來的編程作準備。

步驟三：

教師將提前搭建好的仿真實驗平臺展示出來，并隨機給學生幾組相關數據。先讓學生通過理論分析的思路和方法，由已知數據計算出物體受到的浮力大小。之后，教師再通過Ｓｃｒａｔｃｈ軟件演示和驗證學生計算的結果。

在仿真實驗平臺中，教師可以通過滑桿調節物體的大小，通過鼠標拖動物體改變其浸沒在液體中的深度。學生可以從仿真平臺上讀取物體上、下表面受到的壓力和浮力的大小。圖１２是同一物體在不同液體的同一深度處受到的浮力大小。

設計意圖：學生在計算過程中可以加深對理論分析的理解，熟練使用公式，通過仿真實驗平臺展示相應的結果，可以激發學習信心，更好地幫助學生理解浮力產生的原因。

建構主義理論的核心思想是“以學生為中心”，即以學生作為認知行為的主體，新的知識必須與學生的經驗和思維相聯系，并內化到學生原有的知識體系［８］。先通過觀察真實的實驗現象，讓學生意識到物體上、下表面受到的壓力不同，是建立在學生已有的力學知識的基礎上的思路。結合理論知識分析其原因，是以壓強知識為基礎的。最后，通過軟件進行仿真實驗平臺的搭建，將學生已經學到的知識和經驗與軟件結合起來，并且編入到仿真平臺的搭建程序中，實現了知識的內化過程。不僅可以幫助教師在教學過程中突破“浮力產生的原因”這個難點，還可以鍛煉學生的邏輯推理能力。

在學習了“影響浮力大小的因素”后，教師還可以利用該程序模擬“影響浮力大小的因素”實驗。圖１３模擬的是Ｆ浮與ρ液的關系，從圖中可以看出，對于同一物體，當Ｖ排相同時，ρ液越大，Ｆ浮越大。圖１４模擬的是Ｆ浮與Ｖ排的關系，從圖中可以看出，當ρ液相同時，Ｖ排越大，Ｆ浮越大。

5" " 反思與總結

利用Ｓｃｒａｔｃｈ軟件搭建“浮力產生的原因”仿真實驗平臺的過程，是讓學生運用已有知識和經驗逐步實現知識內化的過程，可以更加深入地理解浮力產生的原因。這個仿真平臺可以反復進行多次實驗，學生可以通過讀取到的數據，發現浮力產生的原理、計算浮力的大小。但是，不足之處在于這個仿真實驗平臺沒有將物體的形變程度顯示出來，可以在此基礎上改進和完善。由于課堂時間有限，教師可以利用課后時間帶領學生完成模擬實驗。這樣，不僅能對課堂的內容進行補充說明，還可以培養學生學習物理的興趣，發展學生的核心素養。

由于Ｓｃｒａｔｃｈ軟件具備難度低、操作簡單、編程可視化等優勢，教師還可以充分挖掘Ｓｃｒａｔｃｈ軟件輔助教學的內容和素材，從不同方面培養學生的科學探究能力，讓教師的授課方式變得多元化，使物理課堂變得生動、活躍。

參考文獻：

［１］王旭卿.面向ＳＴＥＭ教育的創客教育模式研究［Ｊ］．中國電化教育，２０１５（８）：３６－４１．

［２］王志偉，狄莉麗．創客教育軟件Ｓｃｒａｔｃｈ助力中學物理教學研究［Ｊ］．內江科技，２０１９，４０（４）：１２８－１２９．

［３］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心．義務教育教科書物理九年級全一冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１３．

［４］程生銀．改進實驗：探究浮力產生的原因［Ｊ］．學周刊， ２０１６，32（32）：２３３－２３４．

［５］鄧金祥，劉成英．“浮力產生原因”實驗教具的改進設計［Ｊ］．中學物理，２０２２，４０（２）：４０－４１．

［６］潘文術，孟媛，吳偲榕，等． Ｓｃｒａｔｃｈ軟件輔助初中物理教學研究——以“家庭電路中電流過大的原因”為例［Ｊ］．中學物理，２０２２，４０（１８）：５７－６２．

［７］羅文文．Ｓｃｒａｔｃｈ物理創意編程［Ｍ］．北京：清華大學出版社，２０２０．

［８］張雅軍．建構主義指導下的自主學習理論與實踐［Ｍ］． 武漢：華中師范大學出版社， ２０１２．

（欄目編輯" " 賈偉堯）

收稿日期：2023-06-20

作者簡介：楊雅嵐（1992-），女，碩士研究生，中學二級教師，主要從事學科教學（物理）的研究工作。