Algodoo在高中物理全反射教學中的應用

［摘 要］文章首先簡單介紹Algodoo及其研究現(xiàn)狀；其次探討其對設備配置要求不高、實驗條件及元件參數(shù)可調(diào)、適合學生自主探究等應用優(yōu)勢，并通過教學案例展示學生在全反射產(chǎn)生條件、臨界角與折射率的關系等方面的學習與自主探究過程，強調(diào)Algodoo在提高教學效率、培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面的積極作用；最后對Algodoo在高中物理教學中的應用進行了小結。

［關鍵詞］Algodoo；全反射教學；高中物理

［中圖分類號］" " G633.7" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）23-0041-04

隨著信息化的不斷發(fā)展，信息技術在教育教學中的廣泛應用已經(jīng)成為一種教育新趨勢。信息技術的應用使教學方式更加多樣化、教學資源更加豐富、教學過程更加智能化。信息技術與教育教學的有機融合為學生提供了更多的學習資源和自主學習機會，有助于學生進行自主探究，培養(yǎng)科學思維，增強科學探究能力和解決實際問題的能力。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》特別強調(diào)采用多樣化的教學方式，倡導利用現(xiàn)代信息技術，引導學生理解物理學的本質(zhì)，整體認知自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力[1]。基于此，高中物理教師應積極主動開發(fā)適用于物理教學的信息產(chǎn)品，并努力學習和應用數(shù)字媒體技術，豐富物理教學方式，有效提升物理教學的質(zhì)量。

目前，PPT、希沃白板、Flash等教育技術已經(jīng)成為物理教學的重要組成部分，但它們在提高教學場景的真實性、教學內(nèi)容的趣味性和學生的課堂參與度等方面還存在一些局限。而Algodoo這一教育技術可有效突破局限，促進信息技術與物理教學的有機融合。本文以“全反射”教學為例，從教師和學生兩個方面探討Algodoo在高中物理教學中的應用。

一、Algodoo簡介及其研究現(xiàn)狀

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司開發(fā)的一款獨特的2D仿真軟件，它可為用戶提供直觀的環(huán)境，用于創(chuàng)建、模擬物理教學場景和展示物理現(xiàn)象。借助Algodoo內(nèi)置的實時物理引擎以及對重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力等要素的模擬，能夠準確地模擬真實世界和理想條件下的物理規(guī)律。利用Algodoo，用戶可以通過簡單地拖拽、放置和連接不同物體，輕松創(chuàng)建復雜的物理場景，以及觀察物體在模擬環(huán)境中的真實行為。此外，Algodoo還能提供豐富的創(chuàng)意場景設計工具，例如推進器、鐳射筆和彈簧等，便于用戶實現(xiàn)更多的交互和富有創(chuàng)意的設計。

當前，國內(nèi)關于Algodoo與物理教學的融合的研究還不夠充分，Algodoo在光學教學中的應用研究也較為有限。其中，朱紅偉老師在初中物理光學教學中利用Algodoo真實再現(xiàn)光的色散和光的折射現(xiàn)象，以及模擬近視眼的成像原因與矯正方式[2]。陳蓉、楊曉燕、蔡武德則利用Algodoo對光的折射規(guī)律進行了探究[3]。王祥委、段娟娟、彭朝陽運用Algodoo模擬凸透鏡成像，幫助學生理解相關物理規(guī)律[4]。這些研究主要集中在初中光學教學領域，并且在激發(fā)學生的主動性等方面尚有不足。高中物理的光學知識較為抽象，要求學生具備較高的思維能力。國內(nèi)對于Algodoo在高中物理光學教學中的應用研究非常有限，亟待展開深入研究。

二、Algodoo的應用優(yōu)勢

（一）對設備配置要求不高

Algodoo是一種出色的物理仿真工具，具有免費使用、內(nèi)存消耗小、對設備配置要求不高等多重優(yōu)勢，這使得Algodoo在教學應用領域具有明顯的優(yōu)越性。目前，一些學校面臨著設備老化的問題，而一些對設備配置要求高的仿真軟件很難被廣泛應用。而Algodoo通過其低成本、易于操作、對設備配置要求不高等優(yōu)勢，為硬件條件較為薄弱的學校提供了可行的解決方案。

（二）實驗條件及元件參數(shù)可調(diào)

與其他仿真軟件相比，Algodoo在物理教學中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，一是其突出的實驗條件可調(diào)節(jié)性。用戶可以自由調(diào)整重力場、電場、磁場、阻力等元素，為不同物理過程的模擬提供高度靈活的環(huán)境。二是元件參數(shù)的可調(diào)節(jié)性。用戶能夠輕松調(diào)整元件的材質(zhì)、密度、折射率、彈性系數(shù)等，既能模擬真實的物理情境，又能進行理想化實驗的模擬演示，還可以通過調(diào)節(jié)實驗條件和元件參數(shù)進行定量研究。這一特性有利于控制變量法的應用，為系統(tǒng)地、有組織地進行物理實驗探究提供了便利。教師在教學中利用Algodoo調(diào)整實驗條件和元件參數(shù)，可讓學生直觀理解不同條件下實驗的結論，從而促進學生對物理知識的深刻理解。

（三）適合學生自主探究

Algodoo的多功能性為學生提供了廣闊的自主探究空間。Algodoo操作簡單，學生能夠輕松上手。通過Algodoo，學生可以在虛擬環(huán)境中模擬各種物理場景和觀察各種在日常生活或實驗室中難以見到的物理現(xiàn)象。

Algodoo為學生提供了一個可視化、互動化的平臺，利用Algodoo學生可以靈活調(diào)整元件的參數(shù)，模擬不同的場景，觀察實驗結果并進行深入分析。這種自主探究的方式，有助于培養(yǎng)學生的科學思維以及實驗設計能力和問題解決能力。

通過Algodoo進行自主探究，學生能夠培養(yǎng)自身的自主學習能力、批判性思維能力和團隊合作能力等，并且能夠更好地理解和應用物理知識。

三、Algodoo在高中物理全反射教學中的應用案例

（一）選題分析

“光的全反射”選自魯科版選擇性必修第一冊第4章第3節(jié)，本節(jié)課的教學目標是知道全反射現(xiàn)象、光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)、臨界角和全反射條件；理解臨界角的概念，能判斷是否發(fā)生全反射；能用全反射現(xiàn)象解決相關的實際問題。本節(jié)課的教學重點是理解臨界角的概念及全反射條件，教學難點是全反射現(xiàn)象的應用。根據(jù)新課標的要求，教師可先通過“全反射變臉實驗”“沙漠蜃景”“熏黑的鐵球變亮”等實驗激發(fā)學生的探究欲望；再利用單束激光做光的全反射實驗，將復雜的全反射現(xiàn)象進行科學簡化，便于學生在觀察現(xiàn)象中抓住問題本質(zhì)，認識全反射的條件。演示實驗中，可能存在“白天光路不夠清晰，學生難以直觀觀察到實驗現(xiàn)象”的問題。該演示實驗常演示光從玻璃斜射入空氣時的反射和折射現(xiàn)象，在條件允許的情況下教師可把玻璃換成其他介質(zhì)進行重復實驗，或者利用視頻、圖片進行展示。但是，單次實驗只能涉及兩種不同介質(zhì)，且其中一種往往是空氣，相對單一，不利于學生得到普遍規(guī)律，以及理解光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的特性。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對的概念，學生容易誤認為某些介質(zhì)一定是光密介質(zhì)或是光疏介質(zhì)。若在演示實驗后，教師能夠輔助利用現(xiàn)代信息技術，連續(xù)改變兩種介質(zhì)的折射率，讓學生感受并記錄同一介質(zhì)在不同情況下的光密或光疏特性，并自主探究，通過定量模擬實驗得出普遍規(guī)律，將大大增強實驗效果和說服力，培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力。

為此，筆者引入Algodoo進行輔助教學。教材上一節(jié)的“拓展一步”欄目中介紹了絕對折射率與相對折射率的概念，并對折射定律進行了拓展。在折射現(xiàn)象中，光從介質(zhì)1進入介質(zhì)2的折射率稱為介質(zhì)2對介質(zhì)1的相對折射率，用[n21]表示。相對折射率和絕對折射率的關系是[n21=n2n1]（式1），這一公式的引入可以有效優(yōu)化全反射的講解過程，幫助學生更深入地理解折射和全反射現(xiàn)象。為鞏固學生所學知識，筆者設計了自主探究任務，讓學生自主探究不同介質(zhì)發(fā)生全反射時的入射角的大小，從而總結全反射條件，以及通過Algodoo進行分組實驗和自主探究，歸納實驗規(guī)律。

（二）應用案例

1.學生自主探究全反射條件

在進行教材P97“迷你實驗室”欄目中的實驗演示后，教師指導學生利用Algodoo進行模擬實驗，并請學生再次觀察描述實驗現(xiàn)象。

實驗1：設置介質(zhì)1（即入射光所在介質(zhì)）的折射率為1，介質(zhì)2（即折射光所在介質(zhì)）的折射率為2.40，利用鐳射筆作為光源，改變鐳射筆入射方向，改變?nèi)肷浣牵^察是否有全反射現(xiàn)象發(fā)生。

學生甲發(fā)現(xiàn)光從玻璃（[n=1.5]）入射到空氣（[n=1.00029]）時，折射角大于入射角，入射角逐漸增大，反射光變強，折射光變?nèi)酰斎肷浣窃龃蟮揭欢ǔ潭葧r，折射光完全消失，只剩下了反射光。

筆者對學生甲的發(fā)現(xiàn)表示肯定，并告知學生該現(xiàn)象為“全反射”，即折射角趨近于 90°，折射光強度趨近于 0，反射光強度與入射光強度幾乎相等。

若改變兩種介質(zhì)，還會發(fā)生全反射現(xiàn)象嗎？滿足何種條件才會發(fā)生全反射呢？學生提出猜想，設計探究方案，分別改變兩種介質(zhì)的折射率，繼續(xù)利用Algodoo進行模擬實驗，觀察實驗現(xiàn)象（如圖1）并記錄實驗數(shù)據(jù)（如表1）。

經(jīng)過仔細觀察和記錄數(shù)據(jù)，學生發(fā)現(xiàn)只有當入射介質(zhì)的折射率大于折射介質(zhì)的折射率時，才有可能會出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。在這里，筆者指出折射率較小的介質(zhì)為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)為光密介質(zhì)。學生在對比第2組和第4組實驗的結果時，發(fā)現(xiàn)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)不是絕對的，而是相對的。在演示實驗的過程中，學生也容易發(fā)現(xiàn)入射角要不斷增大到某一臨界值才會發(fā)生全反射現(xiàn)象。筆者強調(diào)光剛好發(fā)生全反射時的入射角稱為全反射的臨界角，從而總結得出發(fā)生全反射的條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于等于臨界角。

那么臨界角與折射率有什么關系呢？當介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時，全反射現(xiàn)象會受到怎樣的影響？除了介質(zhì)之間的折射率差異，還有其他因素會影響全反射的發(fā)生嗎？針對這些問題進行深入探究，有助于啟迪學生思維，拓寬學生的探索領域，進一步加深學生對全反射的理解。

2.學生自主探究折射光所在介質(zhì)為空氣時臨界角大小與折射率的關系

在學習了臨界角的概念后，筆者引導學生思考并設計實驗2。

實驗2：將實驗1中上半部分介質(zhì)更換為空氣（[n=1.00029]），多次改變?nèi)肷涔馑诮橘|(zhì)的折射率，分別記錄折射率以及臨界角的大小（利用Algodoo自制量角器測量），觀察實驗現(xiàn)象（如圖2）并記錄數(shù)據(jù)（如表2）。

根據(jù)表2，學生發(fā)現(xiàn)[sinC]約等于[1n]，即[sinC≈1n]（式2）。學生再將實驗1中上半部分介質(zhì)更換為真空（[n=1]），重復上述實驗。學生發(fā)現(xiàn)[sinC=1n]，從而得到光從其他介質(zhì)斜射入真空中時的臨界角公式。實驗2從空氣到真空，有效彌補了演示實驗中無法實現(xiàn)真空的不足，使學生體會到物理中的理想實驗法，進一步培養(yǎng)和提升了學生的科學思維和科學探究能力。

筆者對學生得到的規(guī)律表示贊同，進一步給學生布置自主探究任務：若折射光所在介質(zhì)的折射率不為1，那臨界角的大小和介質(zhì)的折射率又有什么關系？

3.學生自主探究折射光所在介質(zhì)的折射率不為1時臨界角大小和介質(zhì)折射率的關系

在課下，學生依托Algodoo中多種可調(diào)節(jié)折射率的介質(zhì)，對筆者提出的問題進行了實驗探究（部分實驗光路圖如圖3、圖4），并提交了實驗數(shù)據(jù)（如表3、表4）。

實驗3：將介質(zhì)1（玻璃）和介質(zhì)2（玻璃）的折射率由1.4調(diào)到2.0。

實驗4：將介質(zhì)1（玻璃）、介質(zhì)2（水）、介質(zhì)2（水）的折射率設為1.33。

學生由式1、式2推導得：[sinC=n2n1=n21]（[n21]是相對折射率），由此可以得到折射光所在介質(zhì)的折射率不為1時臨界角大小和折射率的關系。

綜上可知，應用Algodoo等信息技術輔助教學，并不是替代傳統(tǒng)教學中的實物實驗，而是將不明顯的、不直觀的、實驗效果差的、無法進行操作的理想實驗等用更加適合的方式進行講解，以此提高教學效率和效果。借助Algodoo，可以讓學生在不受實驗器材和環(huán)境限制的情況下進行自主探究，更好地貫徹“以生為本”的教學理念，培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 朱紅偉.基于Algodoo的初中物理光學教學新思路探討：以蘇科版物理光學教學中若干片段為例[J].中小學實驗與裝備，2021，31（6）：60-62.

[3]" 陳蓉，楊曉燕，蔡武德.Algodoo在探究光的折射規(guī)律中的應用研究[J].物理通報，2018（增刊2）：119-120，124.

[4]" 王祥委，段娟娟，彭朝陽.Algodoo虛擬仿真實驗在中學物理教學中的應用：以凸透鏡成像為例[J].物理通報，2017（7）：85-87.

（責任編輯 黃春香）