用游戲編程方式學(xué)習(xí)物理知識
對于物理原理和概念的理解，如果從學(xué)生喜歡玩的游戲入手，讓學(xué)生利用Scratch這種簡單的圖形化編程工具進(jìn)行游戲的設(shè)計(jì)，或者是通過修改游戲參數(shù)，來觀察物理現(xiàn)象，分析物理問題，驗(yàn)證物理規(guī)律，學(xué)生應(yīng)該更容易理解。并且對于不能直接觀察的一些微觀現(xiàn)象，還可以通過虛擬仿真的方式加以模擬和體現(xiàn)。
本案例的設(shè)計(jì)旨在通過一個(gè)米奇奔跑的小游戲，讓學(xué)生理解機(jī)械運(yùn)動、參照物、運(yùn)動和靜止的相對性，使他們在調(diào)節(jié)程序中的參數(shù)的同時(shí)，也對物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察、分析和驗(yàn)證。
● 問題的提出
“咱們來看看下面這個(gè)例子：于老師靜靜地坐在從淄博到北京的動車上睡著了，兩個(gè)多小時(shí)后等于老師醒來時(shí)，火車已經(jīng)到達(dá)北京，那么在這個(gè)過程中于老師“運(yùn)動”了嗎？如果說于老師動了，對面的乘客會反對說于老師一直坐在那里睡覺，如果說沒動，那于老師怎么能從淄博來到了北京呢？”
我通過問題式的導(dǎo)入方式，引起學(xué)生對物理現(xiàn)象的觀察和思考。
● 游戲腳本的設(shè)計(jì)
下面就讓我們來類比一下在高鐵上的`情境，在高鐵上我們看到周圍的樹在向后走，而站在軌道旁的人則覺得我們向前走，樹并沒有移動。我們將樹和米奇這兩個(gè)角色放置在舞臺上，如圖1所示。
接下來是米奇的程序，可以通過上移鍵和下移鍵來控制米奇的前進(jìn)速度，不難發(fā)現(xiàn)變量n越大，米奇運(yùn)動越快（如圖2）。
運(yùn)用類似的方法我們可以模擬以米奇為參照物，樹“向后”移動的場景。用變量m表示樹的速度（如圖3）。
接下來，學(xué)生就可以通過程序來輔助學(xué)習(xí)參照物的概念了，學(xué)生的角色可以有兩種，一種是參與編程和建模然后加深對概念的理解，另一種是僅僅使用這個(gè)Scratch課件，回答問題。
● 用游戲編程研究物理現(xiàn)象
課程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則就是要保證學(xué)生的參與，本節(jié)案例采用“導(dǎo)入角色→調(diào)整參數(shù)→研究物理現(xiàn)象”這樣的步驟進(jìn)行。在研究物理現(xiàn)象的同時(shí)，學(xué)生須完成游戲研究報(bào)告，研究報(bào)告設(shè)計(jì)按照“觀察現(xiàn)象→分析問題→驗(yàn)證結(jié)論”的步驟完成。如果學(xué)生設(shè)計(jì)程序的水平不高，可以讓學(xué)生直接導(dǎo)入帶有程序腳本的角色，然后回答以下問題。
1.入門：米奇運(yùn)動的探究
導(dǎo)入米奇角色，我指導(dǎo)學(xué)生看清圖的場景設(shè)置及人物狀態(tài)，完成如下問題。
�。�1）觀察現(xiàn)象
程序沒有啟動時(shí)，米奇在舞臺中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇 （填“靜止”或“運(yùn)動”）。
當(dāng)啟動程序時(shí)，通過按下“上移鍵”使得n值增加，米奇在舞臺中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇 （填“靜止”或“運(yùn)動”）。
（2）分析問題
我們是通過觀察米奇在舞臺中的 變化，來判斷米奇是運(yùn)動還是靜止。
�。�3）驗(yàn)證結(jié)論
在物理學(xué)中，我們把一個(gè)物體相對于另一個(gè)物體位置的變化叫做機(jī)械運(yùn)動。
2.進(jìn)階：對參照物的探究
什么是參照物呢？參是參考的意思，照是對照的意思。我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用這個(gè)概念，如“明明”比“長江”高，長江就是參照物，“博爾特”跑得比“兔子”還快，兔子就是參照物，上面例子中我們給米奇安排的“參照物”是舞臺。
在物理學(xué)中，我們判斷一個(gè)物體是運(yùn)動還是靜止，要看以哪個(gè)物體作為標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)被選作標(biāo)準(zhǔn)的物體叫做參照物。接下來我們可以導(dǎo)入樹角色，完成對運(yùn)動和靜止相對性的探究。
導(dǎo)入樹的角色，當(dāng)米奇跑到舞臺中間時(shí)將n值調(diào)整為0，這時(shí)候米奇會在在舞臺上原地跑動，調(diào)整m的值（程序設(shè)計(jì)用W、S鍵），樹向米奇相反的方向運(yùn)動，完成如下問題。
（1）觀察現(xiàn)象
當(dāng)m、n的值調(diào)整為0時(shí)，米奇在舞臺上原地跑動，米奇在舞臺中的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇相對于舞臺來說是 （填“靜止”或“運(yùn)動”）。
通過按下“W”鍵，使得m值增加，米奇相對于樹的位置 （填“變化”或“沒有變化”），米奇相對于樹來說是 。（填“靜止”或“運(yùn)動”）
�。�2）分析問題
米奇相對于舞臺來說是 ，相對于樹來說是 。（填“靜止”或“運(yùn)動”）
（3）得出結(jié)論
物體的運(yùn)動和靜止是相對的，描述物體的運(yùn)動情況時(shí)，首先要選定參照物。參照物可以根據(jù)需要來選擇，如果選擇的參照物不同，描述同一物體的運(yùn)動時(shí)，結(jié)論一般也不一樣。
設(shè)計(jì)不同情境，設(shè)定不同參照物，讓學(xué)生根據(jù)不同參照物判斷物體運(yùn)動和靜止的情況，可以加深對運(yùn)動和靜止的相對性理解。
3.提升：觀察與思考
游戲中藏在樹后“伺機(jī)而動”的小貓，如果選擇樹為參照物它是 ，如果選擇米奇為參照物它是 。
分析： 如果以樹為參照物，小貓是靜止的，因?yàn)樾∝埾鄬τ跇涞奈恢脹]有變化，如果以米奇為參照物，小貓是運(yùn)動的，因?yàn)樾∝埾鄬τ诿灼娴奈恢冒l(fā)生了變化。
● 結(jié)語
本程序是用編程的方法，通過建模和仿真，來提升學(xué)生對程序和物理概念更加深入的理解。孩子的想象力是無限的，給出更多的素材培養(yǎng)他們的想象力和創(chuàng)新能力是教育的一個(gè)重要方向。這種創(chuàng)造性的活動更能加深學(xué)生對物理知識理解的深度。在對游戲主題自我理解的基礎(chǔ)上，添加自己的角色（可以自選素材，也可以用提供的“貓”素材），編輯腳本深入探究，體驗(yàn)創(chuàng)造的快樂。建模和仿真，也是信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的一種典型的研究方法，仿真并不是簡單地模擬真實(shí)生活，很多時(shí)候，通過建模會有意想不到的收獲。例如，在本案例中，如果對米奇的代碼稍加修改，學(xué)生就可以“發(fā)現(xiàn)”加速運(yùn)動的規(guī)律，我們期望這種“驚喜”能夠常常在課堂上閃現(xiàn)，這也是STEAM教育的旨趣之一。
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