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(lián)系實際，加深對概念或原理的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和探索能力，突出編程在計算思維與數(shù)字化學習與創(chuàng)新學科核心素養(yǎng)中的雙重意義。尤其對部分地區(qū)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(jié)課的教學目標是學會使用計數(shù)循環(huán)結(jié)構(gòu)程序解決問題的方法。通過嘗試結(jié)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(shù)循環(huán)，而且會加深對打點計時器工作原理及運動現(xiàn)象的探究。本節(jié)課的程序?qū)W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(fā)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(jié)構(gòu)及工作原理，課堂引入時可以根據(jù)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(tài)，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(jù)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(jié)構(gòu)，學生在該程序中學習海龜畫圖實現(xiàn)點繪制的過程，為下面的循環(huán)結(jié)構(gòu)打下基礎。

模擬實驗2：模擬大量自動打點

探究如何優(yōu)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(huán)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(jié)構(gòu)過渡到循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以讓學生更好地理解循環(huán)結(jié)構(gòu)的作用，使用循環(huán)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(huán)體語句、循環(huán)變量和循環(huán)次數(shù)各自的含義，學習for語句的基本格式和列表的range函數(shù)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(tài)，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(zhì)。實驗結(jié)束后，學生對實驗中獲得的數(shù)據(jù)做進一步加工、整理，可以從中提取出科學事實或某種規(guī)律性的理論。本項目通過使用程序?qū)嶒炦M行模擬，可以排除真實實驗中誤差對實驗結(jié)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(fā)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(nèi)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(yǎng)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(fā)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(chǎn)生，通過動起來、說出來、做起來，充分調(diào)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(diào)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(fā)進行設計，體現(xiàn)了編程在學科融合學習中在數(shù)字化與創(chuàng)新這一學科核心素養(yǎng)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(jié)合，從順序程序借助頭腦風暴過渡到循環(huán)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(xiàn)象與抽象數(shù)據(jù)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(zhì)疑：為什么編程教學要在主題內(nèi)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(yǎng)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(xù)探索、比較和反思，也期待大家的更多觀點。