Algodoo在高中物理全反射教学中的应用

［摘 要］文章首先简单介绍Algodoo及其研究现状；其次探讨其对设备配置要求不高、实验条件及元件参数可调、适合学生自主探究等应用优势，并通过教学案例展示学生在全反射产生条件、临界角与折射率的关系等方面的学习与自主探究过程，强调Algodoo在提高教学效率、培养学生核心素养方面的积极作用；最后对Algodoo在高中物理教学中的应用进行了小结。

［关键词］Algodoo；全反射教学；高中物理

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）23-0041-04

随着信息化的不断发展，信息技术在教育教学中的广泛应用已经成为一种教育新趋势。信息技术的应用使教学方式更加多样化、教学资源更加丰富、教学过程更加智能化。信息技术与教育教学的有机融合为学生提供了更多的学习资源和自主学习机会，有助于学生进行自主探究，培养科学思维，增强科学探究能力和解决实际问题的能力。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》特别强调采用多样化的教学方式，倡导利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认知自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力[1]。基于此，高中物理教师应积极主动开发适用于物理教学的信息产品，并努力学习和应用数字媒体技术，丰富物理教学方式，有效提升物理教学的质量。

目前，PPT、希沃白板、Flash等教育技术已经成为物理教学的重要组成部分，但它们在提高教学场景的真实性、教学内容的趣味性和学生的课堂参与度等方面还存在一些局限。而Algodoo这一教育技术可有效突破局限，促进信息技术与物理教学的有机融合。本文以“全反射”教学为例，从教师和学生两个方面探讨Algodoo在高中物理教学中的应用。

一、Algodoo简介及其研究现状

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司开发的一款独特的2D仿真软件，它可为用户提供直观的环境，用于创建、模拟物理教学场景和展示物理现象。借助Algodoo内置的实时物理引擎以及对重力、摩擦力、弹力、浮力、空气阻力等要素的模拟，能够准确地模拟真实世界和理想条件下的物理规律。利用Algodoo，用户可以通过简单地拖拽、放置和连接不同物体，轻松创建复杂的物理场景，以及观察物体在模拟环境中的真实行为。此外，Algodoo还能提供丰富的创意场景设计工具，例如推进器、镭射笔和弹簧等，便于用户实现更多的交互和富有创意的设计。

当前，国内关于Algodoo与物理教学的融合的研究还不够充分，Algodoo在光学教学中的应用研究也较为有限。其中，朱红伟老师在初中物理光学教学中利用Algodoo真实再现光的色散和光的折射现象，以及模拟近视眼的成像原因与矫正方式[2]。陈蓉、杨晓燕、蔡武德则利用Algodoo对光的折射规律进行了探究[3]。王祥委、段娟娟、彭朝阳运用Algodoo模拟凸透镜成像，帮助学生理解相关物理规律[4]。这些研究主要集中在初中光学教学领域，并且在激发学生的主动性等方面尚有不足。高中物理的光学知识较为抽象，要求学生具备较高的思维能力。国内对于Algodoo在高中物理光学教学中的应用研究非常有限，亟待展开深入研究。

二、Algodoo的应用优势

（一）对设备配置要求不高

Algodoo是一种出色的物理仿真工具，具有免费使用、内存消耗小、对设备配置要求不高等多重优势，这使得Algodoo在教学应用领域具有明显的优越性。目前，一些学校面临着设备老化的问题，而一些对设备配置要求高的仿真软件很难被广泛应用。而Algodoo通过其低成本、易于操作、对设备配置要求不高等优势，为硬件条件较为薄弱的学校提供了可行的解决方案。

（二）实验条件及元件参数可调

与其他仿真软件相比，Algodoo在物理教学中展现出明显的优越性，一是其突出的实验条件可调节性。用户可以自由调整重力场、电场、磁场、阻力等元素，为不同物理过程的模拟提供高度灵活的环境。二是元件参数的可调节性。用户能够轻松调整元件的材质、密度、折射率、弹性系数等，既能模拟真实的物理情境，又能进行理想化实验的模拟演示，还可以通过调节实验条件和元件参数进行定量研究。这一特性有利于控制变量法的应用，为系统地、有组织地进行物理实验探究提供了便利。教师在教学中利用Algodoo调整实验条件和元件参数，可让学生直观理解不同条件下实验的结论，从而促进学生对物理知识的深刻理解。

（三）适合学生自主探究

Algodoo的多功能性为学生提供了广阔的自主探究空间。Algodoo操作简单，学生能够轻松上手。通过Algodoo，学生可以在虚拟环境中模拟各种物理场景和观察各种在日常生活或实验室中难以见到的物理现象。

Algodoo为学生提供了一个可视化、互动化的平台，利用Algodoo学生可以灵活调整元件的参数，模拟不同的场景，观察实验结果并进行深入分析。这种自主探究的方式，有助于培养学生的科学思维以及实验设计能力和问题解决能力。

通过Algodoo进行自主探究，学生能够培养自身的自主学习能力、批判性思维能力和团队合作能力等，并且能够更好地理解和应用物理知识。

三、Algodoo在高中物理全反射教学中的应用案例

（一）选题分析

“光的全反射”选自鲁科版选择性必修第一册第4章第3节，本节课的教学目标是知道全反射现象、光密介质和光疏介质、临界角和全反射条件；理解临界角的概念，能判断是否发生全反射；能用全反射现象解决相关的实际问题。本节课的教学重点是理解临界角的概念及全反射条件，教学难点是全反射现象的应用。根据新课标的要求，教师可先通过“全反射变脸实验”“沙漠蜃景”“熏黑的铁球变亮”等实验激发学生的探究欲望；再利用单束激光做光的全反射实验，将复杂的全反射现象进行科学简化，便于学生在观察现象中抓住问题本质，认识全反射的条件。演示实验中，可能存在“白天光路不够清晰，学生难以直观观察到实验现象”的问题。该演示实验常演示光从玻璃斜射入空气时的反射和折射现象，在条件允许的情况下教师可把玻璃换成其他介质进行重复实验，或者利用视频、图片进行展示。但是，单次实验只能涉及两种不同介质，且其中一种往往是空气，相对单一，不利于学生得到普遍规律，以及理解光疏介质和光密介质的特性。光密介质和光疏介质是相对的概念，学生容易误认为某些介质一定是光密介质或是光疏介质。若在演示实验后，教师能够辅助利用现代信息技术，连续改变两种介质的折射率，让学生感受并记录同一介质在不同情况下的光密或光疏特性，并自主探究，通过定量模拟实验得出普遍规律，将大大增强实验效果和说服力，培养学生的科学思维和科学探究能力。

为此，笔者引入Algodoo进行辅助教学。教材上一节的“拓展一步”栏目中介绍了绝对折射率与相对折射率的概念，并对折射定律进行了拓展。在折射现象中，光从介质1进入介质2的折射率称为介质2对介质1的相对折射率，用[n21]表示。相对折射率和绝对折射率的关系是[n21=n2n1]（式1），这一公式的引入可以有效优化全反射的讲解过程，帮助学生更深入地理解折射和全反射现象。为巩固学生所学知识，笔者设计了自主探究任务，让学生自主探究不同介质发生全反射时的入射角的大小，从而总结全反射条件，以及通过Algodoo进行分组实验和自主探究，归纳实验规律。

（二）应用案例

1.学生自主探究全反射条件

在进行教材P97“迷你实验室”栏目中的实验演示后，教师指导学生利用Algodoo进行模拟实验，并请学生再次观察描述实验现象。

实验1：设置介质1（即入射光所在介质）的折射率为1，介质2（即折射光所在介质）的折射率为2.40，利用镭射笔作为光源，改变镭射笔入射方向，改变入射角），观察是否有全反射现象发生。

学生甲发现光从玻璃（[n=1.5]）入射到空气（[n=1.00029]）时，折射角大于入射角，入射角逐渐增大，反射光变强，折射光变弱，当入射角增大到一定程度时，折射光完全消失，只剩下了反射光。

笔者对学生甲的发现表示肯定，并告知学生该现象为“全反射”，即折射角趋近于 90°，折射光强度趋近于 0，反射光强度与入射光强度几乎相等。

若改变两种介质，还会发生全反射现象吗？满足何种条件才会发生全反射呢？学生提出猜想，设计探究方案，分别改变两种介质的折射率，继续利用Algodoo进行模拟实验，观察实验现象（如图1）并记录实验数据（如表1）。

经过仔细观察和记录数据，学生发现只有当入射介质的折射率大于折射介质的折射率时，才有可能会出现全反射现象。在这里，笔者指出折射率较小的介质为光疏介质，折射率较大的介质为光密介质。学生在对比第2组和第4组实验的结果时，发现光疏介质和光密介质不是绝对的，而是相对的。在演示实验的过程中，学生也容易发现入射角要不断增大到某一临界值才会发生全反射现象。笔者强调光刚好发生全反射时的入射角称为全反射的临界角，从而总结得出发生全反射的条件：光从光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角。

那么临界角与折射率有什么关系呢？当介质的折射率发生变化时，全反射现象会受到怎样的影响？除了介质之间的折射率差异，还有其他因素会影响全反射的发生吗？针对这些问题进行深入探究，有助于启迪学生思维，拓宽学生的探索领域，进一步加深学生对全反射的理解。

2.学生自主探究折射光所在介质为空气时临界角大小与折射率的关系

在学习了临界角的概念后，笔者引导学生思考并设计实验2。

实验2：将实验1中上半部分介质更换为空气（[n=1.00029]），多次改变入射光所在介质的折射率，分别记录折射率以及临界角的大小（利用Algodoo自制量角器测量），观察实验现象（如图2）并记录数据（如表2）。

根据表2，学生发现[sinC]约等于[1n]，即[sinC≈1n]（式2）。学生再将实验1中上半部分介质更换为真空（[n=1]），重复上述实验。学生发现[sinC=1n]，从而得到光从其他介质斜射入真空中时的临界角公式。实验2从空气到真空，有效弥补了演示实验中无法实现真空的不足，使学生体会到物理中的理想实验法，进一步培养和提升了学生的科学思维和科学探究能力。

笔者对学生得到的规律表示赞同，进一步给学生布置自主探究任务：若折射光所在介质的折射率不为1，那临界角的大小和介质的折射率又有什么关系？

3.学生自主探究折射光所在介质的折射率不为1时临界角大小和介质折射率的关系

在课下，学生依托Algodoo中多种可调节折射率的介质，对笔者提出的问题进行了实验探究（部分实验光路图如图3、图4），并提交了实验数据（如表3、表4）。

实验3：将介质1（玻璃）和介质2（玻璃）的折射率由1.4调到2.0。

实验4：将介质1（玻璃）、介质2（水）、介质2（水）的折射率设为1.33。

学生由式1、式2推导得：[sinC=n2n1=n21]（[n21]是相对折射率），由此可以得到折射光所在介质的折射率不为1时临界角大小和折射率的关系。

综上可知，应用Algodoo等信息技术辅助教学，并不是替代传统教学中的实物实验，而是将不明显的、不直观的、实验效果差的、无法进行操作的理想实验等用更加适合的方式进行讲解，以此提高教学效率和效果。借助Algodoo，可以让学生在不受实验器材和环境限制的情况下进行自主探究，更好地贯彻“以生为本”的教学理念，培养学生的学科核心素养。

［   参   考   文   献   ］

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]  朱红伟.基于Algodoo的初中物理光学教学新思路探讨：以苏科版物理光学教学中若干片段为例[J].中小学实验与装备，2021，31（6）：60-62.

[3]  陈蓉，杨晓燕，蔡武德.Algodoo在探究光的折射规律中的应用研究[J].物理通报，2018（增刊2）：119-120，124.

[4]  王祥委，段娟娟，彭朝阳.Algodoo虚拟仿真实验在中学物理教学中的应用：以凸透镜成像为例[J].物理通报，2017（7）：85-87.

（责任编辑 黄春香）