Scratch软件辅助初中物理教学初探

摘    要：针对“浮力产生的原因”这一教学难点，利用Scratch软件设计了仿真实验平台。该仿真实验平台具有可以显示物体大小、浸没在液体中的物体上下表面的压力大小、浮力大小等功能，学生可以直接从平台中读取实验数据，从而充分理解“浮力产生的原因”。利用该平台进行辅助教学，让“浮力产生的原因”这一抽象的知识变得形象。另外，学生还可以在仿真平台的搭建过程中复习和巩固相关的物理知识及原理。

关键词：Scratch；仿真实验；浮力产生的原因；初中物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）1-0081-6

Ｓｃｒａｔｃｈ是美国麻省理工学院ＭＩＴ媒体实验室推出的一款可视化、代码块拖拉式的教育性编程工具［１］。它是一款帮助师生建立物理模型用于演示实验教学的图形化编程软件，能够辅助师生理解、探究枯燥抽象的物理知识［２］。教师可以利用Ｓｃｒａｔｃｈ软件编程搭建仿真实验平台，相关程序的编写是在物理知识和物理原理的基础上进行的。可以将一些难以观察、难以理解的实验现象、知识概念或无法进行实验演示的内容，以生动、形象的方式呈现。这样，不仅能提升学生学习物理的兴趣和课堂参与度，还可以帮助学生加深对物理公式等的理解。因此，利用Ｓｃｒａｔｃｈ软件辅助教学，可以帮助学生加深对物理规律、原理的理解和认识。

下面，以人教版初中物理八年级下册“浮力产生的原因”为例，探讨Ｓｃｒａｔｃｈ软件在初中物理教学中的应用与融合。

1    教材分析

“浮力产生的原因”一直以来都是初中浮力教学中的难点内容，因为它需要学生综合运用“力的合成”和“压强”的知识来分析和理解浮力。笔者对比了几个版本的初中教材后发现，人教版、沪科版和教科版的物理教材都是结合压强的知识，通过理论分析与推理相结合的方法，帮助学生认识浮力产生的原因。人教版教材是这样阐述的：“浸没在液体中的物体，其上、下表面受到液体对它的压力不同，这就是浮力产生的原因”［３］。北师大版的教材利用了一个用橡皮膜封住两端开口的玻璃筒，将其浸没水中后，通过观察橡皮膜的形变程度，结合理论分析，引导学生发现浮力产生的原因。然而，这些教学方式对学生的数学基础和思维水平的要求都比较高。对于八年级的学生来说，其思维方式还是以具体的形象思维为主。因此，三版教材采用的理论分析方式对八年级的学生来说难度还是较大的。

2    实验的改进及存在的问题

很多教师通过自制教具帮助学生理解浮力产生的原因。例如，程生银利用橡皮膜的形变程度来衡量浸没在液体中的物体上下表面受到的压力，通过形变程度不同来说明浮力产生的原因［４］；邓金祥等用橡皮膜封好的空心圆筒与Ｕ形管连接，通过观察Ｕ形管内的液面高度差，更直观地说明液体内物体上下表面受到的压力不同［５］。利用这些自制教具的好处是将课本上的图片转化为可供学生直接观察的动态现象后，他们更容易理解浮力产生的原因。利用 Ｕ形管还能将物体上、下表面受到的压力更明显地展示出来，便于学生观察。不足之处在于学生不能直观读取物体上、下表面受到的压力大小，也不能计算其压力差。利用ＤＩＳ数字传感器让学生收集具体数据，并通过定量分析探究影响浮力大小的因素，其结果更直观、具体，说服力较强。但是，ＤＩＳ数字传感器的成本较高，在一些教育资源相对落后的地区，较难在普通中学进行普及和推广，而且学生的信息技术基础也比较薄弱，ＤＩＳ数字传感器实验操作难度较大。

3    “浮力产生的原因”演示实验的软件设计

3．１    算法与流程

以初中物理“压强”与“二力的合成”理论分析为基础，利用Ｓｃｒａｔｃｈ程序模拟浸在液体中的物体上下表面受到的压力及浮力大小的场景，算法流程如图１所示。第１步，开始；第２步，数据初始化；第３步，判断物体是否浸在液体中，如果“是”，执行第５步，如果“否”，执行第４步；第６步，只改变物体的大小，接着执行第９步；第７步，只改变液体的密度，接着执行第９步；第８步，改变物体的位置，需要回到第３步进行判断，若“是”，执行第９步，若“否”，则返回第４步。

3．２    编程与实现

Ｓｃｒａｔｃｈ软件操作界面如图２所示，主要由积木分类区、积木区、代码区、角色列表区、背景区、舞台区六个部分组成。代码区有代码、造型、声音三个模块，可以对角色进行编程；造型区可以修改角色的造型，如大小、颜色、形状等；声音区可以给角色添加声音。在角色列表中可设置角色的大小、格式、位置等；代码和角色完成编程后，在舞台区展示程序运行的效果［６］。结合对应的物理理论知识融合算法分析，进行编程。通过创建角色、数据初始化及上下表面压力、浮力的计算，完成仿真实验平台设计。

3．２．１    创建角色

在角色列表区创建新的角色，也可以在系统中选择需要的角色。编程需要创建的角色有液体、物块、清水按钮和浓盐水按钮，如图３所示。其中，“液体”角色需要自行在角色造型区进行绘制，其余角色可以在系统中选择。“液体”角色有两种造型，分别代表“清水”和“浓盐水”；“清水”按钮和“浓盐水”按钮用于改变液体的密度。创建好之后，可以根据需要修改角色名称。为了方便后续计算，在绘制“液体”角色时，将液面的ｙ坐标设置为０。

3．２．２    数据初始化

创建变量“物体的边长”“物体的底面积”“物体上表面的深度ｈ１”“物体下表面的深度ｈ２”“物体上表面受到的压力Ｆ上”“物体下表面受到的压力Ｆ下”“物体的浮力”“液体的密度”。为了能够通过拉动滑杆改变物体的大小，让实验结论更具有普遍性，在数据初始化时选中“物体”角色并对其编程，将“物体的底面积”设置为“物体的边长×物体的边长”，如图４所示。这样的设计还可以用来探究浮力与Ｖ排的关系。为了能在按下小绿旗时物体不被液体覆盖以及回到初始位置，笔者还设置了如图５所示的代码。

3．２．３    计算浮力

根据浮力产生的原理，用Ｆ浮＝Ｆ下－Ｆ上计算浮力的大小。因为程序中液面的坐标ｙ ＝０，当物体浸没在液体中时，物体的深度可以用物体的ｙ坐标来计算［７］。为了缩小深度，让模拟结果与计算结果契合，这里将ｙ坐标乘以０．１。根据压力与压强的知识，可以用F=ρghS计算液体对物体上、下表面的压力。其中，ｇ＝９．８ Ｎ／ｋｇ，物体的边长、底面积都已换算成国际单位。若物体有部分露出液面，其上表面的深度与受到的液体压力均为０。此时，物体受到的浮力即为物体下表面受到的液体压力。因此，需要系统先对物体的位置作出判断，再进行浮力的计算，其程序代码如图６所示。最后，将计算的结果保留两位小数。

3．２．４    判断物体是否受到浮力

当物体全部离开液体后，将不再受到浮力的作用。此时，物体上、下表面受到的液体的压力均为０，浮力也为０，系统提示将物体拖入液体中，代码如图７所示。其中，坐标ｘ与ｙ的取值范围根据液体的实际坐标来设定。

3．２．５    改变液体的密度

要改变液体的密度，就要对“清水”按钮、“浓盐水”按钮和“液体”这三个角色分别进行代码的编写。当“清水”按钮被点击时，会广播“清水”，并将液体的密度设为“１０００”（图８）；当“浓盐水”按钮被点击时，会广播“浓盐水”，并将液体的密度设为“１３００”；当“液体”接收到“清水”时，会转换成“清水”的造型（图９）；当“液体”接收到“浓盐水”时，会转换成“浓盐水”的造型。

利用Ｓｃｒａｔｃｈ软件定义角色，对角色进行数据初始化，计算出物体受到的浮力大小，完成了“浮力产生的原因”仿真实验平台的搭建，如图１０所示。改变浸没在液体中物体的深度、液体的密度，不仅可以直接读取物体上、下表面的压力大小、计算压力差，还可以读出Ｆ浮＝Ｆ下－Ｆ上，从而得到浮力产生的原因。除此之外，通过该程序还可以引导学生探究浸没在不同液体中同一深度处的同一物体受到的浮力大小是否相同。

4    “浮力产生的原因”仿真实验平台的教学建议

以人教版教材为例，提出利用“浮力产生的原因”的虚拟实验平台辅助教师开展教学活动的三个步骤的建议。

步骤一：

教师在讲“浮力产生的原因”时，可以先利用文章一开始提到的自制教具向学生演示，引导学生通过观察橡皮膜的形变程度，推理出浸没在液体中的物体的上、下表面受到的压力不同的结论。

设计意图：通过实验，学生可以直观地看到橡皮膜形变程度的差异，通过该现象，教师引导学生结合理论知识推理出物体上、下表面受到的压力不同的结论。这样的设计符合学生的认知，学生理解起来也比较容易。

步骤二：

在学生得出物体上、下表面受到的压力不同的结论后，教师可以进一步提出问题：为什么浸没在液体中的物体上、下表面的压力会不同？然后，再结合课本的示意图（图１１）分析并得到压力不同的原因。

设计意图：通过提问的方式引导学生思考，然后在实验现象的基础上进行由浅入深、由表及里的理论分析，学生深入理解“浮力产生的原因”，同时也是对“压强”知识的回顾与巩固。由于编程需要运用到相关的公式，因此，此处的理论分析和推导都可以为接下来的编程作准备。

步骤三：

教师将提前搭建好的仿真实验平台展示出来，并随机给学生几组相关数据。先让学生通过理论分析的思路和方法，由已知数据计算出物体受到的浮力大小。之后，教师再通过Ｓｃｒａｔｃｈ软件演示和验证学生计算的结果。

在仿真实验平台中，教师可以通过滑杆调节物体的大小，通过鼠标拖动物体改变其浸没在液体中的深度。学生可以从仿真平台上读取物体上、下表面受到的压力和浮力的大小。图１２是同一物体在不同液体的同一深度处受到的浮力大小。

设计意图：学生在计算过程中可以加深对理论分析的理解，熟练使用公式，通过仿真实验平台展示相应的结果，可以激发学习信心，更好地帮助学生理解浮力产生的原因。

建构主义理论的核心思想是“以学生为中心”，即以学生作为认知行为的主体，新的知识必须与学生的经验和思维相联系，并内化到学生原有的知识体系［８］。先通过观察真实的实验现象，让学生意识到物体上、下表面受到的压力不同，是建立在学生已有的力学知识的基础上的思路。结合理论知识分析其原因，是以压强知识为基础的。最后，通过软件进行仿真实验平台的搭建，将学生已经学到的知识和经验与软件结合起来，并且编入到仿真平台的搭建程序中，实现了知识的内化过程。不仅可以帮助教师在教学过程中突破“浮力产生的原因”这个难点，还可以锻炼学生的逻辑推理能力。

在学习了“影响浮力大小的因素”后，教师还可以利用该程序模拟“影响浮力大小的因素”实验。图１３模拟的是Ｆ浮与ρ液的关系，从图中可以看出，对于同一物体，当Ｖ排相同时，ρ液越大，Ｆ浮越大。图１４模拟的是Ｆ浮与Ｖ排的关系，从图中可以看出，当ρ液相同时，Ｖ排越大，Ｆ浮越大。

5    反思与总结

利用Ｓｃｒａｔｃｈ软件搭建“浮力产生的原因”仿真实验平台的过程，是让学生运用已有知识和经验逐步实现知识内化的过程，可以更加深入地理解浮力产生的原因。这个仿真平台可以反复进行多次实验，学生可以通过读取到的数据，发现浮力产生的原理、计算浮力的大小。但是，不足之处在于这个仿真实验平台没有将物体的形变程度显示出来，可以在此基础上改进和完善。由于课堂时间有限，教师可以利用课后时间带领学生完成模拟实验。这样，不仅能对课堂的内容进行补充说明，还可以培养学生学习物理的兴趣，发展学生的核心素养。

由于Ｓｃｒａｔｃｈ软件具备难度低、操作简单、编程可视化等优势，教师还可以充分挖掘Ｓｃｒａｔｃｈ软件辅助教学的内容和素材，从不同方面培养学生的科学探究能力，让教师的授课方式变得多元化，使物理课堂变得生动、活跃。

参考文献：

［１］王旭卿.面向ＳＴＥＭ教育的创客教育模式研究［Ｊ］．中国电化教育，２０１５（８）：３６－４１．

［２］王志伟，狄莉丽．创客教育软件Ｓｃｒａｔｃｈ助力中学物理教学研究［Ｊ］．内江科技，２０１９，４０（４）：１２８－１２９．

［３］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心．义务教育教科书物理九年级全一册［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１３．

［４］程生银．改进实验：探究浮力产生的原因［Ｊ］．学周刊， ２０１６，32（32）：２３３－２３４．

［５］邓金祥，刘成英．“浮力产生原因”实验教具的改进设计［Ｊ］．中学物理，２０２２，４０（２）：４０－４１．

［６］潘文术，孟媛，吴偲榕，等． Ｓｃｒａｔｃｈ软件辅助初中物理教学研究——以“家庭电路中电流过大的原因”为例［Ｊ］．中学物理，２０２２，４０（１８）：５７－６２．

［７］罗文文．Ｓｃｒａｔｃｈ物理创意编程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０２０．

［８］张雅军．建构主义指导下的自主学习理论与实践［Ｍ］． 武汉：华中师范大学出版社， ２０１２．

（栏目编辑    贾伟尧）

收稿日期：2023-06-20

作者简介：杨雅岚（1992-），女，硕士研究生，中学二级教师，主要从事学科教学（物理）的研究工作。