高中編程教育中的模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)方法

周南

使用編程模擬物理實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生更方便地理論聯(lián)系實(shí)際，加深對(duì)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(jì)算思維與數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新學(xué)科核心素養(yǎng)中的雙重意義。尤其對(duì)部分地區(qū)來(lái)說，利用編程模擬能較好地解決因課時(shí)少、器材缺、教師技能欠缺等導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不充分的問題，為進(jìn)行真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)，加深理解。下面，筆者以《打點(diǎn)計(jì)時(shí)器》為例探討用編程模擬物理實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是學(xué)會(huì)使用計(jì)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(shí)驗(yàn)《打點(diǎn)計(jì)時(shí)器》進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)，模擬重復(fù)打點(diǎn)，形成紙帶效果，學(xué)生在實(shí)踐中不僅能掌握計(jì)數(shù)循環(huán)，而且會(huì)加深對(duì)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作原理及運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的探究。本節(jié)課的程序?qū)W習(xí)可采用半成品加工的方式，突出核心問題，幫助學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

項(xiàng)目實(shí)施過程

在學(xué)習(xí)本課時(shí)，物理學(xué)科正好在同步講解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，學(xué)生了解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)及工作原理，課堂引入時(shí)可以根據(jù)情況進(jìn)行簡(jiǎn)單溫故。

模擬實(shí)驗(yàn)1：模擬勻速直線運(yùn)動(dòng)打點(diǎn)

已知物體處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)速度為0.3m/s，采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄物體運(yùn)動(dòng)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(xué)生理解實(shí)驗(yàn)中物體的運(yùn)動(dòng)過程，使用表1，要求學(xué)生在完成填空的基礎(chǔ)上，再將教師提供的Python半成品程序代碼補(bǔ)充完整（如圖1），運(yùn)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(jìn)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(shí)算法采用順序結(jié)構(gòu)，學(xué)生在該程序中學(xué)習(xí)海龜畫圖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)繪制的過程，為下面的循環(huán)結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。

模擬實(shí)驗(yàn)2：模擬大量自動(dòng)打點(diǎn)

探究如何優(yōu)化模擬實(shí)驗(yàn)1的算法，模擬輸出使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄物體運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)2，從順序結(jié)構(gòu)過渡到循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以讓學(xué)生更好地理解循環(huán)結(jié)構(gòu)的作用，使用循環(huán)語(yǔ)句簡(jiǎn)化算法，提高效率，同時(shí)，該程序可以幫助學(xué)生理解循環(huán)體語(yǔ)句、循環(huán)變量和循環(huán)次數(shù)各自的含義，學(xué)習(xí)for語(yǔ)句的基本格式和列表的range函數(shù)表達(dá)，為模擬物體的勻加速直線運(yùn)動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

模擬實(shí)驗(yàn)3：模擬勻加速直線運(yùn)動(dòng)打點(diǎn)

已知物體處于勻加速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)初速度為0.05m/s，加速度為1m/s2，采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄物體運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)3中，需要將之前所學(xué)的知識(shí)綜合運(yùn)用，利用位移計(jì)算，制作勻加直線運(yùn)動(dòng)的打點(diǎn)效果。本實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)是學(xué)生對(duì)變量中值的變化和算法中遞推思想的理解，可以通過對(duì)其他案例如累加等進(jìn)行講解并遷移，達(dá)到教學(xué)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(xiàng)目拓展

通過模擬實(shí)驗(yàn)，可以利用打上點(diǎn)的紙帶研究物體的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)一步體驗(yàn)測(cè)量平均速度和瞬時(shí)速度，回歸實(shí)驗(yàn)本身的意義，布置項(xiàng)目拓展。以屏幕上的第一個(gè)點(diǎn)為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，用平均速度代替瞬時(shí)速度的方法，粗略地算出每點(diǎn)的速度，填入表2中。同時(shí)，課后請(qǐng)將表2中的瞬時(shí)速度在v-t圖中描點(diǎn)連線，畫出v-t圖像，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

項(xiàng)目交流

實(shí)驗(yàn)是搜集科學(xué)事實(shí)、獲得感性材料的基本方法，同時(shí)也是檢驗(yàn)科學(xué)假說、形成科學(xué)理論的實(shí)踐基礎(chǔ)。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)象的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步加工、整理，可以從中提取出科學(xué)事實(shí)或某種規(guī)律性的理論。本項(xiàng)目通過使用程序?qū)?shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，可以排除真實(shí)實(shí)驗(yàn)中誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生采用逆向思維，深刻體會(huì)程序在情境中的運(yùn)用方法，發(fā)展計(jì)算思維，促進(jìn)對(duì)編程的深度學(xué)習(xí)。

蒼山點(diǎn)題

編程教育與其他信息技術(shù)教育一樣，有豐富多彩的教學(xué)故事可以采用，有奇妙精彩的學(xué)科選題可以使用。但是，我們?cè)谧非髢?nèi)容新鮮、生動(dòng)、豐富的同時(shí)，一定不要忘記在教學(xué)設(shè)計(jì)中注重對(duì)學(xué)法的策略研究，方法研究只有更針對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、思維特點(diǎn)等具體情況，才能更有利于教學(xué)的順利實(shí)施，也才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的技能與思維。

第一篇文章，作者從小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，注重了行動(dòng)比思維先行一步，讓思維順其自然地產(chǎn)生，通過動(dòng)起來(lái)、說出來(lái)、做起來(lái)，充分調(diào)動(dòng)行為動(dòng)作和語(yǔ)言描述等綜合能力的配合，在祝愿卡的制作活動(dòng)中打破單調(diào)的輸出語(yǔ)句學(xué)習(xí)，讓學(xué)生盡情說出自己的心愿并通過心愿卡進(jìn)行展示及與父母交流，在愉快的行動(dòng)中學(xué)習(xí)編程，進(jìn)而通過對(duì)心愿卡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加互動(dòng)功能，體驗(yàn)人機(jī)交互的程序設(shè)計(jì)，順其自然地對(duì)輸入語(yǔ)句進(jìn)行深入探索。在分支程序方面，也通過拯救小動(dòng)物的情境游戲，在行動(dòng)中體驗(yàn)事物判斷的意義，逐步遷移到分支結(jié)構(gòu)程序的應(yīng)用。這些行動(dòng)，降低了算法與程序的理解難度，讓學(xué)生的身心共同參與學(xué)習(xí)，從而培育了多元的智慧。

第二篇文章，作者從高中的學(xué)科學(xué)習(xí)需求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了編程在學(xué)科融合學(xué)習(xí)中在數(shù)字化與創(chuàng)新這一學(xué)科核心素養(yǎng)中的價(jià)值，并深化了計(jì)算思維的培育。在編程學(xué)習(xí)方面，通過最簡(jiǎn)單的圖形——點(diǎn)的繪制，讓分辨率與實(shí)際位移相結(jié)合，從順序程序借助頭腦風(fēng)暴過渡到循環(huán)程序的設(shè)計(jì)，一步步越來(lái)越自動(dòng)化地繪制紙帶上的點(diǎn);在物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面，從勻速運(yùn)行的模擬觀察開始，到加速運(yùn)動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)的觀察與分析，注重了對(duì)直觀現(xiàn)象與抽象數(shù)據(jù)的配合設(shè)計(jì)，對(duì)編程學(xué)習(xí)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(shù)的掌握上對(duì)學(xué)生大有裨益。

也許，不少老師會(huì)質(zhì)疑：為什么編程教學(xué)要在主題內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式上玩這么多花樣，而不是扎實(shí)地進(jìn)行計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的學(xué)習(xí)與編程實(shí)例的訓(xùn)練？這仍然是對(duì)教育理念與教學(xué)方法的爭(zhēng)議問題，并不只是編程教學(xué)面臨的分歧，是軟件教學(xué)還是技術(shù)教學(xué)，是信息素養(yǎng)目標(biāo)還是計(jì)算思維目標(biāo)，甚至只是純粹的編程體系知識(shí)的目標(biāo)，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(diǎn)。