摘 要新型模拟软件 Modellus 2.5为师生建构、探究物理现象提供了有效的建模工具及良好的虚拟实验环境。笔者阐述了该软件的出现及优点，并以制作欧姆定律、机械能转换和凸透镜成像3个课件为例，详细说明了软件的使用。
关键词 Modellus 2.5；探究教学；构想
中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：1671-489X（2008）02－0068-03
1 模拟软件Modellus 2.5探悉
当前，“探究教学”已成为国际科学教育的核心理念之一。 著名的《美国国家科学教育标准》与《2061计划》把探究列为学习科学的核心方法，我国教育部 2001年7月颁布的《全日制义务教育物理课程标准(实验稿)》也明确提出“注重科学探究，提倡学习方式多样化”。
当前信息技术迅猛发展，能否为物理课程实施科学探究提供一种新型的学习工具与实验环境，改革传统的以书本为主、实验为辅的教学模式，将现代信息技术渗透于探究教学之中呢？
1997年葡萄牙新里斯本大学（New University of Lisbon）科学与技术学院（Faculty of Sciences and Technology）教授 Vitor.Duarte .Teodore 开发的科学模拟软件Modellus，受到国际科学教育者的广泛好评。2002年修订的新款Modellus 2.5允许使用者从其官方网站“http://phoenix.sce.fct.unl.pt/ modellus / ”免费下载英语、葡萄牙语等版本软件及详细的用户手册。 尽管目前国内尚无使用Modellus 2.5的文献报道，但香港特区教育统筹局曾在2004年11月~2005年1月由香港大学教育应用资讯科技发展研究中心组织对中学科学科（中一至中三）的教师进行了Modellus 2.5 的应用培训，该软件广泛的影响力可见一斑。
这款由科学教育专家研发的模拟软件Modellus 2.5，应用于探究教学有其独特优势：（1）简单易学，方便快捷。如图1所示，Modellus2.5的界面包括“Control window”（控制窗口）、“Notes window”（笔记窗口）、“Modelwindow ”（模型窗口）、“Animation window”（动画窗口）、“Graph window”（图表窗口），“Table window”（表格窗口），这些窗口都可根据需要被隐蔽或保护起来。
制作模拟探究课件时，首先在“Model window ”中创建符合物理现象和过程规律的数学模型，这类似分析物理问题后列出的完整数学公式。由于“Model window ”采用贴近人们思维习惯的常见数学符号和表达式的输入方式，无须使用复杂、专门的编程语言或命令语句，所写所见即所得，实现这一操作过程易如反掌。接着在“Animation window”中绘制出模拟物体，定义其各项属性，如位置、形状、大小等，选择“Control window ”中的运行键即可使一个符合创建数学模型的模拟现象和过程直观地显示在屏幕上。同时，在“Graph window”中可随时查看各参量的变化曲线，“Table window”则列出了各参量的具体变化数值。
（2）功能强大，直观形象。与一些模拟软件大多把物理定律内置，学习者难以实现问题的求解且交互性较差不同，作为一款通用性很强的软件，Modellus 2.5具有强大的数值计算和作图功能，能实现问题的求解。它内嵌了各种数学方程的求解方法，能对涉及复杂微分方程的问题进行实验仿真和模拟，不仅可以很方便地解出结果，还可把结果可视化，作出时间历程图、运动轨迹图、相图等。
（3）“人—机”互动、模拟探究。Modellus 2.5对研究变量设置了从最大值到最小值的变化区间，使用者改变参数值就能得到变化的运动轨迹、图像，借助图象的形象性和直观性，有利于展现变量之间的依赖关系，明确数学公式或图像在揭示物理概念中的作用。基于 Modellus 2.5 良好的模拟探究环境，使用者可对获取的实验数据、图像，甚至纯粹的理想实验（假想实验），利用Modellus 2.5构造数学模型，通过动画、图表、表格来检验模型的正确性。在这种理想化的探究学习环境中，学习者建立、观察、修改那些以解析、类比、图解等表征形式出现的数学对象， 深入理解隐含在物理现象背后的数学规律。
2 Modellus 2.5 引入探究教学之构想
结合3个应用Modellus 2.5制作的模拟课件实例，浅析初中物理教学恰当应用Modellus 2.5 的方法，为师生顺利构建探究活动提供一种操作性较强的现代教学手段。
建议一：作为对“原生态”探究活动（如观察、实验 、设计）的模拟，应用Modellus 2.5 进行探究教学突出了精确测定、定量描述、控制变量等方法在科学研究中的作用，强调提出猜想和形成假设能力的培养。
有调查表明，受数学知识和水平制约， 部分学生收集和处理信息的能力不强，难以对实验数据提供的信息进行归纳与推理，提出猜想和形成假设[1]。不少初中物理概念和规律具有类似比例关系的数学表达式，如U=RI，G=mg，m=ρv等，一些学生理解此类规律存在困难。这是因为，物理学中比例关系的比值，一般都包含一定的物理意义而不是简单的比例系数，该比例系数本身可能同参与比例的两个物理量没有关系，它反映的是事物的其他属性。教师可应用Modellus 2.5制作相应的模拟课件进行课堂探究，启发学生从物理量之间的变化情况概括得出正确的函数关系，借助表格窗口中的大量实验数据引导学生掌握收集信息、处理信息、评价信息的方法。
以欧姆定律的探究为例，不少学生单纯从数学角度理解R=U/I而得出R与加在导体两端的电压U成正比，与通过的电流I成反比的错误结论，难以把握这3个物理量之间存在的相互变化关系。图2是利用Modellus 2.5 制作的“欧姆定律”探究课件（一）。教师事先隐藏“模型窗口”中满足的实验规律U=RI，引导学生观察“动画窗口”中以图像形式直观显现的物理量之间的比例关系：滑动鼠标改变电流I 的大小，在U—I坐标图上出现一条通过原点的斜线（伏安特性曲线）。通过与数学比例式Y=kX以及函数图象的对比，利用表格窗口列出的T、U、R、I的原始数据进行分析和论证，启发学生猜想U、I满足的关系，明确物理量之间的变化条件。若条件许可，教师还可以制作同一坐标图上两个不同电阻的伏安特性曲线，在学生动手操作变化参量的过程中加深对电阻本质的认识。
建议二：应用Modellus 2.5进行探究重在揭示物理现象蕴涵的数学模型及规律，明确数学方法在科学探究中的地位与作用，感受科学方法的熏陶和能力训练。
数学是自然科学研究的语言和工具，应用Modellus 2.5进行探究教学，学生可以认识到数学在描述、解释、预言物理现象、揭示物理规律中的作用，了解物理规律的数学表达式的建立、发展、完善历史，熟悉数学建模的一些基本工具，如代数、图表等，能通过检测模型如何与理论对应，培养科学知识建构的深刻洞察力，初步掌握一些建立典型物理学理论的数学方法。
例如，物体下落过程中重力势能与动能的相互转换，涉及重力做功、动能变化、机械能守恒等知识，与学生的生活经验联系较少，难以理解和把握。采用Modellus 2.5制作的“机械能转换”课件（图3），教师隐蔽模型窗口，让学生观察动画窗口、图表窗口、表格窗口，组织学习小组讨论分析物体下落时动能、势能变化与运动速度、下落高度间的关系，以书面报告或口头说明的方式阐述相关物理量的变化情况。经历这种类似科学家的探究过程，学生可以理解那些总结、概括物理规律的简洁、严谨的数学表达式，是如何建立、发展、完善的；在对实验现象进行归纳时，是如何通过思维加工和数学加工把实验数据转化为规律的数学表达式；在理论分析时，是如何通过严密的推理得到表达式。
建议三：应用Modellus 2.5 进行探究教学重在培养学生预测和构建模型的能力，体验科学探究的过程，学习从科学现象中归纳科学规律的方法。
虽然初中物理较为简单、直观，主要通过观察和实验建立初步的物理概念与规律，获得定性的知识，但一些物理现象及过程不易用传统教学手段完整、清晰地再现，难以激发学生的学习兴趣。应用Modellus 2.5 进行探究则能模拟物理现象，配合物理实验再现、概括、补充实验过程，获取充足的证据。通过证据的收集、从证据中提炼解释、将解释与已有的知识相联系等过程， 能对物理概念之间关系进行准确、直观的描述，帮助学生建立完整的科学概念。学生学会把科学知识与观察、推理和思维的技能结合起来, 对科学探究的手段、使用证据的规则、形成问题的方式、提出解释的方法等一系列问题有了亲身的经验, 他们才能获得对科学的深入理解。
例如，凸透镜成像规律的探究涉及实像、虚像、焦距、物距、像距等物理量的变化， 需要总结出“两倍焦距定缩放，一倍焦距定虚实”的实验规律。利用模拟软件Modellus 2.5进行探究教学时，教师制作好凸透镜成像课件（图4），隐藏“模型窗口”中的成像规律（公式）， 改变透镜的焦距、物距，提醒学生观察“动画窗口”不同条件下的成像情况以及放大率的变化。利用表格窗口中显示的不同状态下透镜的焦距、物距、像距的数值大小，引导学生定性分析归纳出凸透镜成像的规律。这有利于学生全面认识透镜成像情况，熟练掌握透镜成像作图法，认识照相机、投影仪、放大镜的成像原理。对部分学有余力的学生，还可以指导他们对实验数据进行归纳整理，猜想凸透镜成像公式，提出假设或模型，感悟归纳法在科学发现中的作用。
3 小结
初中生智力发展逐步成熟，对物理现象的认识超越了低层次的直觉兴趣与操作兴趣，开始达到物理因果兴趣和理论兴趣水平，这为应用Modellus 2.5进行探究教学奠定了坚实的基础。教师应用Modellus 2.5进行探究教学时应居于主导地位：他们熟悉Modellus 2.5的操作使用方法，可根据学生的实际情况安排不同层次及水平的探究活动，给予针对性的指导。例如，在探究教学的初期，可安排一些基于Modellus 2.5的观察、绘制图表、收集和处理数据等简单的探究活动, 训练学生基本的探究技能，了解探究的基本过程，如“欧姆定律”探究课件；随后，根据教材或教师给出的问题安排部分探究活动，借助Modellus 2.5强大的信息处理能力提供的良好模拟工具及虚拟实验环境，教师设置好探究情境（制作模拟课件），学生在教师指导下进行探究，强化提出问题、收集解释数据、形成假设、作出结论等综合性探究技能的培养，如“机械能转换”探究课件；当学生对探究有了一定的认识，明确了探究的内涵，教师可以选择一些同学感兴趣的课题，组织学习小组独立进行有关控制变量、建立模型、设计实验等难度较大的开放型探究，如凸透镜成像探究课件。最终，学生在与教师以及同伴间的交流与合作过程中获取知识、领悟科学的思想观念与科学方法，体验科学探究的乐趣，促进想象力、探索精神、创造力的发展[2]。
