场景分析

问题定义

在当今物理教学实践中，存在三个亟待解决的典型场景：其一，复杂物理现象的展示困境。教师使用传统教具时，难以直观展现碰撞瞬间的动能转换过程，就像用静止的相片描述舞蹈动作。其二，理想实验环境的搭建难题。当需要验证”真空环境下铁球与羽毛同时落地”时，现实中无法完全消除空气阻力影响等。其三，宏观与微观现象的时空限制。教师讲解天体运动时，无法将太阳系按比例缩小到教室空间；分析分子热运动时，又不能将微观世界放大到肉眼可见程度。

本项目针对以上痛点提出解决方案：构建一个可自由调节参数的数字化物理沙盘。这个系统既能将宏观天体运动等比例压缩到屏幕中，又能将微观现象放大到可视尺度，还能通过参数调节创造绝对理想环境。例如，在讲解动量守恒定律时，教师可现场调整碰撞物体的质量比，让学生直观看到不同比例下的运动差异。

现状调研

通过分析教育装备市场及学术文献，发现现有解决方案呈现两极分化态势：专业级软件（如Algodoo、Physion）功能强大但操作复杂，其界面如同飞机驾驶舱，未经培训的教师难以快速掌握；简易型APP（如Phyphox、Physics Toolbox）虽操作简便，但功能单一，如同只能播放固定曲目的音乐盒。而《世界盒子》等沙盘游戏虽具备物理元素，但其物理引擎精度仅停留在娱乐层面，好比用玩具天平称量化学试剂。

针对我校的物理老师问卷调查显示：大多数的老师认为现有数字教具与实际教学需求存在代沟。典型案例显示，某教师在讲解斜抛运动时，花费20分钟调试软件参数仍未获得理想轨迹，最终回归粉笔绘图。这反映出市场产品的三个严重问题：参数调节不够直观、预设案例与教材脱节、缺乏实时数据可视化。

作品方案

作品的主要创意

本系统的核心创意在于构建”三层空间转换”机制：第一层是可见的操作界面，采用类似绘图软件的交互逻辑，使用者如同在数字画布上拖拽物理元素；第二层是隐藏在界面下的参数调节体系，实现复杂参数的直观调节；第三层是动态数据可视化层，在实验过程中实时希显示用户需要研究的数据。

作品设计思路和实现方案

系统架构采用”模块化乐高”设计理念，主要包含三大核心模块：

1. 物理引擎内核：基于经典力学公式构建的计算中枢，采用自己开发的矢量运算库实现精确到毫秒级的运动模拟。如同给每个物体配备隐形传感器，持续追踪位置、速度、加速度等多项基础物理量。

2. 教学辅助模块：内置了大量中学阶段常见的物理实验预设，可以方便在教学时直接一键打开对应实验，更加方便地使用。

3. AI智能助手：加入了DeepSeek等AI大模型，可以直接对该系统的元素进行操作，方便业余爱好者也能体会物理的魅力

4. 精准参数微调：支持用户通过输入数据修改指定的属性等，提供了更高的自由度和可玩性，更有利于教学过程中实现更精准的数据指定等

关键技术突破体现在三个方面：自研物理引擎，将其算法应用于教学软件，实现像素级精度碰撞响应；创新开发”时间压缩”算法，在计算机性能支持的前提下，在任意倍速运行时仍能保持能量守恒计算精度；

研究计划

本项目实施周期为3个月，分四个阶段推进：

阶段 时间窗 里程碑目标 交付物
构思期 第1周 确定基础内容和目标 无
基础构建期 第2-3周 完成物理引擎核心算法验证 可运行的碰撞演示程序
界面开发期 第4-9周 实现全部页面功能 具备完整UI的操作原型
教学适配期 第10-11周 接入各种AI大模型 接入了DeepSeek等AI大模型，优化细节
优化发行期 第12周 完成首个正式版本的发行 修复了所有已知bug，在GitHub等平台发行release版本

预期成果

教育成果：在我们学校已经有部分老师利用我们的作品完成了授课，结果表明相较于传统的讲课刷题的课堂，使用该系统后课堂氛围更活跃，效率更高。

未来预期：在我校甚至其他学校和教育机构继续推广，激发同学们对物理的热爱

最终形成的将不仅是一个软件产品，更是连接经典物理理论与现代教育技术的桥梁。当学生旋转重力调节旋钮时，不仅能看见月球表面的慢速落体，更能理解伽利略比萨斜塔实验的精髓；当拖拽天体构建太阳系模型时，实则是在重走开普勒发现行星定律的智慧之路。这种沉浸式体验，将重新定义物理教育的时空边界。