PhET互動(dòng)式仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用初探

沈德強(qiáng)

摘要：模擬型軟件是科學(xué)教育教學(xué)中使用最廣泛、最能發(fā)揮計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)的教育性軟件，有壓縮和放大時(shí)間、變不可能為可能及提高綜合能力的優(yōu)點(diǎn)。PhET互動(dòng)式仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件有開(kāi)源性好、直觀性強(qiáng)、仿真性高和互動(dòng)性佳的優(yōu)點(diǎn)，很適合小學(xué)科學(xué)“物質(zhì)世界”教學(xué)使用。本文從教師演示科學(xué)實(shí)驗(yàn)、學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)之前先模擬、自主體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及推動(dòng)學(xué)生的自主探究幾個(gè)角度分別進(jìn)行舉例分析。

關(guān)鍵詞：模擬軟件；“物質(zhì)世界”教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2015）13/14-0146-04

● 模擬型軟件在科學(xué)教育中的意義與價(jià)值

20世紀(jì)90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、虛擬技術(shù)及數(shù)字技術(shù)等信息技術(shù)的發(fā)展成熟，現(xiàn)代教育技術(shù)在中小學(xué)教育中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。正如聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際21世紀(jì)教育委員會(huì)所指出的，“新技術(shù)使人類進(jìn)入了信息傳播全球化的時(shí)代”，“這些新技術(shù)正在我們眼前引起一場(chǎng)真正的革命，這場(chǎng)革命既影響著與生產(chǎn)和工作相關(guān)的活動(dòng)，又影響著與教學(xué)和培訓(xùn)有關(guān)的活動(dòng)”。《科學(xué)（3～6年級(jí)）課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》也指出，“要引導(dǎo)學(xué)生利用廣泛存在于學(xué)校、家庭、社會(huì)、大自然、網(wǎng)絡(luò)和各種媒體中的多種資源進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)，將學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)置于廣闊的背景之中”，“各種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件、文字處理軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、畫(huà)圖軟件、教學(xué)評(píng)價(jià)軟件、甚至包括某些智力游戲，都是很好的教學(xué)資源或工具”。

計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件從類型上劃分主要包括練習(xí)軟件、輔導(dǎo)軟件、模擬軟件及通用軟件等。其中，模擬型軟件（Simulation software）是科學(xué)教育教學(xué)中使用最廣泛、最能發(fā)揮計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)的教育性軟件。尤其對(duì)于一些自然景觀的觀察及科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作，由于各種原因，學(xué)生不能在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生“身臨其境”之感，而模擬型軟件則提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)情境。其主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

①壓縮和放大時(shí)間。模擬型軟件“壓縮”和“放慢”的功能對(duì)學(xué)生進(jìn)一步理解科學(xué)知識(shí)是十分有益的，其更大的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，可隨時(shí)重復(fù)、放慢（加快）某一環(huán)節(jié)，這在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中是不可想象的。

②變不可能為可能。模擬型軟件能把過(guò)去在課堂上不太可能或根本不可能做的實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)課堂。在整個(gè)操作過(guò)程中，學(xué)生不僅可以調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度還可以隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展排除故障，回答軟件中預(yù)先設(shè)計(jì)好的問(wèn)題，并對(duì)下一實(shí)驗(yàn)步驟做出選擇，學(xué)生不單單是信息的接受者，更是科學(xué)實(shí)驗(yàn)積極的參與者。

③綜合能力的提高。模擬型軟件能通過(guò)游戲、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及不同形式創(chuàng)設(shè)一種情境去鍛煉學(xué)生的綜合思維能力和解決問(wèn)題的能力。

模擬型科學(xué)實(shí)驗(yàn)雖然不能完全替代真正的課堂實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于一些不適合在課堂上做的，或是由于資源及種種原因不能讓學(xué)生親自動(dòng)手的課堂實(shí)驗(yàn)和活動(dòng)實(shí)在是一個(gè)很好的替代。 PhET互動(dòng)式仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件就是其中一例。

● PhET互動(dòng)式仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件的發(fā)展與特點(diǎn)、功能

PhET互動(dòng)式仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件（下文簡(jiǎn)稱為PhET）來(lái)源于美國(guó)科羅拉多大學(xué)的PhET計(jì)劃（Physics Education Technology project），即物理教育科技計(jì)劃的簡(jiǎn)稱，該計(jì)劃通過(guò)建立互動(dòng)式仿真模擬實(shí)驗(yàn)科學(xué)網(wǎng)站（http：//phet.colorado.edu/），提供物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)及地球科學(xué)等模擬實(shí)驗(yàn)，所有軟件經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試和評(píng)估后發(fā)布，供教師示范、學(xué)生作業(yè)以及代替實(shí)驗(yàn)操作。其中的互動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)以Java語(yǔ)言和Flash多媒體軟件開(kāi)發(fā)為主，已有50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)參與其中并進(jìn)行軟件的本地語(yǔ)言化。2010年發(fā)行中文安裝包，使用者僅需相應(yīng)的瀏覽器便可以執(zhí)行選定的模擬實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)站上的模擬實(shí)驗(yàn)屬于公共授權(quán)，使用者無(wú)需付費(fèi)或特別取得授權(quán)即可直接使用，可以在線運(yùn)行，也可以下載后使用，這一優(yōu)勢(shì)對(duì)物質(zhì)水平較低的或者無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)尤為重要。

PhET主要是研究仿真技術(shù)，以改進(jìn)物理及其他理科教學(xué)，通過(guò)趣味互動(dòng)的游戲方式，幫助學(xué)生理解生澀難懂的概念以及蘊(yùn)藏的數(shù)理關(guān)系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。該軟件適用于以下情況：①理解枯燥的抽象概念和規(guī)律（如運(yùn)動(dòng)學(xué)、拋物線、可逆反應(yīng)等概念）；②觀察極其微小的（如原子、電子）或極其巨大的對(duì)象（如太陽(yáng)系、冰河等）；③記錄反應(yīng)速度太快（如核反應(yīng)）或太慢（如溫室效應(yīng)）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；④使用實(shí)驗(yàn)器材昂貴（如MRI核磁共振造影）或重復(fù)進(jìn)行不同參數(shù)條件的測(cè)試的實(shí)驗(yàn)（如熱、化學(xué)反應(yīng)速率等）；⑤具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)（如觸電、易燃性、放射性等實(shí)驗(yàn)）。

PhET的特點(diǎn)為：①開(kāi)源性好。采用Java和Flash多媒體軟件開(kāi)發(fā)，授權(quán)模式為公共授權(quán)，可以自由、免費(fèi)使用。并且網(wǎng)站提供相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)的源代碼，可供教師和學(xué)生下載研究，通過(guò)自由平臺(tái)可以進(jìn)行再創(chuàng)作。②直觀性強(qiáng)。采用動(dòng)畫(huà)、圖片、表格等方式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加直觀化，且在學(xué)習(xí)過(guò)程中，給予適當(dāng)?shù)膸椭⑻崾竞筒僮髦甘荆奖憬處煹膶?shí)驗(yàn)指導(dǎo)，也有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。③仿真性高。能提供近似真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境、仿真的實(shí)驗(yàn)器材，當(dāng)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)，將發(fā)生精確的實(shí)驗(yàn)變化，產(chǎn)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，便于師生的實(shí)踐操作。④互動(dòng)性佳。克服了同類模擬實(shí)驗(yàn)工具僅能演示或者少量互動(dòng)操作的缺點(diǎn)，給師生提供更多的參與互動(dòng)機(jī)會(huì)。學(xué)生可以根據(jù)提示，操作實(shí)驗(yàn)儀器，使用測(cè)量工具，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和整理，做到真正的理解。

● PhET在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

“物質(zhì)世界”是小學(xué)科學(xué)中關(guān)于物質(zhì)和能量的本質(zhì)及變化的教學(xué)內(nèi)容。包括力和運(yùn)動(dòng)、熱和物質(zhì)狀態(tài)、聲音、光、電和磁、物理變化和化學(xué)變化。該部分的教學(xué)活動(dòng)一般以觀察物體的性質(zhì)和通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)了解物質(zhì)和能量的變化規(guī)律。PhET有大量設(shè)計(jì)成熟的程序可供“物質(zhì)世界”的教學(xué)使用。

1.教師利用軟件演示科學(xué)實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)即創(chuàng)設(shè)特定條件，重現(xiàn)大自然某些自然現(xiàn)象，并配合教學(xué)內(nèi)容由教師操作的示范實(shí)驗(yàn)。在“物質(zhì)世界”的學(xué)習(xí)中大量的客觀事實(shí)無(wú)法用語(yǔ)言或平面圖來(lái)解釋。因而，教師可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)、選擇和利用模擬軟件，化抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，把要研究的科學(xué)現(xiàn)象清楚地展示在學(xué)生面前，引導(dǎo)學(xué)生觀察并進(jìn)行思考，配合講解幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，建構(gòu)科學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)媒體無(wú)法實(shí)現(xiàn)的教育功能。

例如，PhET的“聲音仿真實(shí)驗(yàn)”可以將無(wú)形的聲波以直觀形象的方式呈現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)調(diào)整聲音產(chǎn)生頻率或振幅，你可以看到和聽(tīng)到波的變化。移動(dòng)周圍的聽(tīng)眾，你可以聽(tīng)到他所聽(tīng)到的聲音有什么變化。教師可以把聲波直觀、清楚地展示在學(xué)生面前，通過(guò)改變頻率或振幅引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考頻率或振幅與聲音的關(guān)系，建構(gòu)聲波的科學(xué)概念（如圖1）。該實(shí)驗(yàn)還可以清楚地看到和聽(tīng)到空氣壓力的變化對(duì)聲音傳播的影響（如圖2）。

2.學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前先利用軟件模擬

在小學(xué)科學(xué)中有一部分實(shí)驗(yàn)由于器材組裝復(fù)雜或?qū)W生動(dòng)手能力不足，導(dǎo)致學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)不容易成功，這時(shí)可利用該軟件的高仿真性特點(diǎn)，由學(xué)生在模擬程序中先進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，之后再來(lái)組裝實(shí)驗(yàn)器材，會(huì)使學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)變得容易一些。

例如，PhET的“直流電路”組裝套件中所有元件和儀器都與實(shí)際非常接近，在連接上也可隨意擺放，元件還可以在實(shí)際圖形和圖符之間轉(zhuǎn)換。學(xué)生利用各種元件組裝好電路后，即可查看電路的運(yùn)行情況，只要各元件連接正確，電路便可接通，學(xué)生可以看到電在電路中的運(yùn)行，除了有實(shí)物圖，還可以轉(zhuǎn)化成電路圖，利于學(xué)生完整、清晰且準(zhǔn)確地建構(gòu)電路的模型（如圖3）。如果學(xué)生連接錯(cuò)誤，發(fā)生短路，在現(xiàn)實(shí)中，我們只能看到小燈泡被燒毀的一瞬間景象，而在PhET中，學(xué)生可以看到電路燃起熊熊大火的景象（如圖4），非常形象直觀。正如網(wǎng)站原文所說(shuō)的那樣“An electronics kit in your computer！（一套電路元件在你的計(jì)算機(jī)里！）”通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)的先期經(jīng)驗(yàn)積累，學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手組裝電路時(shí)就變得相對(duì)容易一些。學(xué)生會(huì)有意識(shí)地將導(dǎo)線接在小燈泡的兩個(gè)點(diǎn)上，還會(huì)仔細(xì)檢查電路，以防出現(xiàn)電路短路。

3.借助模擬軟件，學(xué)生自主體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)中有大量的客觀事實(shí)是無(wú)法用語(yǔ)言或平面圖進(jìn)行解釋的。教師可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)、選擇和利用模擬軟件，幫助學(xué)生理解。

例如，PhET的“能量的形式和轉(zhuǎn)化仿真實(shí)驗(yàn)”主要由能量介紹和構(gòu)建自己的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組成。能量介紹實(shí)驗(yàn)主要探討在加熱和冷卻鐵塊、磚塊和水時(shí)，能量的增加和減少的情況以及能量如何在這些物體間轉(zhuǎn)移的（如圖5）。在“構(gòu)建自己的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中，你可以改變能量的來(lái)源（如水能、太陽(yáng)能、蒸汽能、機(jī)械能）、能量的改變者（如發(fā)電機(jī)渦輪、太陽(yáng)能電池板）和能量的使用者（如水、白熾燈、節(jié)能燈），跟蹤和可視化能量通過(guò)系統(tǒng)如何流動(dòng)和變化。該模擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了從物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察能量流動(dòng)的機(jī)會(huì)，軟件開(kāi)發(fā)者將無(wú)形的能量用這一符號(hào)形象地表現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生通過(guò)觀察能量的流動(dòng)，就可以直觀地了解能量的流動(dòng)過(guò)程（如圖6）。在“構(gòu)建自己的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生完全可以根據(jù)自己的想法來(lái)構(gòu)建自己的獨(dú)特的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，并體驗(yàn)不同的能量系統(tǒng)中不同能量（軟件開(kāi)發(fā)者在這一實(shí)驗(yàn)中用不同顏色的E表示不同的能量形式）的轉(zhuǎn)換和流動(dòng)的過(guò)程。

4.借助模擬軟件，推動(dòng)學(xué)生的自主探究

隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實(shí)施，越來(lái)越體現(xiàn)出研究性學(xué)習(xí)在科學(xué)課程中的重要性。研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)情境中的主動(dòng)探究，但在實(shí)際教學(xué)中，由于教學(xué)條件和學(xué)習(xí)時(shí)間、空間的限制，完全在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)施研究性學(xué)習(xí)是不太現(xiàn)實(shí)的。信息技術(shù)為研究性學(xué)習(xí)的順利實(shí)施創(chuàng)設(shè)了良好的條件。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以其便捷性、交互性和超越時(shí)空性等優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建了一個(gè)開(kāi)發(fā)式的學(xué)習(xí)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)資源和多媒體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境成為實(shí)施研究性學(xué)習(xí)的重要物質(zhì)條件。

例如，在“簡(jiǎn)單電路”的學(xué)習(xí)后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)與實(shí)際完全相同的電壓表、電流表等儀器精確測(cè)量不同電路（如下頁(yè)圖7、圖8所示）中的電壓、電流變化情況。當(dāng)學(xué)生使用電壓表發(fā)現(xiàn)串聯(lián)電路和并聯(lián)電路電壓的不同時(shí)，對(duì)串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的認(rèn)識(shí)就會(huì)更深一層。

小學(xué)科學(xué)的內(nèi)容只能使用PhET中很少的一部分軟件，但即使是很少的軟件，也可能由于受到小學(xué)生知識(shí)的限制，而不能完全發(fā)揮它的作用，如“簡(jiǎn)單電路”中電流表、電壓表的使用，“聲音”中波的干涉現(xiàn)象，“斜面”中能量、功的變化及測(cè)量等都是絕大多數(shù)小學(xué)生還不會(huì)使用的功能。但由于該軟件具有自由、免費(fèi)使用的特點(diǎn)，學(xué)生無(wú)論在學(xué)校還是在家，都可以隨時(shí)登錄網(wǎng)站，下載軟件研究學(xué)習(xí)，所以，教師可讓那些學(xué)有余力或者有探究欲望的學(xué)生回家后繼續(xù)探究，為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升留下廣闊的空間。

● 結(jié)語(yǔ)

VREL實(shí)驗(yàn)室（“Virtual Reality and Education Laboratory”的簡(jiǎn)稱）的發(fā)起人之一Veronice Pantelidis博士認(rèn)為，在教育領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原因有：①激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。②可以比其他手段更精確地演示某些特征、過(guò)程等。③允許在很近的地方考察一個(gè)對(duì)象。④允許從很遠(yuǎn)的距離進(jìn)行觀察。⑤使殘疾人能夠進(jìn)行他們?cè)緹o(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)或?qū)W習(xí)機(jī)會(huì)。⑥提供從物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察的機(jī)會(huì)。⑦允許學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的節(jié)奏來(lái)完成體驗(yàn)。⑧允許學(xué)習(xí)者在一個(gè)很寬的時(shí)間內(nèi)完成體驗(yàn)，而不必按照課程表的規(guī)定。⑨通過(guò)實(shí)際使用獲得對(duì)新技術(shù)的體驗(yàn)。⑩提供很好的交互性，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)者積極參與。

不過(guò)《科學(xué)（3～6年級(jí)）課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》也指出：“（現(xiàn)代教育技術(shù)）是教學(xué)過(guò)程與方式的有機(jī)成分，只能在必要的時(shí)候采用恰當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行，千萬(wàn)不要濫用。尤其對(duì)于小學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)而言，親歷探究過(guò)程、獲取第一手經(jīng)驗(yàn)是極為重要的，不能用高新技術(shù)代替一切。”

正如課標(biāo)所言，模擬實(shí)驗(yàn)縱有千般好，也不能用它完全代替學(xué)生的親自動(dòng)手，畢竟模擬軟件不同于實(shí)物，學(xué)生在動(dòng)手組裝實(shí)物的過(guò)程中不僅學(xué)到了知識(shí)、建構(gòu)了概念，還可以獲得動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，體驗(yàn)小組合作的快樂(lè)，收獲成功與失敗的情感體驗(yàn)等，這些都是模擬實(shí)驗(yàn)所無(wú)法給予的。

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