PhET在化學教學中的應用述評

顧瑩 陳凱 孫紅淼

摘要： 梳理國內外已有研究成果，對PhET虛擬實驗應用于化學教學的研究進行探討。從三個方面進行評述： （1）PhET中支持化學教學的資源有哪些？（2）師生在正式學習環境和非正式學習環境如何分別運用以PhET為載體的虛擬實驗開展教學活動？（3）PhET在化學教學中實施效果如何？

關鍵詞： PhET;虛擬實驗;化學教學

文章編號： 10056629（2018）3002406 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

PhET互動仿真模擬實驗計劃軟件源于美國科羅拉多大學的PhET計劃（Physical Education Technology Project），即物理教育科技計劃，后來拓展至科學（S）、技術（T）、工程（E）和數學（M）等領域，通過交互式模擬技術，提供物理、化學、生物、數學及地球科學等模擬實驗，供教師教學和學生學習使用。目前，該項目開發的模擬實驗在多個國家得到使用，優秀課例和相關研究成果也層出不窮[1]。所有PhET資源屬于公共授權，使用者免費獲取，既可以聯網直接使用，也可以下載儲存到硬盤上來嵌入到教學內容中。

1 PhET的化學資源

PhET項目平臺網站（https：//phet.colorado.edu/zh_TW/）匯集了主題模擬實驗、豐富的教學資源（包括教學案例、培訓材料、使用說明等），注重配套教學案例的共享和更新。最大的特色在于所有的互動仿真實驗程序按學科、年級、設備進行分類，所有的模擬教學都是經過專家測試、評估，以確保教學有效性及實用性。

PhET上的化學資源適用于高中生及以上層次的學生和化學教育研究工作者，其中教學資源分為普通化學和量子化學兩個領域，主要實現化學基本原理、化學抽象概念等模塊知識的可視化。圖1呈現了PhET的資源設計。

考慮到學生的認知水平、心智模型和視覺模擬層次，PhET在虛擬實驗中嵌入大量形象化的圖形和動畫，并應用多種功能形式的按鈕操作來實現互動，幫助學生理解相關化學概念;它也提供了各式各樣的互動式實驗工具（放大鏡、燒杯、電子天平、微粒模型等），根據使用者的操作賦予相應的行為或變化，及時反饋給使用者需要的實驗信息。針對基礎化學教學，表1選取幾個普通化學原理主題來介紹其虛擬實驗，并就該模擬實驗對于國內化學教學提供一些建議。

2 應用PhET開展化學教學

Marcia教授基于網絡探究式科學環境——WISE平臺項目的研究指出，教師、學生與教學輔助工具三者之間相輔相成，教師可以指導學生，同時教師通過教學輔助工具監督學生的學習過程，學生借由輔助的信息技術工具提升學習能力[2]。與WISE類似，PhET以工具身份與教師、學生三者之間相輔相成，圖2展示了PhET的應用設計。

作為一種智慧學習平臺，PhET適用于正式學習環境和非正式學習環境。以化學課堂和課外為例，在課堂中，PhET為師生提供一個教學平臺，教師將它糅合于教學設計中，學生也在教師的有效指導下高效應用PhET，提高自己的學習能力，使虛擬實驗在化學教學上發揮其最大效果。PhET給師生們提供了一個互動交流平臺，含有適合學生和教師的課外資源，比如學生可以在互動游戲中學習，教師可以自主構建知識上傳到平臺或者思考他人分享的教育觀點，進行知識共享和相互學習。

2.1 PhET在化學課堂上的應用

PhET擅長挖掘問題，而不限于簡單的科普，比如它可以從溶液的濃度挖掘到摩爾電導率。表2以網站上選取的一位教師Loeblein的課堂實錄[3]為例來介紹將PhET糅合于化學課堂教學，主題是探究糖和鹽溶液，面向國外大學預科生，雖然知識體系和國內有差異，但是難度與我國高中相若，基于模擬實驗的學習更值得借鑒。

PhET提供一定的指導性學習任務。在PhET的研究中，學生所需的思考深度比傳統教學深，例如表2課堂探究中的“鹽類溶解”，傳統的美國科學教育主題任務是： 往水中加入100克AgBr，探究多少Ag+和Br-溶解在水中？并按照相同步驟探究其他鹽類。此任務明確告訴學生應按照何種步驟去探究;而PhET的任務是： 調查不同的鹽類化合物，探究其相同點和不同點。此任務沒有明確告訴學生具體步驟以及要探究多少相同點和不同點，一切都需要學生自行調查、理解、推理和解釋。

可視化在化學學科的重要性在于可以幫助傳達復雜、微妙的分子相互作用和反應的動態特征并加以描述，即宏觀辨識與微觀辨析。將可視化和建模工具應用于化學教學并發揮其積極作用，也需要各種恰當的教學技能和教學方式來準確地表達它們[4]。圖3便借鑒了網站上研究者分享的經驗[5]，并結合表2的課堂實錄，闡述了PhET在化學課堂上的應用，尤其詳細描述了圖2中教師的有效指導過程。在此期間，教師只提供適當的指導，適當的指導可以抑制學生過于發散性的思維，它不會過度引導學生但會在關鍵點上提供指導。

2.2 PhET在課外的運用

人們依托網絡及多媒體技術構建學習共同體，使個體的學習納入到社會性的學習過程中，通過知識共享、協作會話來完成共同的學習目標，無疑是一種有效的解決方案，也是創建學習型社會的一條有效途徑[6]。虛擬學習共同體可有效彌補傳統課堂中的交互匱乏，提升學習者的自主、協作、研討和反思的能力，這也是養成終身學習能力并促進知識發展的有效途徑。下面分別從學生和教師角度介紹PhET能夠有效地在非正式學習環境中與講座、實驗、家庭作業進行整合教學。

PhET互動仿真實驗程序互動時間持續，不同于一般的視頻動畫，而是通過標記將操作的過程記錄下來，以便更好地表征過程，促進學生在模型構建中思考，縱然在課堂之外也可以利用網站模擬更深入地理解科學概念，比如學生可以課后回憶復習課上教的知識以及完成教師以PhET為平臺布置的家庭作業。它也轉變了學生的科學態度： 由獲得科學知識轉變為主動積極地探索科學

圖3 PhET在化學課堂上的使用

知識。對于學生而言，PhET提供的仿真實驗程序與游戲融合，增加學生與實驗的互動性。

PhET也對教師提出了要求，教師需要了解如何在非正式學習條件下進行科學探究，學會如何應用身邊資源，如何將其嵌入教學活動中。比如可以設計一項家庭作業來檢驗學生有沒有使用PhET學習： 展示兩幅溶液中微粒的圖片，讓學生判斷它是哪種化合物（有三個選項： 鹽、糖、都不是）。教師也可以將自己的教學反思分享到平臺上，尋求他人的評價和建議。對于化學教育工作者而言，PhET是交流教學經驗的虛擬論壇，可匯聚無數學者來進行互動交流和思維碰撞。它專門分享與PhET有關的教學設計、出版物、理論研究成果、研究進展和與PhET的相關演講和科技論壇等。例如： PhET在網頁上分享了以可訪問交互式模擬社區的開發為主題的出版物《機會： 互動模擬的包容性設計》[7]。互動社區中包含著很多文字和圖片研究成果，因此大眾需要一定的學科知識基礎才可明白他人的研究成果。科技在飛速發展，可以預料今后在人工智能的幫助下，運用AR技術就可以讓世界各地的人們通過投影成像處于同一空間，進行思想的碰撞和交流。

3 PhET的教育實證綜述

國內外已經對PhET虛擬實驗的編程設計、設計理念、設計目的、設計意義等做了深刻的研究，歸納了技術融于教學研究中的關鍵問題，指出了虛擬實驗通過為學生提供安全的媒介和互動的真實模型在教育中有重大作用及其虛擬實驗可以在不同的環境和各種教育步驟如何運用研究的主要進展[8];討論了虛擬實驗的類型、影響因素、過程機理和描述方法，并在此基礎上，對技術建構的多元智能教學的研究前景進行了展望[9]。我們梳理了國外已有實證研究思路，以期給國內學科教育研究和教育技術研究者提供借鑒。

3.1 學生的個體差異性

PhET虛擬實驗不一定適合每個人，不一定能促進每一類學生的科學學習，個體的興趣、技術應用能力、空間想象能力等方面都存在著差異性。

Yang（2003）將個體差異納入了對虛擬實驗影響因素的研究，關注并調查空間能力與動畫對學生學習能力的影響[10]。在本研究中，415名本科生被分類為動畫組和測試組，并且每個組都安排空間想象能力水平高低有差異的學生。測試主題為“電化學”，當教師講課時，一組人觀看了PhET提供的該過程的動畫，而另一組學生則是觀看教師演示的靜態圖像，并與導師討論。最終結果表明觀看動畫學習的學生得分相對較高，并且在觀看靜態圖像的學生中，沒有檢測到與空間能力影響因素的交互作用。另一方面，獲得更高測試分數僅適用于空間想象能力較高的學生，這個結果表明空間想象能力低的學生在觀看動畫和圖像時將其內化為自身知識可能會有更多的困難。

3.2 虛擬實驗的學習效果

Christopher（2015）以155名大一新生為樣本，通過學習《普通化學》課程中“融化”、“冷凍”、“蒸發”等概念，探討可逆物理變化過程中的粒子運動。研究者用PhET交互式模擬的動畫向學生展示微觀世界的相應變化，以及“融化、冷凍、蒸發”循環過程，并花費一定時間評價學生的知識掌握程度。結果發現一些學生仍然帶有一些錯誤觀念，虛擬實驗的使用沒有影響這些學生原先對液體中顆粒運動的看法，學生依舊認為所有液體的顆粒運用速度和方向是一樣的，忽視了微粒質量的影響[11]。

Sumathi（2017）通過探討PhET交互式模擬在提高學生對理解和解決化學平衡概念的誤解方面的有效性，認為虛擬實驗有利于提高學生對化學知識的理解和消除一些誤解[12]。采用化學平衡概念診斷工具（CEDI），對同一所大學的兩個完整課程的104名預科學生進行前測和后測。隨機分配的實驗組（N=52）使用PhET進行教學，對照組（N=52）接受傳統化學教學設計的指導，其中使用普通的化學平衡動畫課件。研究結果表明，實驗組學生的成績顯著高于對照組學生。此外，兩組學生的迷思概念比例都有所下降，而且實驗組澄清迷思概念表現顯著優于對照組。

由此可見，PhET可能與教學主題相關，

但并不一定能促進所有理科主題的教學，

其作用機制值得深入研究。

3.3 如何使用虛擬實驗——虛擬實驗與真實實驗相結合

虛擬實驗不可取代真實實驗，其各種因素是人為設定的，真實實驗卻擁有許多人們難以預測的因素。在模擬中，并不總是可以百分之百創建一個真實準確的環境。所以要認識到盡管虛擬實驗有動態可視化的普遍積極影響，但它們也有一些限制。例如可能會導致學生的思維模型不準確。不同學生擁有不同的先驗知識，因此研究者需要考慮： 當在教學中使用PhET虛擬實驗時，學生也可能會從中產生誤解，收獲有所差異，最后可能增加學生的認知負荷。學生不可能通過虛擬實驗完全掌握原子能級、光電效應、摩爾電導率等高深知識，比如關于原子結構的教學，國外已有研究者肯定虛擬實驗對學生積極性的促進作用，但也認為應該將虛擬實驗與傳統化學課堂結合，他們發現學生僅通過虛擬實驗學習會產生許多誤解，比如對能量最低原理的誤解，虛擬實驗不可能將所有因素都呈現在學生面前[13]。因此如何正確使用它，充分發揮其教育效果才是我們要探究的問題。

土耳其教師進行的相關研究將學生分為實驗組和對照組，關注PhET對實驗學習的影響。實驗組的學生通過虛擬實驗技術學習，而對照組的學生在課堂上接受傳統的實驗教學[14]。研究對象的不同（實驗主題的難易程度不同）以及其他原因導致了不同的研究結果。有的研究結果表明應用虛擬實驗的實驗教學優于傳統實驗教學，而有的研究結果恰好相反，也有的研究結果表明兩者相差不多。因此建議將真實實驗和虛擬實驗技術結合起來，提高未來教學的效率，將虛擬實驗應用于學生通常難以學習的抽象內容，如酸堿性、原子和分子、動力學等教學，而真實實驗用于未知影響因素過多的內容。

4 啟示

4.1 虛擬實驗在化學教學中的價值

我國已經出臺的高中化學課程標準（修訂稿）將“宏觀辨識與微觀探析”、“證據推理與模型認知”作為學科核心素養的重要內容，以PhET為代表的虛擬實驗軟件能提供相應的學習工具。

首先，課堂上的實驗探究要花費一定的時間，學生需要進行實驗、收集證據、分析與論證、評估以及交流與合作。較長的探究時間明顯受限于教學課時，而虛擬實驗軟件最多只需要十分鐘，便可以完成探究活動，在不降低課堂互動性的情況下，使教師達到預期的教學效果。且學生在不浪費時間的前提下，也有機會一次又一次地重復虛擬實驗。其次，虛擬實驗技術在化學實驗技術上占優勢，比如可以進行風險性較高的實驗。因此，教師應盡可能地利用這種技術，在課堂上適當地使用交互式動畫模擬。最后，虛擬實驗技術可以高效解決化學問題。虛擬實驗能抓住事物的本質，規避客觀世界不必要的復雜因素，還原各種原理和現象，這使得它比實地描述的客觀世界更為有用[15]。

虛擬實驗尤其適用于以下實驗探究： （1）模型建構： 理解枯燥的抽象概念和規律，以質量守恒定律為例，虛擬實驗會提供一個天平模型供學生理解;（2）宏觀辨識與微觀探析： 觀察化學反應中的微粒變化或巨大的事物;（3）信息化： 記錄反應速率太快（溶解）或太慢（凝固）的實驗數據;（4）成本低廉： 使用器材昂貴的實驗;（5）需要重復進行不同參數條件的實驗，以擴散現象為例，虛擬實驗可以設計一些變量的數值（壓強、溫度）探討其是否影響變量（分子運動的狀態）;（6）社會責任： 具有危險性的實驗（用到有毒氣體）[16]。

然而虛擬實驗只是一種互動學習輔助工具，受到課程知識、學習者、執教者個體差異的影響，急需經過本土化改造后，促使更多的一線教師將其應用到教學實踐過程中，獲取更多的基于技術的學習證據[17]。

4.2 對未來虛擬實驗的發展預測

PhET作為虛擬實驗的一種典型案例，開發者考慮到目前技術支持下的教育推廣，已經將最初限制在臺式電腦上的動畫課件，拓展到平板電腦和智能手機上的APP。未來虛擬實驗將會由基于電腦互動虛擬實驗室轉變為VR技術支持的投影實驗室，除了電腦和手機，以PhET為代表的虛擬軟件的載體工具也可能只是一副眼鏡，學生可以在投影出的實驗儀器上進行化學實驗。

4.3 PhET的局限性

PhET存在一些局限性，需要改良： PhET上有些教學資源的有效性和合理性并沒有得到充分的評估;我國教師將PhET融入化學課堂的案例太少，大部分案例與物理課堂和小學科學課堂有關;PhET上的化學資源主要涉及我國普通化學主題，對于中學化學資優生雖然可以借鑒，但畢竟國外教學體系和我國差異較大，應用面還是太狹窄。

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