基于PhET的初中物理課堂教學設計
——以“平衡探究實驗”為例

2020-06-11 01:52:54黃春梅葉曉波

林區教學 2020年6期

黃春梅，葉曉波

(楚雄師范學院國有資產與信息化管理處，云南楚雄 675000)

生活中處處充滿著物理現象，如力、光、熱、電，這些物理現象大多數都可以用中學物理知識來解釋，與生活密切相關的知識本可以激起學生對物理的興趣[1]，但現實物理教學中，只是讓學生死記概念、公式或者原理，從而導致學生對物理學習沒有興趣。如何才能讓學生對物理產生興趣，甚至愛上物理，是教育者不斷研究和思考的課題。

隨著互聯網技術和信息技術的不斷發展，物理教學中PhET隨之誕生，目前已有很多PhET仿真程序，如何利用已有PhET程序來提高物理教學效果是物理教師關注的熱點。

一、傳統物理實驗教學的優點與不足

1.實驗教學的優點

物理是以實驗為基礎的一門課程，每本教材中都會安排幾個實驗，每章后也會有小實驗，因此實驗教學是物理課程中重要的一環，它不僅可以提高學生的學習興趣、動手操作能力以及實踐能力，還可以培養學生嚴謹科學的精神。而且很多物理公式、規律都是根據實驗現象總結歸納出來的。

實驗教學操作步驟簡單，教材中每個實驗都會有具體的操作步驟，只要按照步驟進行，任何人都可以操作，都可以探究發現此前科學家們已發現的物理現象，從而更能激起學生探索物理科學的興趣。

2.實驗教學的不足

一方面物理實驗儀器和設備都是比較精密貴重的，稍不小心就可能被損壞；一套物理設備動輒幾十萬，所以這些設備更新換代極其慢。另一方面在真實的實驗室中做實驗時，常會用到電、火等危險物品，稍不小心就可能釀成大禍；做實驗時，一般要進行分組合作完成，但學生學習水平、動手操作能力具有差異性，有些學生在實驗中東瞧瞧西摸摸，不但對自己小組毫無幫助，還盡搗亂，拖小組后腿，這樣就很難在規定的時間內完成實驗內容，進而影響整節課的進度。

二、關于PhET

PhET是Physics Education Technology的簡稱，譯為物理教育技術。是卡爾·威曼2002年在科羅拉多大學制作、運行的，旨在通過自由互動仿真程序，在世界范圍內提高人們的科學教學素養[2]。

PhET網站(https://phet.colorado.edu[3])上已有很多互動仿真程序，而且這些仿真程序對全世界開放，可以免費下載學習和在線學習。

隨著各學科PhET仿真程序的快速增加，PhET受到越來越多的研究人員和教師的青睞。目前，這些模擬仿真實驗已涉及到生物、化學、地球科學、數學等學科，供全世界研究人員、愛好者、教師和學生免費使用。

早期開發PhET仿真程序主要利用Java和Flash技術，用這兩項技術所開發的仿真實驗與很多平臺不兼容，不同的平臺需要不同的技術來支持，對于不懂技術的教師和學生來說，要用這些仿真程序有點兒困難。

2013年，PhET開始使用HTML5技術來開發仿真程序。用HTML5開發設計的程序可以跨平臺無縫對接，無論是windows xp、win7、win8、win10，甚至LINUX系統、Unix系統，只要安裝有瀏覽器，仿真程序就可以運行了。

三、PhET的教學準備：“平衡探究實驗”的教學分析

以下就“平衡探究實驗”仿真軟件進行教學設計分析，而教學設計需要考慮六個具有內在關聯的復雜因素和環節[4—5]。

1.學習需求分析

學習需求主要是學生在學習相關知識前所具備的已有知識和相關經驗。在學習本節課前，一方面，學生已經學習了力學中的一些基本概念和定律，并能將這些力學知識用于解釋生活中的一些問題。而杠桿是力學知識的進一步拓展和應用，因此，學生在學習本節課的教學內容時，已經具備了相關的知識基礎。另一方面，學生在生活中所用到的剪刀、鉗子、天平、蹺蹺板等，都具有杠桿的特性，講解起來更容易被接受，也更容易激起學生的學習興趣。

2.學習內容分析

“杠桿”[6]是人教版八年級下冊第12章“簡單機械”中第1節的教學內容。在PhET網站中，“平衡探究實驗”正好就是講解杠桿的相關知識。所以，在講解“杠桿”這節內容時，可以利用“平衡探究實驗”來講解。教學內容有：杠桿的概念、杠桿的相關名詞術語、動力臂和阻力臂的畫法、杠桿的平衡條件。教學重點是杠桿平衡條件的理解，以及利用平衡條件解決問題。教學難點是通過仿真實驗推理出杠桿的平衡條件。

3.學習者分析

在學習本課前，學生已經學過三種性質的力，已掌握了相關的知識，為本節學習做好了準備。本節課的學習者是初二學生，該階段學生的思維處于具體思維向抽象過渡階段，抽象思維能力不強，還需要借助具體事物進行理解。初二學生容易接受新生事物，喜歡挑戰，不喜歡全程“教師講、學生聽”的教學模式，因此，在講解杠桿的內容時，讓學生自己動手操作和在PhET中通過愉快的游戲來學習各知識點，更能訓練學生的動手操作能力和歸納推理能力。

4.學習目標分析

知識與技能目標：理解杠桿定義，能從日常工具中辨認出杠桿部分；理解杠桿相關的名詞術語：支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂等概念，并能繪制力臂，理解杠桿的平衡條件。

過程與方法目標：通過操作仿真實驗，感知杠桿；在操作過程中，進一步理解杠桿的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂的概念和平衡條件。

情感目標：讓學生感受到杠桿在生活中有著重要的作用，樂于發現和分析生活中的杠桿，培養對物理的興趣；在操作仿真實驗過程中，讓學生體驗物理科學的魅力；培養學生認真觀察、推理能力以及團結協作的精神。

5.教學方法的設計

在本節課中，主要使用仿真程序實驗法、歸納法、討論法、講授法等。仿真實驗法主要是培養學生的動手能力，歸納法用于歸納總結出杠桿的平衡條件，討論法和講授法穿插在整個教學過程中。

6.教學媒體的選擇

本節課所需要的教學媒體主要是多媒體計算機和互聯網，利用網絡在線聯接或者下載仿真實驗程序到終端計算機上供學生使用。

四、PhET的教學應用：“平衡探究實驗”的教學過程(1節課45分鐘)

通過教學設計分析，研究者在楚雄市隨機選擇了5所初級中學，并從中隨機選出10名初中物理教師在課堂上利用仿真實驗“平衡探究實驗”進行教學，取得了良好的教學效果。所有教師在實施教學過程中都驚喜地發現：這種仿真實驗不但解決了在實驗室可能會遇到的各種意外情況，而且更能激起學生的學習興趣，特別是游戲階段，每個學生都積極主動地操作并記錄、思考。

結合課堂中所觀察到的教學情境，整理出“平衡探究實驗”的教學過程(1課時)，如表1所示。

五、反思與展望

上述教學設計分析及利用“平衡探究實驗”學習“杠桿”知識的整個教學過程可以看出：PhET仿真程序能使教學寓教于樂、寓學于樂，激發學生的學習興趣，提高學生學習的積極性，從而提高教學效果，這也是PhET在全世界受到各學科教師青睞的原因。但在應用PhET時，還需要注意以下三點：

1.不是所有的知識點都適合PhET教學

其一，PhET網站中所提供的仿真程序已涉及到很多學科，如生物、化學、地球科學、數學，包含了小學、初中、高中、大學的課程，截至2019年8月9日共有仿真程序149個，但物理仿真程序只有幾十個，而初中物理知識點上百個，顯然PhET網站中仿真程序并沒有包含所有的知識點。其二，物理課程中有很多定律、公式、法則等理論知識的介紹，這些知識只需要教師推理和講解，學生跟著教師的思路學習就可以理解的，因而不需要借助仿真實驗，當然也就不需要借助PhET來教學。

表1 教學過程

2.教師機要有可以監控學生電腦的電子教室等軟件

在計算機網絡教室中，每臺電腦都可以上網，理想狀態是所有學生都會好好地操作仿真程序。但每個班總有些學生不能專注于實驗，常常趁老師不注意時做其他事情，如在線聊天、看影視劇等，僅靠教師在教室里走動去督促學生學習會很困難。如果教師機上安裝可以監控學生機的軟件，所有學生機會自動連接到教師機，教師坐在電腦前就可以知道學生是否在認真操作仿真程序，而且可以查看每個人的學習速度和進度，對操作不當的學生，可以進行一對一的指導與幫助。

3.教師需要有終身學習的理念

運用PhET進行教學，首先需要了解PhET是什么，PhET適合哪些課程哪些知識點，運用PhET教學時應如何設計教學方案，是否能控制課堂教學進度，是否能夠提高學習效率等。這就需要教師樹立終身學習的理念，不斷學習、汲取新知識、掌握新技術，提高對課堂的宏觀掌控能力，而且需要教師熟練掌握所教課程及各種教學方法，將所學知識及技能運用于教學實踐，提高教學效果。