利用PhET仿真實(shí)驗(yàn)軟件展開物理教學(xué)

陸楚雅

摘要：理科教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)因?yàn)闂l件的限制抑制了實(shí)驗(yàn)的作用。為此，結(jié)合物理課堂教學(xué)實(shí)例，著重闡述了PhET這種仿真實(shí)驗(yàn)軟件在課堂上輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的優(yōu)勢，以及研究PhET在物理教學(xué)中應(yīng)用的意義。

關(guān)鍵詞：PhET軟件;仿真物理實(shí)驗(yàn);物理教學(xué)

一、仿真物理實(shí)驗(yàn)軟件的價(jià)值

PhET具有生動(dòng)形象、便于交互的特點(diǎn)，利用PhET仿真實(shí)驗(yàn)軟件輔助物理學(xué)習(xí)，自然能夠引起學(xué)生的注意，能夠更好地幫助學(xué)生進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。一般來說，科學(xué)探究分為幾個(gè)步驟：提出問題、猜想假設(shè)、規(guī)劃方案、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、執(zhí)行實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)而言，可以從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和得出結(jié)論兩個(gè)方面入手進(jìn)行教學(xué)。而對于演示實(shí)驗(yàn)而言，則偏重于得出結(jié)論環(huán)節(jié)。筆者在應(yīng)用PHET物理實(shí)驗(yàn)軟件開展物理教學(xué)時(shí)做了初淺的嘗試。

二、仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

（一）通過互聯(lián)網(wǎng)取得多種實(shí)驗(yàn)資源

PhET由2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者卡爾·威曼于2002年創(chuàng)立。他創(chuàng)立該網(wǎng)站的初衷是改變以知識講授為主的傳統(tǒng)課堂。他的很多研究生讀了17年書卻不知道怎么做研究，對待物理實(shí)驗(yàn)無從下手。因此，他下定決心創(chuàng)辦了 PhET 這個(gè)以互動(dòng)和探索為導(dǎo)向的新型在線課堂。該網(wǎng)站鼓勵(lì)孩子從探索中學(xué)習(xí)，激勵(lì)學(xué)生在直觀的、游戲化的環(huán)境中進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。它上面的所有實(shí)驗(yàn)全部免費(fèi)。2014年，美國有1233個(gè)高中和276個(gè)高等學(xué)府使用PhET作為教學(xué)手段。值得一提的是，PhET所有的程序全都免費(fèi)和開源，因此有很多的軟件由全世界各地的程序員與教師共同創(chuàng)作，這也大大增加了資源的易得性與便利性。

（二）下載編碼輔助仿真物理實(shí)驗(yàn)

筆者針對仿真實(shí)驗(yàn)是否有效制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：是否能夠順利地讓學(xué)生進(jìn)行信息編碼。在這個(gè)基礎(chǔ)上，筆者隨機(jī)選取了五個(gè)案例，其中兩個(gè)是在我自己的教學(xué)中選取的，另外三個(gè)則是根據(jù)PhET開展教學(xué)的案例改編，并讓其他老師根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷利用PhET仿真物理實(shí)驗(yàn)軟件開展實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是否有效。由于這些實(shí)驗(yàn)符合信息加工的邏輯，符合能夠讓學(xué)生順利編碼的標(biāo)準(zhǔn)，即能夠突出教學(xué)的重點(diǎn)，能夠讓學(xué)生形成正確的圖示，因此這些案例是有效的。

例如，在《聲音的產(chǎn)生與傳播》一節(jié)，通過PhET的“聲音”這個(gè)實(shí)驗(yàn)程序讓學(xué)生感知聲音的本質(zhì)及它的傳播特點(diǎn)。值得一提的是，由于這個(gè)程序的編碼是JAVA，所以筆者特地在班級電腦上下載了JAVA的程序。除此之外，為了向?qū)W生解釋清楚為什么聲音的傳播一定需要介質(zhì)，筆者給學(xué)生們播放了繩波的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們通過對比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聲音的傳播特點(diǎn)和繩子震蕩時(shí)的晃動(dòng)是一樣的。因?yàn)槔K波在傳播時(shí)必須要繩子，同理可得聲音的傳播也需要介質(zhì)。

在這堂課的教學(xué)中，演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)重點(diǎn)是聲音的圖式。這個(gè)圖式包括聲音是什么、它有哪些特點(diǎn)、它是怎樣傳播的。傳統(tǒng)的教學(xué)很難幫助學(xué)生建立聲音是什么的概念，而PhET仿真物理實(shí)驗(yàn)則能夠很好地突出這些重點(diǎn)，幫助學(xué)生進(jìn)行聲音的信息編碼。

（三）用對比實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)仿真物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢

要確定PhET這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)軟件對于學(xué)生的演示實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)大有益處，這就需要我們在課堂中進(jìn)行一組對比實(shí)驗(yàn)。筆者在自己教學(xué)的班級中選取了學(xué)情差不多的兩個(gè)班展開了教學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中一個(gè)班級單純地進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)，而另外一個(gè)班級則在演示實(shí)驗(yàn)之后開展了一組仿真實(shí)驗(yàn)，讓3～5個(gè)學(xué)生代表用電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并讓全班同學(xué)預(yù)測交互后的情況。最后，兩個(gè)班的同學(xué)都進(jìn)行了一組關(guān)于演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的習(xí)題測試。結(jié)果表明，加入PhET仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的班級習(xí)題測試的正確率更高。

有了這樣一個(gè)結(jié)論之后，筆者又進(jìn)行了一組針對教師的問卷調(diào)查。調(diào)查是針對仿真實(shí)驗(yàn)本身而言，調(diào)查教師對PhET這種仿真實(shí)驗(yàn)的了解情況以及對利用仿真物理實(shí)驗(yàn)展開教學(xué)的看法。問卷結(jié)果表明，大多數(shù)教師對仿真物理實(shí)驗(yàn)是否能夠有效地進(jìn)行物理教學(xué)抱有一定的懷疑心理，這源于之前教育領(lǐng)域的一些仿真物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用并沒有體系化，有些時(shí)候也本末倒置，進(jìn)行了仿真物理實(shí)驗(yàn)卻忽視了真實(shí)的演示實(shí)驗(yàn)。為此，筆者選擇在信息加工的理論上進(jìn)行仿真物理實(shí)驗(yàn)。

例如在講解物質(zhì)的三態(tài)時(shí)，筆者引入了物質(zhì)狀態(tài)這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生自己通過調(diào)節(jié)火或冰的按鈕調(diào)節(jié)溫度，溫度的示數(shù)通過杯子里溫度計(jì)的示數(shù)讀出，同時(shí)，學(xué)生能觀看到杯子里的物質(zhì)分子的變化情況。這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣，因?yàn)檎鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)是無法觀察到物質(zhì)的微觀變化的。學(xué)生并不理解為什么物質(zhì)會(huì)有三種狀態(tài)，以及其區(qū)別的原因在何處。當(dāng)學(xué)生看到這些微觀粒子的各種運(yùn)動(dòng)及聚合的宏觀特點(diǎn)時(shí)，這個(gè)難點(diǎn)就迎刃而解了。

同樣，這節(jié)課的重點(diǎn)是物質(zhì)狀態(tài)的圖式，而傳統(tǒng)教學(xué)中的圖式是有一定缺陷的，通過PhET仿真實(shí)驗(yàn)軟件能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到物質(zhì)狀態(tài)的抽象特征和知覺特征，突出重點(diǎn)的同時(shí)更好地建立概念。

三、總結(jié)與反思

目前為止，筆者所在學(xué)校主要在初二年級開展了PhET輔助教學(xué)，初三年級暫未涉及。在講解光的三原色時(shí)，筆者也應(yīng)用了光的混合實(shí)驗(yàn)，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的反響并沒有前兩個(gè)好。課后筆者反思了一下，其實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)軟件最重要的特點(diǎn)就是能夠把課堂上老師無法做出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過模擬呈現(xiàn)給學(xué)生，并能夠?qū)⑦@些現(xiàn)象的本質(zhì)也通過交互性的實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫呈現(xiàn)出來。學(xué)生無法親眼看到聲波在介質(zhì)中的傳播原理，這是任何一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)都無法解決的問題。而仿真物理實(shí)驗(yàn)可以解決這一難點(diǎn)，讓學(xué)生了解這一原理的同時(shí)了解演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，增強(qiáng)了概念的直觀性。原理不再是由教師干巴巴地講出，而是由學(xué)生自己動(dòng)手操作并獲得。同樣，物質(zhì)的微觀粒子在做物態(tài)變化實(shí)驗(yàn)時(shí)是看不到的，但是仿真物理實(shí)驗(yàn)軟件將宏觀的物質(zhì)變成微觀粒子，其他同真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣，學(xué)生通過操作明白物質(zhì)三種狀態(tài)的本質(zhì)。而光的混合演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒃碇v得很清楚。仿真實(shí)驗(yàn)相比演示實(shí)驗(yàn)而言缺少了真實(shí)性，效果自然大打折扣。這也證明了仿真物理實(shí)驗(yàn)是輔助進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)必不可少的利器，但切勿替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。筆者將繼續(xù)在課堂上應(yīng)用PhET仿真實(shí)驗(yàn)軟件展開教學(xué)，并總結(jié)其使用要點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：韓曉潔）