借助虛擬仿真實驗軟件探究能的轉化

李冬 上海市曹楊二中附屬學校副校長，中學高級教師，教育學碩士，園丁獎獲得者，優秀科技教師，上海市地震局信息中心科普課程開發專家顧問，華東師范大學開放教育學院全國中小學教師信息技術應用能力提升工程培訓系列課程主講教師，聯合國教科文組織中國可持續發展教育項目云南省工作委員會專家。

教學背景

四年級學生已經初步具備了獨立探索實驗的能力，對電與能量有一定的了解。在牛津版自然學科教材四年級下冊第四單元“能量”的學習過程中，學生初步認識了能量的形式，知道了生活中所有的事情都需要能量。在本節課中，學生將通過探究活動認識現實生活中火力發電廠產生電能的過程及其中能量的轉化形式。

生活中我們都接觸過各種形式的能，但能量具體是怎么轉化的，對小學生來說比較抽象，不好理解。學生理解不到位，教學效果自然不好。本課中筆者借助PhET虛擬仿真實驗軟件讓學生體驗能量的轉化。從中，學生了解了產生電能的幾種方法，還學習了不同情境中產生的能的轉化，意識到能在轉化過程中有損失，對能的轉化和能量損失感受更直觀，同時增強了節電節能意識。

教學目標

1.通過“能的轉化”活動，知道能的轉化是能從一種形式轉化為另一種形式，知道火力發電廠發電的基本過程，說出發電過程中存在的能的轉化，提高探究合作的能力。

2.通過“能量損失”活動，知道能在轉化過程中會有損失，提高觀察探究的能力，養成節電意識。

教學重點與難點

教學重點 知道能的轉化是能從一種形式轉化為另一種形式。

教學難點 通過探究體會到能量之間是會發生轉化的;通過探究認識到能在轉化過程中存在損失。

教學資源

學生2人一組，每組配備1臺裝有PhET虛擬仿真實驗軟件的平板，火力發電廠發電基本過程的閱讀資料人手1份。

教學過程

一、教學引入

教師出示食物、跑步、燈、燒水等圖片，帶領學生回顧常見的能量形式。

教師提問：圖片中哪些能？這些不同形式的能量之間有什么聯系？

學生思考、討論交流。

教師適時引入課題：能的轉化。

二、能的轉化探究

教師借助PhET虛擬仿真實驗軟件演示蒸汽發電的過程，如圖1。

學生觀察實驗，交流討論蒸汽發電過程中能的轉化，并填寫實驗記錄表1。

師：除了蒸汽發電，生活中我們常見的太陽能、風力等都可以發電。

教師借助PhET虛擬仿真實驗軟件演示太陽能電板發電的過程，如圖2。

學生觀察實驗，填寫實驗記錄表1，并交流討論電能可由哪些形式轉化而來。

教師小結：機械能、光能、化學能都能產生電能。能的轉化是能從一種形式轉化為另一種形式。

學生閱讀火力發電廠發電基本過程的資料，如圖3。教師引導學生探究火力發電過程中能的轉化，邀請學生運用能的轉化的知識說一說化石燃料是如何變為電能的。

三、探究能在轉化過程中的損失

師：電能通過電扇、白熾燈、節能燈、電水壺可以轉化為哪些能量？

學生運用PhET虛擬仿真實驗軟件進行探究：選擇蒸汽發電，點擊右上角的能量符號，再點擊右下方圖標，切換用電器，如圖4;觀察不同用電器下電能的轉化，并將其記錄在實驗記錄表2中。

師：電能通過用電器究竟能轉化為哪些能量？真實情況是否和大家想的一樣？我們再觀察一下PhET軟件的右半邊，如圖5，看看電能通過這些用電器究竟能轉化為哪些能量。

通過進一步探究，教師引導學生發現在能的轉化過程中存在能量損失。

教師小結：在能量轉化時，總有一部分能量會被損失掉。因此我們在生活中要始終堅持綠色生活，選擇電器時盡量選擇能耗低的，避免能量損失，比如家中可使用節能燈，及時拔掉或關掉電器電源插頭……

四、課后拓展

師：為什么要將化石燃料變成電能后再被人們利用？大家想一想，課后查閱資料，驗證自己的猜想。

教學反思

互動虛擬仿真實驗程序能激勵學生在直觀的、游戲化的環境中進行探索和發現。筆者大膽運用PhET這個虛擬仿真實驗軟件，將其應用在小學自然學科教學中，通過軟件的互動性激發學生探究熱情，讓技術賦能這一理念在學科教學中得到極大的提升。“能的轉換”一課的教學難點是如何在教學中讓學生知道不同能量在轉化過程中會有損失，而這一教學內容恰恰與PhET虛擬仿真實驗軟件中“能量的形式與轉換”內容相若。因此在本課的教學設計中，筆者將PhET糅合進教學過程，嘗試幫助學生提升知識探究的效率，做到了以下兩點。

1.任務指向明確，強化思維培育

PhET圍繞電能的產生這一主題，模擬建立了一個完整的系統，這個系統包括能源、轉換裝置和負荷，讓學生在虛擬場景中探究追蹤并發現能量如何流動及改變，進而通過觀察、比較等方法歸納并總結科學知識。在此過程中教師并不需要明確告訴學生具體步驟，一切都需要學生自行調查、理解、推理，進而形成結論，學生的科學探究思維得到了鍛煉。因此，教師的授課已經由簡單的知識傳遞轉化成了對學生科學思維、科學方法和科學知識等綜合能力的培育，有效地提升了學生的科學素養。

2.教學環境直觀，聚焦學生注意力

在能量損失這一環節的教學中，虛擬仿真實驗軟件直觀闡釋了能量轉化中存在損耗這一知識。正是由于它的可視化與直觀性，教師只需提供適當的指導，就可以幫助學生集中注意力，同時也巧妙地抑制了學生過于發散的思維，從而避免學生在關鍵知識的把握上走彎路。

當然并不是所有的虛擬實驗都可以被運用在教學中，虛擬仿真實驗軟件適用于枯燥且抽象的科學概念和規律的演繹教學、長周期的觀察實驗、煩瑣并有一定重復率的操作實驗以及具有一定危險性的實驗軟件等教學內容。另外，我們必須深刻地認識到虛擬實驗軟件只是一種互動學習的輔助工具，它必定會受到課程知識、學習者、執教者個體差異的影響。為此還需我們在課堂中不斷深入實踐，形成更多的課程案例，從而充分發揮它應有的教育教學效果。