PhET數字化科普資源案例研究

李大為

（中國科學技術館，北京 100012）

0 引言

PhET（Physics Education Technology）互動仿真程序是美國科羅拉多大學的一個非營利性開放教育資源項目，它由諾貝爾獎獲得者卡爾·維曼于2002年創立。PhET是一套基于研究的交互式計算機仿真程序，在物理、化學、數學、生物和其他學科領域中用于教師教學和學生學習[1]。目前，PhET互動仿真平臺中關于物理、化學、數學、地球科學與生物五個科學學科的仿真程序共159個，提供95種翻譯語言，2863件課程案例，其中覆蓋的學段包含小學、初中、高中到大學。

1 PhET資源的特點

1.1 代碼開源、開頁即用

PhET互動仿真平臺提供的仿真程序是基于Java和HTML5語言編寫，并且各個仿真程序相對獨立，可以基于Java語言和HTML超文本標記語言進行整合封裝。所有PhET資源遵循MIT開源許可協議，使用者既可以登錄其官方網站直接使用，也可以下載到項目源代碼，進行本地化改造、部署應用到實際教學、工作中。

1.2 注重互動、趣味性強

PhET互動仿真程序不僅僅是動畫模擬實驗，它提供一個交互式的學習環境，可以直接、即時地響應用戶的輸入，進行模擬交互實驗。例如，在物理實驗中，學生可以抓取如電池、燈泡、磁鐵、手柄和開關等，而不只是滑塊或文本框與程序進行交互，極大地增強了真實性、趣味性。

1.3 迭代設計、內容精良

互動仿真程序是通過迭代設計過程產生的。對于每一個互動仿真程序，都會有一個由3～5名專家組成的團隊，其中包括一名專業技術開發人員、一名科學內容專家、一名教師和一名用戶界面設計專家。其研發過程主要包括以下幾個階段：根據教學內容列出學習目標清單—完成初步頁面設計—專業技術人員開發操作界面—學生模擬使用調查反饋—重新設計功能優化—通過課堂環境進一步測試—最終版本在平臺發布。研究人員通過對參與實踐的教師與學生進行調查，及時獲悉應用過程中的問題，進而對仿真程序的操作細節、難度以及與教學目標的貼合度等方面進行持續優化[2]。

2 PhET資源的應用場景

PhET資源基于靈活性設計，可以適用于不同的應用場景，概括如下：

2.1 在課堂中應用PhET

PhET資源可以用于日常課堂的演示教學，必須的硬件設備要求有一臺電腦和投影儀。如果教室里沒有互聯網接入，可以下載整套PhET資源或單獨的仿真程序供離線使用。為了確保顯示的適配性，建議將計算機上的屏幕分辨率設置為1 024×768。

PhET資源可以用來代替或補充演示教學中需要的真實實驗。與真實實驗相比，使用PhET資源的優點是，學生可以更容易地在課堂上看到演示效果，實驗參數支持現場修改，以便學生更直觀地觀察改變參數對實驗結果的影響。例如，在橫波作用于弦上的典型實驗中，弦的運動速度太快，學生看不到波動是由弦上的每個點上下移動引起的，但這種行為在模擬實驗中可以更好地展示出來。

2.2 在家庭作業中應用PhET

如果學生在家或者在學校能夠使用計算機，可以將PhET布置到家庭作業中，用于課后復習課上知識點或提前預習課程內容，讓學生自己操作模擬程序，并回答有關實驗問題。對于學生而言，PhET互動仿真程序與游戲相融合，能夠提高學生參與實驗、進行學習的主動性、積極性，培養學生由被動獲取知識向主動積極地探索科學知識轉變。

2.3 在實驗室中應用PhET

在實驗室中引入PhET互動仿真程序，可以直接代替部分真實實驗，保障實驗效果的同時，減少實驗耗材的浪費以及避免學生接觸較危險的實驗。另外，還可以把PhET模擬程序作為真實實驗的一個環節，補充對抽象概念的理解，將真實實驗與虛擬實驗相結合，讓看不見的東西變得可視化。

3 PhET資源典型案例

下面以PhET互動仿真平臺中具有代表性的程序——“力和運動”（Forces and Motion）為例，介紹PhET資源在物理實驗中的應用。“力和運動”這一仿真程序主要用于輔助物理力學的教學，涉及的知識點包括二力平衡、摩擦力、加速度等，仿真程序把抽象的知識點具體可視化，讓學生對力產生直觀的認識[3]。

該仿真程序包括“合力”“運動”“摩擦力”“加速度”四個操作模塊。在“合力”模塊，如圖1所示，通過類似小人拔河的實驗，解釋合力的作用。學生操作時，可以向左側添加藍色小人，向右側添加紅色小人，根據人數不同和人物大小作用力的不同，頁面上直觀地展示出作用力之和的大小和方向。

圖1 合力

在“運動”模塊，如圖2所示，設置實驗環境在無摩擦狀態下，學生通過點擊鼠標使小人推動箱體滑動。可以觀察到，當保持一個恒力推動時，箱體滑動速度越來越快；推力越大，箱體滑動速度增加越快；當手松開后，箱體保持一個恒定速度不斷前進。

圖2 運動

如圖3所示，在“摩擦力”模塊中，在原實驗環境中引入摩擦力，當小人推動箱體時，可以結合“合力”模塊知識，使用推力、摩擦力計算作用力之和。通過這種分解知識點的實驗方法，展示物理現象背后的實際原理，讓學生更容易理解，記憶更深。

圖3 摩擦力

如圖4所示，在“加速度”模塊中，通過測量值的直觀顯示，進一步說明了當作用力為一個恒力時，箱體運動越來越快的原因：加速度的作用。學生在操作中通過仿真程序的實時反饋來實現與程序的交互。通過操作界面的層層遞進，進行類似于游戲的探索，巧妙地完成了從具體到抽象的過渡。

圖4 加速度

4 結語

PhET資源因其開源易用、內容豐富、活潑有趣等特點正被越來越多的教師、科普工作者所了解和使用。在信息科技高速發展的時代背景下，PhET資源為科普教育與信息科技的融合提供了一條新思路。如何在教學和科普中使用好這些學習資源，如何利用信息技術開發更好的科普教育資源成為廣大教師和科普工作者值得研究和探討的一個新方向。