虛擬仿真程序輔助物理教學的實踐探究

蔡世娟

《義務教育物理課程標準（2022年版）》指出，教師要有效使用信息技術豐富教學途徑與形式，充分發揮信息技術的優勢，創新教學方式，提升教學的效果和效率。《教育信息化2.0行動計劃》提出，要推動信息技術與教育教學融合，全面提升師生信息素養，為學生提供有效的學習工具和豐富的教育環境。在以往的物理教學中，由于缺乏合適的工具來演示一些抽象和復雜的科學概念、物理規律及動態變化過程，學生記憶和理解相關知識比較困難。例如，在“凸透鏡成像的規律”新課教學中，大多數教師通過演示實驗引導學生探究得出凸透鏡的成像規律，還通過PPT演示、播放微課視頻、用粉筆手繪光路圖等方式來輔助教學，但是教學情境單一、刻板，教學互動性差，無法真正激發學生興趣。學生接受傳統教學獲得的感性認識，難以透徹理解相關概念和成像規律，少數學生死記硬背凸透鏡成像規律造成思維混亂，無法學以致用。如何豐富物理課堂教學途徑、創新教學方式以提升教學效率和教學質量是教育工作者亟待解決的問題。筆者以人教版《義務教育教科書 物理 八年級 上冊》中“凸透鏡成像的規律”的教學為例，介紹虛擬仿真程序PhET輔助下的物理教學設計思路和實踐方法，旨在將抽象且復雜的物理概念、成像規律，通過形象、直觀的動態仿真圖展現出來，深化學生對凸透鏡成像規律的理解，提高教學效率。

一、PhET介紹

PhET是物理教育技術（Physics Education Technology）的英文簡稱，是一款教學資源豐富的開源互動虛擬仿真程序。它包含物理、化學、數學、地球科學、生物學五大學科，其中虛擬仿真程序均由具有專業背景的人員基于最新的科學研究和教學實踐進行設計、開發、測試和評估，以確保仿真程序的科學性、有效性和實用性。PhET能將抽象復雜的科學概念、物理規律、微觀事實可視化。教師借助PhET的游戲情境開展互動教學，能讓學生沉浸在教學過程中，以達到寓教于樂的目的。PhET自發布以來已被翻譯成90多種語言，超過200多個國家或地區的教師用其輔助學科教學，涌現出大量的優秀課例，正在被上億用戶免費使用。此外，PhET支持教師在教室電子屏幕上在線或離線操作，在增強演示性的同時提高課堂教學效率，也支持學生借助智能手機、平板電腦等移動設備隨時、隨地進行課后自主學習以彌補課堂學習的不足。

二、PhET輔助下的物理教學

（一）設定實驗參數

在探究實驗結束后，教師打開瀏覽器登錄

PhET官網（https：//phet.colorado.edu/zh_CN/）；點擊右上角“”中的仿真程序，依次選擇“物理”“幾何光學”“透鏡”，進入PhET操作界面。

筆者從實驗界面尺度、教師操作便捷度、學生觀察便捷度的角度設定實驗參數，從物體選項中選擇“”（可根據學生喜好自由選擇）；對于光線，選擇“主要光線”，系統會呈現三條過凸透鏡的光線；對于曲率半徑，選擇“80?cm”，改變曲率半徑可改變凸透鏡的焦距；對于折射率，選擇“1.5”；對于直徑，選擇“120 cm”，改變直徑可以改變凸透鏡大小；勾選“焦點”，在主光軸上顯示凸透鏡的焦點位置；勾選“虛像”，當物距小于一倍焦距能顯示虛像的成像原理圖；勾選“標注”，系統能顯示主光軸、物體、焦點（）、凸透鏡、實像、虛像等物理概念。筆者用橫放的“刻度尺”在凸透鏡左、右兩側的主光軸上找到二倍焦距的位置并用“”加以標注。

筆者調節物體在主光軸上的高度，通過PhET界面顯示三條特殊光線（如圖1）：平行于主光軸的光、過光心的光、過焦點的光。按下左上角的鎖定按鈕“”使其變成“”，此時物體僅能在主光軸上左、右移動。

（二）輔助概念教學

概念是反映事物本質屬性的思維產物，概念教學是幫助學生構建知識體系、培養核心素養的重要途徑。筆者通過以往的教學實踐發現，學生對實像、不成像、虛像等抽象概念的認知較淺，這不利于理解凸透鏡成像規律。教師借助PhET輔助概念教學，對錯綜復雜的實際問題進行抽象化、簡化處理，將實際光線轉化成簡潔、明了的三條特殊光線，進而得到反映事物本質特性的物理模型，讓學生能直觀地感受實像、不成像、虛像的形成過程和形成原理。這樣，在鍛煉學生“模型建構”思維的同時也為成像規律的教學奠定堅實基礎。PhET輔助概念教學流程如圖2所示。

教師按以下步驟教學。首先，向學生提問“平行于主光軸的光、過光心的光、過焦點的光經過凸透鏡后各按什么路徑傳播”，然后用電子教鞭拖動物體使PhET界面上依次呈現實像、不成像、虛像（如圖3、圖4、圖5）。學生通過觀察PhET界面上三條特殊光線的傳播徑跡深刻理解了實像、不成像、虛像的形成原理：經過凸透鏡的折射光線會聚成實像，即實像是由實際光線會聚而成；經過凸透鏡的折射光線相互平行沒有交點因此不成像；經過凸透鏡的折射光線由于夾角過大無法在凸透鏡右側會聚，但折射光線的反向延長線可以在凸透鏡左側相交，人眼逆著出射光的方向看去，感到光是從虛像的位置發出的。

（三）輔助靜態成像規律教學

初中生的思維正從形象思維向抽象思維過渡且以形象思維為主。以往，教師用傳統實物實驗，無法將實驗過程、實驗現象具象化。現在，教師借助PhET輔助靜態成像規律教學，能對傳統的探究實驗過程、實驗結果起到補充、完善和驗證作用，將學生的抽象思維和形象思維融合起來以滿足學生的個性化學習需求。此外，教師還引導學生思考凸透鏡成像的規律在日常生活中的應用，進一步提高他們的物理學科核心素養。PhET輔助靜態成像規律教學流程如圖6所示。

教師借助PhET將物體置于二倍焦距以外的位置，向右緩慢拖動物體靠近透鏡使物距依次為：>2、=2、2>>、=、<（如圖7）。教師在目標位置上設置一系列有梯度的問題引導學生觀察，讓他們思考：物距和像距的范圍各是多少？物距和像距誰大？成像特點是什么？在生活中有什么應用？學生通過觀察PhET實驗界面迅速、準確判斷物、像的位置關系及像的性質。

教師將物體分別置于一倍焦距（=）和二倍焦距（=2）的位置，并分別在目標位置左、右兩側小幅度多次、緩慢地移動物體（如圖8），引導學生觀察、思考一倍焦距和二倍焦距左、右兩側成像特點有何區別。學生觀察到一倍焦距是虛像和實像的分界點，二倍焦距是放大像和縮小像的分界點，并由此總結出“一倍焦距分虛實，二倍焦距分大小”的靜態成像規律。

（四）輔助動態成像規律教學

凸透鏡的動態成像規律一直是教學難點，這一難點的突破不僅要求學生能透徹地理解凸透鏡的靜態成像規律，而且要求學生在頭腦中清晰地建構起成像的動態變化模型。教師借助PhET能準確高效、直觀生動、持續連貫地模擬物、像的動態變化規律，彌補了傳統實驗中成像光路圖不可視、實驗現象變化不明顯、動態變化過程不連貫等諸多不足，將教學難點化難為易、化繁為簡。此外，教師還通過師生一問一答、學生組內互助的形式，突出教師的引導作用，體現學生的主體地位。輔助動態成像規律教學流程如圖9所示。

教師將物體置于一倍焦距以外的位置（>）并緩慢拖動物體依次靠近、遠離焦點，引導學生觀察、思考物體在靠近焦點的過程中像的位置和像的大小有何變化。學生直觀地觀察到隨著物體逐漸靠近焦點入射光線會逐漸發散，兩條折射光線也隨之發散，夾角變大且延遲相交，即隨著物體逐漸靠近焦點像逐漸遠離透鏡且逐漸變大（如圖10）。反之，隨著物體逐漸遠離焦點像逐漸靠近透鏡且逐漸變小。學生組內討論后總結：當>時，物、像的動態變化呈現如下規律，即“物近（焦點）像遠（透鏡）像變大，物遠（焦點）像近（透鏡）像變小”。

教師將物體置于一倍焦距以內的位置（<）并緩慢拖動物體依次遠離、靠近焦點。學生直觀地觀察到隨著物體逐漸遠離焦點，折射光線反向延長線的夾角逐漸變大且提前相交，即隨著物體逐漸遠離焦點虛像會逐漸靠近透鏡且逐漸變小，但相對于物體本身來說像仍是放大的（如圖11）。反之，物體在靠近焦點的過程中虛像會逐漸遠離透鏡且逐漸變大，學生組內討論后總結：當<時，物、像的動態變化呈現如下規律，即“物近（焦點）像遠（透鏡）像變大，物遠（焦點）像近（透鏡）像變小”。

學生學完上述新課，發現不論物距大于一倍焦距還是小于一倍焦距，物、像的動態變化均有規律，即“物近（焦點）像遠（透鏡）像變大，物遠（焦點）像近（透鏡）像變小”。教師將上述動態成像規律在表格左右以“對聯”的形式呈現（見表1），讓學生補上“橫批”，在增強知識趣味性的同時方便學生記憶。最后，教師讓部分學生上臺操作以增強體驗感，進一步深化學生對動態成像規律的理解。

三、總結

實踐證明，教師在教學過程中適時、恰當、合理地借助PhET來輔助物理教學能提高教學效率。但PhET也有局限性，如無法訓練學生的動手操作能力、無法提供真實的實驗情境、仿真結果過于理想化等。教師應精心設計教學活動將傳統教學與虛擬仿真教學有效融合起來，使兩者相互促進、相輔相成。虛擬仿真程序PhET輔助物理教學，可能成為物理教學的一個新亮點。

參考文獻

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（作者系天津師范大學濱海附屬學校教師）

責任編輯：祝元志