PhET助力《自然選擇》模擬實驗

〔摘""要〕"PhET交互式模擬實驗系統，是卡爾·威曼于2012年推出的一款面向世界各地中小學和大學的交互式STEM教學系統。PhET交互式模擬實驗技術與課程的結合和應用，使學生能夠更好地掌握知識，同時促進對抽象知識的理解、內化和應用，為培養創新型人才打下堅實的基礎。本文詳細介紹了利用PhET對小學科學課程《自然選擇》的實驗教學設計流程，包括學習目標、實驗過程和教學分析，以及它促進學生對于達爾文生物進化論的理解過程。

〔關鍵詞〕"小學科學；PhET；“自然選擇”實驗；概念理解

〔中圖分類號〕"G424""""""""〔文獻標識碼〕"A"""""〔文章編號〕"1674-6317""（2025）"06""052-054

在信息技術飛速發展的今天，現代教育技術已逐漸走進了小學科學課堂，并引起了一場深刻的變革。2022年版《義務教育科學課程標準》提出，要把現代教育技術應用到教學中，使其成為教學過程和方法中的一個重要組成部分。科學課是一門以探索性研究為中心的科學啟蒙課，主張讓學生在實踐中去了解世界。但由于學生實踐技能和科研設備的缺乏，使許多觀測項目或實際操作實驗很難實現，有些甚至不能進行。針對上述問題，卡爾·威曼于2012年開發了一套基于PhET的交互仿真實驗軟件，使很多問題得以解決。

一、PhET互動式仿真實驗應用的特點

第一，PhET具備多個變量的可控性和可調節性，并能用圖形展示變量之間的關系，提供多種量化指標的優勢。該系統是由Java與Flash兩種媒體語言編寫而成，具有很好的操作系統適應性，顯示了良好的開放源碼性能。

第二，PhET可以將微觀現象形象化，運用多種形式對抽象概念進行表達，注重對事實的簡化，便于學生理解。它可以創造出虛擬的實驗場景，并引入大量的可視化圖形和動畫等，來幫助學生更好地理解這些概念。在學習的同時，可以為學生提供適時的幫助、清晰的提示以及動態的動作說明。

第三，PhET具有較高的仿真精度。該系統可以為學生提供更貼近實際的實驗環境，模擬實驗所需的實驗設備和測試手段。通過改變實驗參數，可使實驗結果更加準確，更加逼真。比如，教師在講授“自然選擇”時，可以調整不同的參量，將“PhET”計劃中的調控參數轉變為“自變量”，將“觀察指標”轉變為“因變量”。

第四，PhET具有強烈的交互性。在教學中，學生可以按照教學指導的要求，自己動手操作實驗裝置、使用測試工具、修改實驗參數、收集整理實驗數據。學生能夠根據自己的實際需要，通過實驗研究總結，真正了解實驗原理。教師可以將學生置身于科學探究的游戲情境中，讓學生積極地參與到實驗活動中去，掌握科學概念，并利用問題串來引導學生思考，實現學生的深度學習。

第五，PhET互動模擬實驗技術與科學課程的結合，在教師講授、家庭作業、課堂小組活動和實驗等方面，都有很好的應用。在主題的引入、概念的學習與鞏固、技巧的掌握、反省與評估上，都可以起到獨特的效果。

二、《自然選擇》實驗教學的設計流程

本文以小學科學粵教版六年級上冊第四單元第21課《自然選擇》為例，利用PhET生物模塊下的“自然選擇”實驗室進行模擬實驗，將動物漫長的自然演化進程大幅度縮短，讓學生能夠在短時間內觀察到具體的變化過程。同時也讓他們明白，生態環保是多么重要。在此過程中，學生體會到團隊合作的快樂，并形成正確的生活觀。

（一）"過度繁殖實驗

實驗目的：通過模擬觀察，驗證自然選擇的前提條件是過度繁殖。

實驗步驟：在界面中點擊“添加配偶”選項，兔子開始世代繁殖。當繁殖到第五代時，通過右下角的“人口”選項，可以觀察到兔群在理想環境中數量不斷增長的動態過程。若在自然環境中不加以控制，兔子的數量將爆炸式增長。

在界面的右側“多個環境因素”選項中選擇“有限的食物”條件后，觀察顯示兔子的總數顯著減少。隨著兔群逐代繁衍，其數量經歷了急劇增加后又迅速減少的周期性變化，形成一種動態的平衡態勢。這種狀況與先前假設的在理想條件下所預期的指數式增長形成鮮明對比。

實驗結論：通過模擬觀察，我們可以發現，當種群數量較少時，繁殖率較高，種群數量呈指數式快速增長。而當種群數量較多時，即使繁殖率較高，種群數量也不會快速增長，甚至可能出現下降的情況。

這是因為一開始當種群中的個體數量較少時，隨機因素對種群數量的影響較大。此時食物還算比較充足，因而兔子數量可以得到快速增長。而當種群中的個體數量較多時，兔子種群內部的資源競爭加劇，如有限的食物、生存空間等，兔子個體之間的競爭壓力增大，導致兔子數量的增長受到限制，不再呈指數式增長，而是處于激增—驟減的動態平衡之中。

因此，自然選擇的前提條件是過度繁殖。只有在種群數量過多、資源競爭激烈的情況下，才會出現自然選擇的過程。

（二）"遺傳變異及生存斗爭實驗

實驗目的：通過模擬觀察，驗證自然選擇是基于遺傳變異進行的。遺傳變異為自然選擇過程提供了豐富的候選材料，是自然選擇的根基。自然選擇的動力是生存斗爭。

實驗步驟：在界面中，點擊“添加配偶”按鈕，并在界面右上角“添加多個突變型”中“牙齒”選項那里，添加兔子的長牙基因突變。隨著世代的繁殖，發現短牙兔子的后代中開始出現具有長牙的個體。隨著這些兔子繼續繁殖，長牙和短牙兔子的數量都逐漸增加，最終兩者的比例達到一個平衡狀態。

到了第五代時，通過選擇“多個環境因素”中的“難吃的食物”選項，實驗中的植物被替換成難以咀嚼的種類。在這一變化下，短牙兔子的數量逐漸減少，而長牙兔子的數量卻顯著增加。當兔群繁衍至第九代時，統計顯示長牙兔子與短牙兔子數量之間的比例趨于穩定狀態，接近9：1。

實驗結論：通過模擬觀察，我們可以發現，在添加了長牙基因突變后，模擬器中的種群數量逐漸涌現出擁有長牙的兔子后代。伴隨著繁殖代數的不斷累積，這兩種（短牙與長牙）兔子的數量均有所增長，并最終達到一個相對穩定的比例。這表明遺傳變異為自然選擇提供了選擇的材料，是選擇的基礎。

在難吃的食物環境下，我們可以看到短牙兔越來越少，而長牙兔越來越多。這是因為長牙兔具有更好的適應性，可以更好地適應難吃的食物環境。這表明自然選擇的動力是生存斗爭。

因此，遺傳變異在自然選擇過程中所扮演的關鍵角色——它不僅為選擇過程提供了豐富的基因素材，更奠定了選擇發生的堅實基礎。自然選擇的動力是生存斗爭。

（三）"適者生存實驗

實驗目的：通過模擬觀察，證明自然選擇的結果是適者生存。當環境條件發生變化時，那些攜帶有利變異的個體在激烈的生存競爭中，展現出更強的適應力，因而更有可能存活下來，并將這些優勢變異傳遞給其后代。相反，那些擁有不利變異的個體則難以適應新環境，最終面臨被淘汰的命運。

實驗步驟：在界面上選取“添加配偶”功能，并在右側頂部選擇“添加多個突變型”，在其中的“毛皮”分類下引入棕色毛皮的基因變異。隨后，觀察到實驗中的白色兔子后代開始展現出基因變異，出現了棕色毛發的個體。隨著兔子的連續繁殖，攜帶棕色和白色毛皮的兔子群體均逐漸壯大。

到了第五代時，選擇右側“多個環境因素”中的“狼”條件，使兔子的自然捕食者——狼被引入實驗環境中。隨著時間的推移和世代的更替，白色毛皮兔子的數量逐步降低，而棕色毛皮兔子不僅數量增加，其在整個兔群中的比例也顯著提高。

當兔群繁衍至第五代時，通過選中右側“多個環境因素”菜單下的“雪地”選項。隨著時間推移及代際更替，棕色毛皮兔子的數量逐漸減少，而白色毛皮兔子不僅數量增多，其在兔群中所占的比例也顯著上升。

實驗結論：通過模擬觀察，我們可以發現，在添加棕色毛皮的兔子后，模擬器中的種群中逐漸出現棕毛兔的后代。隨著繁殖代數的增加，白毛兔和棕毛兔的數量均有所增長，且二者的比例趨于穩定。這一現象揭示了在生存斗爭中，攜帶有利變異（如棕色毛皮可能在普通陸地條件下提供的偽裝優勢）的個體更有可能存活下來，并將這些優勢特征傳遞給其后代；相反，那些具有不利變異的個體則可能因不適應環境而被淘汰。

并且，在不同環境條件下的有利變異是不同的，具有有利變異的個體在適應環境的過程中，具有更好的生存機會。在狼出現后，陸地上白毛兔的數量逐漸減少，而棕毛兔的數量逐漸增加。這表明在陸地環境中，棕毛兔具有更好的適應能力。因為它們的毛色更接近環境的顏色，可以更好地躲避狼的襲擊。而在雪地條件下，棕毛兔的數量逐漸減少，白毛兔的數量卻逐漸增加。這表明在雪地里白色毛發更有利于兔子隱藏自己，以躲避天敵狼的捕食。

通過PhET輔助下的模擬實驗，學生可以直觀地觀察到不同特征生物在特定環境下的生存情況，從而深刻理解自然選擇的原理和規律。這種實驗方式不僅提高了學生的學習興趣和積極性，還培養了他們的科學探究能力和團隊協作能力，促進了學生科學思維的養成和問題的解決。值得注意的是，在學生動手操作的各個階段，教師應根據學生的反饋和實驗結果進行適時的引導和解釋，確保學生操作無誤，得到正確的實驗結論。

三、運用互動式PhET模擬仿真實驗教學的啟示

第一，虛擬與仿真軟件和教學課件在功能上沒有絕對的分界。模擬實驗軟件通常是以圖形、圖像等形式出現的，它更多的是一種介于現實世界與抽象知識之間的“模型”。

第二，在理科教學中，為了取得較好的教學效果，一般采用虛擬模擬和真實感實驗相結合的方法。在具體的運用上，模擬性實驗，由學生在電腦室進行操作；演示性模擬性實驗，由教師作為主要操作者，在科學室進行。

第三，模型是對現實世界的一種簡化。無論它多么完美，都只能作為一種教學方法，而不能完全取代科學實驗。所以，在重視虛實相結合的前提下，應避免對虛擬模擬實驗的過度運用。

綜上所述，PhET交互仿真模擬實驗軟件能夠充分調動學生的積極性，提高他們對抽象知識的理解、內化、運用，建立知識模型。但是，《義務教育科學課程標準》也明確提出：現代教育技術作為教學活動和方法的一個重要組成部分，應該采取適當的手段，但是不應該過度使用。尤其是對小學生來說，他們更需要自己去探索，去獲得第一手的經驗，而不是高科技就能替代的。教師適時地依據教學內容，選擇虛擬實驗或真實實驗就顯得尤為重要。

參考文獻

[1]沈德強.PhET互動式仿真模擬實驗軟件在小學科學教學中的應用初探[J].中小學實驗與裝備，2015（5）：41-42.

[2]玉罕合，王曉燕.PhET軟件在生物學教學中的應用：以“生物進化的原因”一課為例[J].中學生物教學，2021（35）：51-53.

[3]余海峰，李德紅.中學生物學虛擬仿真實驗：以PhET輔助下“自然選擇”教學為例[J].中小學數字化教學，2021（5）：9-12