PhET軟件在化學跨學科教學中的應用

在高中化學、物理和生物學教學中，物質結構單元相關概念較為抽象而成為學生學習的難點。學生死記硬背，難以靈活運用物質性質等知識解決實際問題。PhET互動仿真模擬軟件的應用為教師開展物質結構與性質相關內容的跨學科單元設計與實踐提供了便利。筆者以“從原子結構到分子構建”為例，探討如何借助PhET軟件設計驅動性任務，引導學生深度學習，進而提升學生對物質結構概念的理解與應用能力。

一、應用互動仿真模型平臺教學的背景與價值

（一）教學挑戰：概念抽象不易理解

高中化學、物理和生物學等學科的課程標準對學生提出學業要求，必須掌握物質結構單元知識，如原子結構及其性質、生物大分子等。然而，筆者在教學中發現，學生在學習原子結構和化學鍵時面臨較大困難。主要原因之一是學生對化學式的認知往往停留在記憶層面，而這部分內容較為抽象，學生難以直觀理解和掌握。我們的研究對象是微觀粒子，但這些粒子無法直接用肉眼觀察，且與學生日常生活經驗相距甚遠，缺乏直觀的手段辨識微觀粒子。

（二）PhET平臺：互動性與可視性完美結合

為了應對上述挑戰，PhET仿真交互式軟件被引入課堂。PhET平臺由諾貝爾物理學獎得主卡爾·威曼于2002年創立，是一款由不同知識主題構建而成的獨立、互動式教學游戲軟件。該平臺最大的特點是將互動性與可視性結合，使學生在與仿真軟件互動的過程中能夠主動猜想并調整參數。學生可以觀察到與預想相符或出乎意料的直觀變化圖像，這種互動體驗不僅增加了學習的趣味性，還促進了學生對模型的認識、理解和應用，實現了學生學習過程中思維的顯性化^[1]。

（三）數字化教學之利：提升學生的數字化探究能力

PhET仿真交互式軟件的引入與《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出的總目標相契合，旨在提高學生的數字化合作與探究能力。學生應用PhET軟件，能夠在數字化環境中發揮學習自主性，針對問題設計探究路徑，以模擬驗證和可視化呈現等方式開展探究活動，得出探究結果^[2]。用這種方式教學不僅能提升學生對物質結構概念的理解和應用能力，而且能培養學生的創新精神和適應數字化學習環境的能力。

二、跨學科單元教學設計框架

（一）明確目標：構建“位—構—性”系統認識模型

學生認識原子結構是從微觀層面學習科學的基礎。學生需要經由探究不同元素原子結構之間的規律性聯系，構建“位—構—性”系統認識模型，建立對元素和物質性質的新視角和系統思維框架（如圖1）。其目的在于讓學生初步建立“結構決定性質”的學科大概念^[3]，提升學生“宏觀辨識與微觀探析”素養^[4]。學生認識原子結構不僅是理解微觀世界的基礎，也是分析原子結構穩定性和原子間相互作用的關鍵，為理解化學鍵概念打下堅實基礎。從微觀粒子和能量的視角出發，學生可以深刻理解化學變化中物質變化的本質和能量轉化的本質。化學鍵作為從原子結構到分子構建的橋梁，教師指導學生對其進行探究有助于發展學生的證據推理和模型認知學科核心素養。

（二）開展前測：摸清學生認知起點與障礙點

為了摸清學生在學習本單元知識之初的認知起點和障礙點，筆者對高一新生做了單元教學前測問卷調查。數據顯示，學生普遍對原子結構有一定了解，能夠借助實驗現象和卡通動畫感性地認識到物質由元素組成，微觀由分子、原子構成。然而，學生對原子構成和化學反應發生在最外層電子的認知不清晰，對原子結構示意圖的表征也不準確。這表明學生對原子及其反應的本質還處在模糊的微觀認識水平階段。鑒于物質結構研究對象是無法直接用肉眼觀察的微觀粒子，且距離學生的生活實際較遠，缺乏直觀的實驗輔助微觀粒子的辨識，筆者打算借助PhET仿真交互式軟件破解學生認知瓶頸，以引導他們由原子結構順利銜接進入化學鍵，開啟這一單元的學習。

（三）建立框架：設計“從原子結構到分子構建”的教學路徑

結合以上分析，筆者確定了“從原子結構到分子構建”跨學科單元教學目標，設計了教學路徑：在科學方面，學生要了解原子結構及化學鍵發展史，構建科學的原子分子結構模型，認識原子結構各組分之間的數量關系，且了解構建分子的一般思路，能科學構建陌生分子；在技術方面，借助PhET建立并評價模型，了解數字技術在科學學習中的應用；在工程方面，體會建模學習的過程，能提出自主構建原子、分子的方案并進行評價；在數學方面，了解數學均值、極值模型的應用，用數學圖形描述分子的大小、排列和空間結構。

建立該教學框架旨在利用PhET軟件，引導學生從原子結構到分子構建參與跨學科學習，實現深度學習，提升學生對物質結構概念的理解與應用能力。

三、PhET軟件在原子與分子模型構建中的應用

（一）構建一個原子

1.學習任務一：建立原子模型

筆者讓學生探索“原子和離子有何區別”，使用Build an Atom軟件的Atom功能區，嘗試構建氫原子和碳原子，點擊功能鍵，結合電子云模型，直觀理解原子與離子的區別。

學生參與上述活動實現認知進階。他們感知原子形成過程，探索原子構成要素，感受微粒活動范圍，加深了對原子結構的理解。同時，知曉電子在原子核引力場中的排布，以及電子云模型的發展，理解科學模型的變化性。

2.學習任務二：表征一個原子

筆者讓學生用化學符號表示原子或離子，使用Build an Atom的Symbol功能區，分組合作，探究如何表征原子。

學生自主探索和合作，完成原子空間結構到符號表征的轉換，感受微粒符號表征的變化，提升了微觀探析和符號表征能力。

3.學習任務三：競技游戲自評與互評

在筆者引導下，學生探究“如何多維度認識原子結構中微粒關系”，進入Build an Atom的Game功能區，參與比賽，完成自評和互評。

學生參與競技活動，厘清原子結構與元素周期表的關系，強化微觀結構和符號表征能力，建立了正確的元素觀。

4.學習任務四：同位素及原子相對質量模型構建

筆者讓學生思考“同位素原子占比變化如何影響元素相對原子量”，使用Isotopes and Atomic Mass軟件的Mixtures功能區，合作探究同位素與元素概念的關聯。

學生利用Isotopes and Atomic Mass軟件進行探索，加深了對元素相對原子量的認知，建立了解決混合物問題的思維模型。

（二）構建一個分子

1.學習任務一：構建熟悉的分子

筆者問：“原子外層電子排布與稀有氣體原子相同時，會有哪些新發現？”學生使用Build a Molecule軟件的Single功能區，構建了熟悉的分子模型并觀察其結構（如圖2）。

學生參與上述探究活動，認知水平實現進階。他們從熟悉的化學物質出發，分析分子構成，建立化學鍵概念，認識分子的空間結構，初步形成分子構成的思路。

2.學習任務二：創造一個“新”分子

“能否創建一個未知的‘新’分子？”學生積極面對挑戰，使用軟件的playgroung功能區，分組合作構建新分子（如圖3）。

學生自由探索分子的構成，對分子構成有清晰思路，提升了從分子尺度認識物質結構的能力。

四、教學實踐跟蹤診斷與評價

（一）跟蹤測試題設計：診斷學生的認知發展水平

為評估學生對原子結構到分子構建的認知及其應用能力，筆者設計了以下跟蹤測試題進行分析與評價，為完善后續教學設計提供依據。

題1：請畫出碳的同位素（8個中子）原子結構，并描述電子的排布和運動狀態。

核外電子排布及運動狀態的跟蹤診斷數據統計結果顯示，大多數學生能夠從量子力學電子云模型的角度解釋電子排布，了解每層容納電子數的規律，這為后續學習原子軌道知識打下了基礎。學生能夠聯系物理學科內容，從核對電子引力的角度理解電子排布特點，在認知發展層面實現從靜態孤立到動態聯系的轉變，在思維層面從感性認知發展為理性分析。

題2：請用圖示畫出食鹽、水的微觀示意圖，并解釋海水曬鹽時為何“水走鹽留”。

此題旨在診斷學生對微觀粒子種類及其相互作用方式的理解水平，以及應用相關知識分析和解決真實情境問題的能力。學生作答情況顯示，大多數學生能正確表達部分微觀粒子，且有驚喜表現，如能從微觀視角觀察物質，在合作研討中進行自我反思并完善作答。約60%的學生能描述水從液體到氣體的變化過程，即表現為分子間距增大。10%的學生能聯系電解質概念，畫出海水中的水合陰陽離子模型，知悉“水走鹽留”的微觀過程（如圖4）。

（二）學生認知進階：從微觀探析到問題解決

在PhET輔助的“從原子結構到分子構建”跨學科單元教學實踐中，學生逐漸能區分離子鍵和共價鍵，自主分析海水曬鹽“水走鹽留”情境下分子間力的存在，探尋化學鍵強度的證據及其推理過程。學生關注陰陽離子半徑大小、海水中水合離子的存在、分子存在空間結構等物質結構的核心問題，他們的宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等素養得到進階式提升^[5]。

（三）教學效果：PhET軟件在教學中的實證分析

學生借助PhET軟件學習原子結構和共價鍵相關內容，擺脫了對原子結構的簡單記憶，直觀地再現了原子的構成，完整建構了“如何構建一個原子”的模型。從構建一個原子到根據價電子排布判斷原子的穩定性，再到通過共價鍵構建分子，學生參與整個活動過程，符合其認知發展規律。在構建分子模型過程中，學生從熟悉分子的名稱化學式到看到分子內部作用力并了解分子排列順序，初步了解分子的空間構型，進而調用高階思維，合理推測未知分子的構建，提高了解決問題的關鍵能力。

實證分析表明，教師應用PhET軟件教學能夠有效激發學生的學習興趣，并幫助他們更好地理解抽象的科學概念。該軟件助力學生參與直觀的模型構建活動，促進了學生從微觀探析到問題解決的認知進階。學生能夠逐漸區分離子鍵和共價鍵，自主分析分子間力的存在，并探尋化學鍵強度的證據及其推理過程。學生的化學學科核心素養得到了顯著提升。然而，PhET軟件也存在一些局限性，例如部分內容為英文表達，需要評估學生的接受度；可參考的教學案例較少，需要教師根據學情設計教學方案。科學合理地應用數字技術對于激發學生學習興趣、豐富學習模式、助力學生理解抽象概念具有重要作用，也為彌補傳統理論教學和實踐教學的不足提供了廣闊的空間。教師應根據學生的具體情況，優化教學策略，爭取教學效果最大化。

參考文獻

[1] 姜言霞，王磊，蘇伶俐.國際高中化學課程結構的比較研究[J].比較教育研究，2016（2）：87-93.

[2] 李鋒.義務教育信息科技課程“新”在哪[J].中國信息技術教育，2022（11）：9-10.

[3] 李俊紅.基于化學學科理解的“換個角度看世界”教學設計[J].化學教學，2020（5）：46-50.

[4] 徐光偉.“宏觀辨識與微觀探析”學科核心素養培養探微：以“物質結構與性質”教學為例[J].中學教學參考，2019（23）：79.

[5] 胡偉玉，朱永飛.基于學科大概念統攝的單元教學設計：以“物質結構與性質”為例[J].中學化學教學參考，2023（19）：18-21.

責任編輯：祝元志