PhET輔助初中物理抽象概念教學的實踐創(chuàng)新

在初中物理教學中，抽象而復雜的科學概念猶如一座座難以逾越的高山，橫亙在學生理解知識的道路上。電流作為電學部分的基石概念，以其看不見、摸不著的抽象特性，成為學生學習旅程中的“攔路虎”。傳統(tǒng)教學中，教師常借助水流類比來闡釋電流，易使學生陷人錯誤認知的泥沼[1]。隨著教育信息化的推進，信息技術(shù)與教學深度融合，為破解電流教學難題送來了“東風”。虛擬仿真程序PhET憑借其直觀性和交互性的優(yōu)勢，為抽象概念教學開辟了新路。它似一座橋梁，連接著復雜的物理概念與學生求知的心靈；又似一扇窗戶，透過動態(tài)仿真和虛擬測量工具，將電流的形成、方向和特性清晰地展現(xiàn)在學生眼前，助力他們窺探電流微觀世界的奧秘。筆者以“電流”為例，深人探尋PhET在初中物理抽象概念教學中的應用策略，旨在為物理教學實踐提供有益借鑒

一、PhET的功能特性與教育價值

PhET，一款在教育領域廣泛應用的虛擬仿真工具，其功能特性緊密圍繞物理教學的核心目標。它以開源性為基石，提供了物理、化學等學科的大量仿真模塊[2，為教師和學生搭建起一個知識的寶庫。在電流教學中，PhET的以下特性尤為突出。

（一）仿真動畫：點亮理解的明燈

仿真動畫作為PhET的招牌絕技，在電流教學中扮演著關鍵角色。它宛如一位神奇的魔術(shù)師，將負電荷在導體中的分布以動態(tài)畫面的形式呈現(xiàn)在學生眼前（如圖1）。閉合開關的瞬間，負電荷在電路中有序移動，形成電流的壯觀景象，打破了傳統(tǒng)教學中抽象概念的“堅冰”。學生不再局限于書本上的文字描述，而是從視覺上，直觀感受電流的形成過程，猶如親眼看見一場微觀世界的“遷徙”。

（二）虛擬測量儀器：精準量化實驗現(xiàn)象

虛擬測量儀器是PhET平臺負載的另一大利器，它為電流教學注人了科學的“血液”。在實驗中，學生可輕松放置“電流表”，精準讀取電流數(shù)值；點擊“CurrentChart”，電流隨時間變化的曲線躍然屏上。這些儀器猶如精確的“尺子”，將抽象的電流量化為具體的數(shù)據(jù)和圖形，使學生能夠從量化的角度深人分析實驗現(xiàn)象，為科學探究提供了堅實的支撐。

（三）交互性與趣味性：激發(fā)內(nèi)驅(qū)力

PhET的交互性與趣味性，恰似為學生量身定制的學習“引擎”。學生不再是被動的知識接受者，而是化身為實驗的“導演”，通過拖曳、點擊等操作，自主搭建電路，調(diào)整參數(shù)，探索電流的奧秘。這種主動探索的學習模式，極大地激發(fā)了學生的好奇心和求知欲，使物理學習從枯燥的理論記憶轉(zhuǎn)變?yōu)橐粓龀錆M樂趣的“探險”。

這些特性相互交融，使PhET成為電流教學的得力助手，不僅幫助學生跨越了理解的鴻溝，而且為他們深度學習電流概念搭建了穩(wěn)固的“腳手架”。

二、PhET在電流概念教學中的實踐設計

（一）電流成因與方向的可視化教學

1.電流的形成：揭開神秘面紗

在傳統(tǒng)教學中，電流的形成過程猶如隱藏在迷霧之后的真相，學生難以窺探。PhET的“Circuit Construction Kit：AC”模塊，宛如一把神奇的鑰匙，開啟了微觀世界的大門。教師引導學生連接電路，閉合開關后，負電荷在導體中的定向移動以動態(tài)畫面呈現(xiàn)（如圖2）。學生驚訝地發(fā)現(xiàn)，電流并非水流般“流動”，而是負電荷在電場力作用下的有序“遷徙”。經(jīng)過反復觀察和思考，學生逐漸構(gòu)建起電流形成的科學認知：電流是電荷定向移動的宏觀表現(xiàn)，是電場力驅(qū)動下的微觀世界“大合唱”。

2.電流方向的定義：糾正認知偏差

電流方向的定義，一直是學生理解的“絆腳石”。科學家將正電荷移動方向規(guī)定為電流方向，而實際電路中卻是負電荷在“唱主角”。這一矛盾，常使學生產(chǎn)生困惑。PhET再次發(fā)揮其魔力，教師點擊“傳統(tǒng)”按鈕，電流方向瞬間顯現(xiàn)。學生通過對比，清晰地觀察到負電荷移動方向與電流方向背道而馳。這種直觀的視覺對比，猶如一記重錘，敲碎了學生腦海中“電流方向等于電子移動方向”的錯誤認知，幫助他們建立起科學的電流方向概念。

3.電流的形成條件：厘清關鍵要素

電流的形成條件如同一座迷宮，學生容易迷失其中。斷開開關后，電路中無電流，但自由電子仍“潛伏”于導體中。教師巧妙設問，引導學生思考：電流為何消失？自由電子去哪了？學生在觀察和討論中逐漸明白，閉合回路是電流形成的必備條件，就像一條完整的道路，電荷才能在其中持續(xù)“奔跑”。這一過程，猶如為學生撥開迷霧，讓他們找到電流形成的“核心密碼”。

（二）基于PhET的錯誤概念糾正策略

筆者基于PhET設計了用于糾正學生概念理解錯誤的教學流程（如圖3）。

1.糾正“延后”模型：打破時間錯覺

“延后”模型，如同一顆頑固的“釘子”，扎根于部分學生心中。他們認為電流需要時間傳遞，離電源正極近的用電器先工作。PhET的“CurrentChart”和“電流表”成為拔釘?shù)摹扒斯鳌薄ｉ_關閉合瞬間，兩燈泡同時亮起（如圖4）；斷開瞬間，兩燈泡同時熄滅。電流隨時間變化的曲線完美重合，這一鐵一般的事實，無情地擊碎了“延后”模型的幻想，讓學生徹底告別時間錯覺。

2.糾正“順序消耗”模型：厘清 能量本質(zhì)

“順序消耗”模型，宛如一層厚厚的“霧靄”，遮蔽了學生對電流本質(zhì)的認知。他們誤以為電流像水流般，流經(jīng)燈泡后會“力竭而歸”。PhET的仿真動畫驅(qū)散了這層迷霧，學生看到燈泡發(fā)光消耗的是電池提供的電能，而非電流或負電荷本身。電流在電路中循環(huán)往復，宛如不知疲倦的“信使”，將電能從電池傳遞到燈泡。教師的補充講解，更是為學生撥開迷霧見晴天，讓他們明白電流是電能的“搬運工”，而非“消耗品”。

3.糾正“分配消耗”模型：厘清電流分配“分配消耗”模型恰似一個迷惑人心的“陷阱”，讓學生誤以為燈泡越亮，分配的電流越多。PhET的調(diào)節(jié)功能為學生提供了“望遠鏡”，讓他們看清真相。教師調(diào)節(jié)右側(cè)燈泡的阻值，學生觀察到，盡管燈泡亮度“千差萬別”，但通過兩燈泡的電流大小卻始終“如影隨形”。這一現(xiàn)象，即刻消除了部分學生腦海中存在的“分配消耗”模型，讓他們領悟到電流與電阻的微妙關系，而非簡單的“分配邏輯”。

（三）基于PhET的深度學習拓展

1.自由電子移動速度與電流的關系：探究深層聯(lián)系

在學生對電流有了基本理解后，PhET引導他們向更深層的領域進發(fā)。實驗中，學生發(fā)現(xiàn)，當燈泡阻值增大時，自由電子的移動速度明顯放緩。教師趁機拋出問題：電流是否與自由電子的定向移動速度有關？課堂瞬間沸騰，學生各抒己見。學生熱烈討論并深入思考，逐漸達成共識：在同一電路中，電流與自由電子的定向移動速度成正比。這一拓展，如同為學生打開了一扇通往微觀世界的新窗，讓他們從動態(tài)視角重新審視電流的本質(zhì)。

2.電流的微觀模型建構(gòu)：搭建認 知大廈

PhET的動態(tài)仿真功能，為學生搭建起了微觀模型建構(gòu)的“腳手架”。教師引導學生觀察電荷在不同電路狀態(tài)下的行為：閉合開關時，電荷有序移動；斷開開關時，電荷靜止不動。學生通過自主操作和觀察，如同拼圖般，逐步將這些碎片化的信息拼湊成完整的微觀模型。他們逐漸理解電流的形成機制，從電荷的產(chǎn)生、移動到電流的宏觀表現(xiàn)，每一步都清晰可見。這一過程，猶如為學生建造了一座堅固的認知大廈，讓他們以更高的維度審視電流。

三、教學效果與反思

教學實踐的成果，猶如一面鏡子，映照出PhET在電流概念教學中的卓越表現(xiàn)。

一是提升了理解深度：點亮思維明燈。PhET基于動態(tài)仿真和量化分析，為學生提供了一把開啟微觀世界大門的“金鑰匙”。他們不再局限于表面現(xiàn)象，而是深人到電流形成的本質(zhì)，理解電流是電荷定向移動的宏觀表現(xiàn)。這種深入理解，如同為學生點亮了一盞思維的明燈，照亮了他們探索物理世界的道路。

二是激發(fā)了學習興趣：點燃求知火焰。PhET的交互性和趣味性，如同神奇的火種，點燃了學生求知的火焰。學生從被動接受知識的“容器”，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿髦R的“探險家”。他們在搭建電路、調(diào)整參數(shù)的過程中，體驗發(fā)現(xiàn)的樂趣和成功的喜悅。這種興趣的激發(fā)，如同為學生的學習之旅注人了源源不斷的動力。

三是支持核心素養(yǎng)發(fā)展：培育綜合能力。PhET不僅是知識的傳遞者，更是核心素養(yǎng)的培育者。它幫助學生在觀察、分析和推理中發(fā)展科學思維，讓他們學會從現(xiàn)象中提煉本質(zhì)，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。這種能力的培養(yǎng)，如同為學生搭建了堅固的“認知腳手架”，使他們在面對復雜問題時能夠從容不迫。

然而，PhET的應用并非十全十美。它對實驗條件的依賴，如同一道無形的門檻，可能阻擋部分學生進人虛擬實驗的殿堂；對學生信息技術(shù)基礎的要求，則如同“技能斷層線”，易使技術(shù)準備度不足的學生陷人操作性認知失調(diào)。因此，在教學中，我們需要平衡虛擬實驗與真實實驗的比例，如同調(diào)配一道營養(yǎng)均衡的“大餐”，讓學生在兩種實驗中各取所長；同時，為學生提供必要的技術(shù)支持，建立“能力發(fā)展支架”，依托階段性技能圖譜與智能輔助系統(tǒng)，引導學生實現(xiàn)從工具應用到科學推理的認知躍遷。對于PhET的推廣應用，筆者提出以下幾點建議。

一是加強教師培訓，打造應用型“精兵”。要讓PhET在教學中發(fā)揮最大效能，教師培訓是關鍵一步。我們應組織多樣化的培訓活動，如同打造一個精良的“武器庫”，為教師提供豐富的PhET應用知識和技能。舉辦專家講座，讓教師了解PhET的前沿理念；開展案例分析，讓教師掌握PhET在不同教學場景中的應用策略；加強實踐操作，讓教師熟悉PhET的各項功能。只有打造一支善于應用PhET的“精兵”隊伍，才能為教學改革提供堅實保障。

二是優(yōu)化資源，定制本地“菜單”。不同地區(qū)、不同學校的教學需求，恰似多樣化的“口味”，需要定制化的資源來滿足。我們應鼓勵教師根據(jù)本地教學實際，開發(fā)更多針對性的PhET教學案例，如同為學生訂制一份營養(yǎng)豐富的“菜單”。這些案例應緊密結(jié)合教材內(nèi)容，貼合學生認知水平，讓PhET真正成為教學的“得力助手”。

三是開展混合式教學，融合虛實“優(yōu)勢”。虛擬實驗與真實實驗，恰似兩匹駿馬，各有千秋。我們應采用混合式教學模式，如同讓兩匹駿馬并駕齊驅(qū)，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢。在概念引人階段，利用PhET的直觀性，為學生搭建理解的橋梁；在技能訓練階段，開展真實實驗，培養(yǎng)學生的動手能力和團隊協(xié)作精神。這種混合式教學，如同為學生打造了一輛“雙引擎”戰(zhàn)車，讓他們在物理學習的道路上馳騁無阻。

參考文獻

[1]夏莉，錢長炎.初中物理電流概念教學模型比較分析及啟示[J].物理通報，2022（5）：49-51.

[2]李大為.PhET數(shù)字化科普資源案例研究[J].科技視界，2022（3）：30-32.

（作者系天津師范大學濱海附屬學校教師）

責任編輯：祝元志