育促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的高中物理仿真實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式研究

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

物理觀念的形成與發(fā)展離不開(kāi)概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)與應(yīng)用[1。幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從前概念到科學(xué)概念的有效轉(zhuǎn)變是物理教育的重要內(nèi)容與任務(wù)之一[2]。科學(xué)探究在促進(jìn)學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，而實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)探究過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)，不僅是驗(yàn)證和發(fā)展科學(xué)概念的重要手段，更是培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵途徑。然而，受制于物質(zhì)條件和教師水平等因素，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)仍面臨諸多挑戰(zhàn)：部分復(fù)雜實(shí)驗(yàn)難以有效開(kāi)展；可用于實(shí)驗(yàn)教與學(xué)環(huán)節(jié)的時(shí)間有限；傳統(tǒng)的“教師講解、學(xué)生模仿\"教學(xué)模式過(guò)于程式化，難以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性[3]。同時(shí)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生往往被動(dòng)地接受實(shí)驗(yàn)結(jié)論，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象主動(dòng)觀察與解釋的機(jī)會(huì)，也很少經(jīng)歷完整的探究過(guò)程，難以形成對(duì)科學(xué)概念的深層理解。由于缺少對(duì)前概念的喚醒、認(rèn)知沖突的激發(fā)與科學(xué)解釋的建構(gòu)支持，學(xué)生容易停留在表層模仿與機(jī)械記憶上，難以實(shí)現(xiàn)概念的真正轉(zhuǎn)變。因此，有必要探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以促進(jìn)學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的發(fā)展。

隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛滲透，將其文章編號(hào)：1003-6148（2025）6-0086-8有效整合進(jìn)物理教學(xué)，特別是實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，已成為教學(xué)創(chuàng)新的重要方向。仿真實(shí)驗(yàn)憑借其便捷性、廣泛性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和即時(shí)性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中的困難提供了創(chuàng)新性解決方案的可能。然而，現(xiàn)有研究多聚焦仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)功能介紹，仍缺少以仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)模式研究。因此，本文將探討如何基于仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的探究教學(xué)，并結(jié)合PhET以“波的傳播”為例闡述其具體應(yīng)用，旨在為仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用提供可行的實(shí)踐路徑。

1促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的仿真實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式構(gòu)建

Posner等人提出的經(jīng)典概念轉(zhuǎn)變模型指出，學(xué)生在經(jīng)歷“對(duì)舊概念產(chǎn)生不滿(mǎn)意一理解新概念一感知新概念的合理性與有效性”這一系列心理過(guò)程后，才能完成科學(xué)意義上的概念轉(zhuǎn)變[4]。可見(jiàn)，經(jīng)典的概念轉(zhuǎn)變模型強(qiáng)調(diào)認(rèn)知沖突的重要性，要求教學(xué)能夠促使學(xué)生意識(shí)到原有知識(shí)框架的局限性，同時(shí)提供明確、合理、可驗(yàn)證的新認(rèn)知結(jié)構(gòu)。因此，指向概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)需引發(fā)學(xué)生對(duì)前概念的反思與挑戰(zhàn)，并提供認(rèn)知腳手架以幫助其完成重構(gòu)與遷移。

讓學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過(guò)程（通常包含“問(wèn)題一證據(jù)—解釋—交流”四個(gè)要素1，能夠有效地幫助學(xué)生完成正確的概念轉(zhuǎn)變。仿真實(shí)驗(yàn)具備可視化、可交互、可重復(fù)等多種優(yōu)勢(shì)[3，因此在科學(xué)探究中融入虛擬仿真技術(shù)，可以有效地在問(wèn)題提出過(guò)程中激活認(rèn)知沖突；在證據(jù)收集和解釋建構(gòu)過(guò)程中，提供認(rèn)知腳手架，逐步重建科學(xué)理解和深化對(duì)微觀機(jī)制和動(dòng)態(tài)變化的理解；在交流評(píng)估中強(qiáng)化對(duì)新概念的理解和遷移[5]。可見(jiàn)，將仿真實(shí)驗(yàn)融合于科學(xué)探究教學(xué)，不僅能夠保留探究活動(dòng)中的主體性、問(wèn)題性和開(kāi)放性，還能夠借助技術(shù)手段優(yōu)化認(rèn)知過(guò)程，構(gòu)建“技術(shù)賦能概念轉(zhuǎn)變\"的教學(xué)新范式。

基于上述分析，結(jié)合已有研究關(guān)于交互仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略[6]，本研究構(gòu)建了促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的仿真實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式（圖1）。該模式以“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)一證據(jù)收集—解釋建構(gòu)—交流評(píng)估”四個(gè)探究環(huán)節(jié)為教學(xué)流程主線(xiàn)，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建支持學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)環(huán)境。

要素 仿真實(shí)驗(yàn)的支持 教師活動(dòng) 促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的功能·整合動(dòng)態(tài)圖像、聲音提示、數(shù)據(jù) 創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題 ·激活前概念

問(wèn)題驅(qū)動(dòng) 等多模態(tài)輸出提供情境沉浸感強(qiáng) 與生成預(yù)測(cè) ·引發(fā)對(duì)已有理解的懷疑的可視化模擬環(huán)境 ·建立認(rèn)知不協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)·支持變量設(shè)置與預(yù)測(cè)任務(wù)提供多樣化實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn) 指導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)操作仿真實(shí) ·動(dòng)搖前概念

證據(jù)收集 ·具備高度可控性與多次重復(fù)性 驗(yàn)，調(diào)整參數(shù)、記錄數(shù)據(jù)、對(duì) ·強(qiáng)化認(rèn)知沖突比預(yù)測(cè) ·促使學(xué)生意識(shí)到原有知識(shí)框架的局限·支持學(xué)生將感性觀察上升為·具備可調(diào)參性與交互式反饋功能 運(yùn)用模型推演、逐幀觀察、軌跡理性概念

解釋建構(gòu) ·輔助學(xué)生構(gòu)建抽象模型和因果 分析等仿真功能支持學(xué)生建構(gòu)·完成科學(xué)概念的初步建構(gòu)與關(guān)系 科學(xué)解釋合理化·支持實(shí)驗(yàn)過(guò)程截圖、回放與可 設(shè)計(jì)概念遷移任務(wù)，引導(dǎo)學(xué) ·推動(dòng)新概念的內(nèi)化與遷移應(yīng)

交流評(píng)估 視化成果展示 生展示成果，開(kāi)展互評(píng)反思 用·增強(qiáng)概念的穩(wěn)定性與適用性

1.1 問(wèn)題驅(qū)動(dòng)：激活前概念，喚醒認(rèn)知參與

在本環(huán)節(jié)中，教師可以借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的動(dòng)態(tài)圖像、聲音提示、參數(shù)設(shè)置及數(shù)值變化等功能，創(chuàng)設(shè)貼近真實(shí)生活的“多模態(tài)\"物理情境，以引導(dǎo)學(xué)生基于已有經(jīng)驗(yàn)對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而暴露其錯(cuò)誤的前概念[]。在該環(huán)節(jié)中，教師可借助仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理情境動(dòng)態(tài)描述、慢動(dòng)作播放及自變量自由改變等操作。而后教師再結(jié)合適當(dāng)?shù)脑?huà)語(yǔ)引導(dǎo)，使學(xué)生能夠更清晰地“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”提出問(wèn)題”，甚至是“預(yù)測(cè)現(xiàn)象”。經(jīng)歷問(wèn)題的提出和現(xiàn)象的預(yù)測(cè)等環(huán)節(jié)后，學(xué)生開(kāi)始反思自身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并在后續(xù)驗(yàn)證中迎來(lái)認(rèn)知沖突的觸發(fā)，為概念轉(zhuǎn)變路徑中的“認(rèn)知不協(xié)調(diào)\"環(huán)節(jié)創(chuàng)造條件。

1.2 證據(jù)收集：實(shí)驗(yàn)操作，驅(qū)動(dòng)認(rèn)知失調(diào)

本環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)教師要用好仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“活動(dòng)多樣”與“真實(shí)體驗(yàn)\"的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)操作仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)性觀察與證據(jù)收集。教師針對(duì)前一環(huán)節(jié)中學(xué)生所暴露的錯(cuò)誤前概念開(kāi)展教學(xué)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的交互界面，突出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象預(yù)測(cè)之間的認(rèn)知沖突部分，從而動(dòng)搖學(xué)生錯(cuò)誤前概念，驅(qū)動(dòng)其認(rèn)知失調(diào)。在本環(huán)節(jié)中，教師通過(guò)使用虛擬仿真平臺(tái)降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的門(mén)檻和認(rèn)知負(fù)荷[8]，使學(xué)生的認(rèn)知資源集中于現(xiàn)象理解和邏輯推理。

1.3 解釋建構(gòu)：多模態(tài)支撐，建構(gòu)科學(xué)概念

在解釋建構(gòu)階段，教師需通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)具備的“可調(diào)參性”與“交互式反饋\"功能，引導(dǎo)學(xué)生整合先前探究活動(dòng)中的觀察結(jié)果與科學(xué)原理，形成對(duì)核心概念的深層理解。使用“逐幀分析”“模型演繹”“軌跡追蹤”等功能，幫助學(xué)生細(xì)致觀察微觀交互過(guò)程，將原先模糊的經(jīng)驗(yàn)類(lèi)解釋轉(zhuǎn)換為符合邏輯的科學(xué)解釋?zhuān)醪綄?shí)現(xiàn)從前概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。因此，在本環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)使用仿真實(shí)驗(yàn)交互式反饋技術(shù)（如視覺(jué)動(dòng)態(tài)圖像、位移軌跡、幀間比較等）幫助學(xué)生將感性認(rèn)知整合為理性認(rèn)知，并結(jié)合教師的言語(yǔ)引導(dǎo)建構(gòu)科學(xué)解釋?zhuān)纬蓪儆趯W(xué)生自身的科學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)。

1.4 交流評(píng)估：遷移應(yīng)用，促進(jìn)概念鞏固

在本環(huán)節(jié)中，強(qiáng)調(diào)教師利用仿真平臺(tái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自評(píng)、互評(píng)和他評(píng)，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)新概念進(jìn)行遷移、反思與應(yīng)用。交流評(píng)估環(huán)節(jié)體現(xiàn)評(píng)價(jià)與課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生活動(dòng)的一致性[9]。具體而言，教師可利用仿真實(shí)驗(yàn)的記錄工具（如屏幕截圖、實(shí)驗(yàn)日志導(dǎo)出等）對(duì)學(xué)生探究過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和過(guò)程性診斷。同時(shí)，還可以指導(dǎo)學(xué)生借助線(xiàn)上平臺(tái)共享界面進(jìn)行同伴互評(píng)，討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與解釋路徑的差異，從而在認(rèn)知比較與矛盾碰撞中加深理解。此外，教師可結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)形成性評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生完成概念圖重建、問(wèn)題解決任務(wù)、模擬應(yīng)用等綜合性產(chǎn)出，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的掌握與遷移能力。通過(guò)這一環(huán)節(jié)的“反思一交流一重構(gòu)\"過(guò)程，學(xué)生完成了對(duì)新概念的內(nèi)化與應(yīng)用，鞏固了概念轉(zhuǎn)變的效果，最終達(dá)成知識(shí)建構(gòu)與能力發(fā)展的雙重目標(biāo)。

2仿真實(shí)驗(yàn)支持下“波的形成\"的探究教學(xué)案例

“波的形成”是高中物理選擇性必修一的內(nèi)容，涉及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、波的傳播等概念。在傳統(tǒng)教學(xué)中，借助繩和水波演示難以直觀呈現(xiàn)的波形成的微觀過(guò)程，利用橫波演示器則無(wú)法展示質(zhì)點(diǎn)間的相互作用關(guān)系。Flash動(dòng)畫(huà)雖具有一定的直觀性，但學(xué)生只能作為被動(dòng)觀察者，缺乏動(dòng)手操作與實(shí)施反饋的探究體驗(yàn)。相比之下，PhET仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供了一個(gè)交互性強(qiáng)、參數(shù)可調(diào)、可重復(fù)操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為“促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的仿真實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式\"提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。

本研究圍繞學(xué)生在該主題學(xué)習(xí)中常見(jiàn)的迷思概念—“波會(huì)推動(dòng)質(zhì)點(diǎn)向前運(yùn)動(dòng)\"開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合案例具體闡述“促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的仿真實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式”。在學(xué)習(xí)波的傳播機(jī)制時(shí)，學(xué)生常產(chǎn)生“波會(huì)推動(dòng)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)向前運(yùn)動(dòng)”“波形的上下對(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向\"的迷思概念[10]。這一類(lèi)比性錯(cuò)誤往往源于日常經(jīng)驗(yàn)（如“海浪推人\"“水波沖擊\"），學(xué)生將宏觀觀察直接類(lèi)化為微觀解釋?zhuān)y以區(qū)分“波的傳播”與“介質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)\"之間的本質(zhì)差異。因此，在教學(xué)中需通過(guò)激活前概念、制造認(rèn)知沖突，并引導(dǎo)學(xué)生借助真實(shí)證據(jù)逐步建立科學(xué)概念。

2.1 基于多模態(tài)仿真問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的前概念激活

本環(huán)節(jié)旨在通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)多模態(tài)學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)動(dòng)原有經(jīng)驗(yàn)主動(dòng)參與思考，在任務(wù)設(shè)問(wèn)中喚醒和表達(dá)出迷思概念，為后續(xù)認(rèn)知沖突的觸發(fā)創(chuàng)造條件。本環(huán)節(jié)依托PhET仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，共分為“情境導(dǎo)入一問(wèn)題引導(dǎo)一學(xué)生預(yù)測(cè)”三個(gè)部分。

【情境導(dǎo)入】教師借助PhET平臺(tái)中的繩波（wave-on-a-string）程序（圖2），動(dòng)態(tài)演示機(jī)械振動(dòng)如何在繩中傳播，引導(dǎo)學(xué)生聚焦“機(jī)械擾動(dòng)如何引起連續(xù)波形”的核心現(xiàn)象。學(xué)生可通過(guò)交互按鈕調(diào)節(jié)波源頻率、振幅與繩張力等變量，并使用尺子、計(jì)時(shí)器等工具進(jìn)行測(cè)量，真實(shí)體驗(yàn)波形變化與物理量之間的關(guān)系。同時(shí)，教師利用波動(dòng)入門(mén)（Waves_Intro）程序展示水波、聲波與光波等現(xiàn)象（圖3），營(yíng)造具備視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、操作感知的多模態(tài)學(xué)習(xí)環(huán)境，增強(qiáng)情境的沉浸感與物理真實(shí)感。

【問(wèn)題引導(dǎo)】在多模態(tài)情境的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察繩波的產(chǎn)生和傳播現(xiàn)象，并回答問(wèn)題：“在繩波傳播過(guò)程中，繩子上的各點(diǎn)究竟是如何運(yùn)動(dòng)的”。同時(shí)，教師在繩上設(shè)置 _A，B 兩個(gè)可視標(biāo)記點(diǎn)，如圖4（a）所示，要求學(xué)生作圖預(yù)測(cè) A 、B 兩點(diǎn)將要向什么方向振動(dòng)，“是會(huì)隨著波向繩的另一端移動(dòng)，還是留在原地上下振動(dòng)？它們下一刻將朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？\"教師鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)生成預(yù)測(cè)（如海浪、麥浪等）。此類(lèi)設(shè)問(wèn)意在激發(fā)學(xué)生調(diào)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，形成直覺(jué)判斷，并為后續(xù)認(rèn)知沖突埋下邏輯伏筆。

【學(xué)生預(yù)測(cè)】學(xué)生通過(guò)小組討論形成以下三類(lèi)主要預(yù)測(cè)：

預(yù)測(cè)a：標(biāo)記會(huì)像海浪推動(dòng)沖浪者一樣“隨波前行”，沿波的傳播方向運(yùn)動(dòng)，如圖4（b）所示。

預(yù)測(cè)b：A點(diǎn)在波形“下坡”位置，會(huì)向下運(yùn)動(dòng)； B 點(diǎn)在波形“上坡\"位置，會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，如圖4（c）所示。

預(yù)測(cè) c：A、B 點(diǎn)會(huì)被靠近波源的點(diǎn)帶動(dòng)著振動(dòng)，如果相鄰位置靠近波源的點(diǎn)在上方，那么后方的質(zhì)點(diǎn)會(huì)跟著向上運(yùn)動(dòng)，反之亦然，如圖4（d）所示。

本環(huán)節(jié)中，PhET仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所提供的多模態(tài)可視化支持與交互功能，使學(xué)生在沉浸式情境中形成“對(duì)問(wèn)題的真實(shí)感知”，有效激活學(xué)生已有的波動(dòng)經(jīng)驗(yàn)與認(rèn)知結(jié)構(gòu)。學(xué)生以小組為單位對(duì)問(wèn)題進(jìn)行假設(shè)性預(yù)測(cè)，不僅凸顯了學(xué)生在探究過(guò)程中的主體地位，也通過(guò)分歧觀點(diǎn)的形成為后續(xù)的認(rèn)知沖突與科學(xué)概念重構(gòu)搭建了認(rèn)知準(zhǔn)備。整體上，充分體現(xiàn)了“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)\"階段的目標(biāo)與路徑。

2.2 實(shí)驗(yàn)操作收集證據(jù)，驅(qū)動(dòng)認(rèn)知失調(diào)

本環(huán)節(jié)旨在通過(guò)組織學(xué)生開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)操作，觀察關(guān)鍵變量變化過(guò)程（如頻率、振幅等），獲取經(jīng)驗(yàn)一預(yù)測(cè)的偏差證據(jù)，從而引發(fā)認(rèn)知失調(diào)。為后續(xù)概念重構(gòu)打下基礎(chǔ)。具體活動(dòng)包含“實(shí)驗(yàn)操作一觀察記錄一對(duì)比判斷\"三個(gè)子流程。

【實(shí)驗(yàn)操作】教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入繩波仿真程序的“自動(dòng)模式”，要求學(xué)生觀察波動(dòng)的產(chǎn)生與傳播（圖5）。為便于觀察關(guān)鍵細(xì)節(jié)，建議學(xué)生開(kāi)啟“慢動(dòng)作\"功能逐幀觀察。在操作過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：盡管波形整體向右傳播，但已被設(shè)置綠色標(biāo)記的質(zhì)點(diǎn)始終圍繞其平衡位置上下振動(dòng)，未產(chǎn)生“隨波前行”的現(xiàn)象，這與部分學(xué)生先前的預(yù)測(cè)形成直接沖突（預(yù)測(cè)a、預(yù)測(cè)b）。

【觀察記錄】教師提供觀察任務(wù)表（表1），引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入繩波仿真程序的“自動(dòng)模式”，設(shè)置合適參數(shù)（如頻率 1.5Hz ，張力中等，阻尼最小），以小組為單位，借助軌跡截圖、標(biāo)尺測(cè)距、計(jì)時(shí)器分析等仿真平臺(tái)的工具，對(duì)關(guān)鍵質(zhì)點(diǎn) 在多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行記錄。學(xué)生以屏幕截圖、速寫(xiě)圖示、表格填寫(xiě)等多種形式完成信息整理，并在小組內(nèi)部就“是否存在前移”“是否與波形上下有關(guān)”等焦點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行初步對(duì)照討論。

【對(duì)比判斷】在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師組織學(xué)生對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與先前的三類(lèi)預(yù)測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比。引導(dǎo)學(xué)生聚焦以下核心問(wèn)題：

標(biāo)記質(zhì)點(diǎn)是否整體隨波前移？（否，證偽預(yù) 測(cè)a）

質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向是否與波形的“上/下\"有關(guān)？ （否，證偽預(yù)測(cè)b）

哪類(lèi)預(yù)測(cè)更能解釋所見(jiàn)現(xiàn)象？（預(yù)測(cè)c初 步合理）

在分析過(guò)程中，學(xué)生普遍意識(shí)到：質(zhì)點(diǎn)在波動(dòng)中并不隨波傳播，而是原地振動(dòng)，由相鄰質(zhì)點(diǎn)的相互作用“帶動(dòng)”產(chǎn)生了波形，將振動(dòng)延續(xù)下去。這一觀察結(jié)果直接動(dòng)搖了先前基于日常生活經(jīng)驗(yàn)形成的前概念，觸發(fā)強(qiáng)烈的認(rèn)知不協(xié)調(diào)體驗(yàn)。

“證據(jù)收集”階段教師通過(guò)組織學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)操作，挑戰(zhàn)其持有的“質(zhì)點(diǎn)隨波前移\"等迷思概念；同時(shí)，借助多種交互工具支持多角度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，廣泛收集證據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的對(duì)比，學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷原有經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知圖式破裂、啟動(dòng)新認(rèn)知結(jié)構(gòu)建立的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，標(biāo)志著第一輪深層次的認(rèn)知失調(diào)已經(jīng)形成，為后續(xù)建構(gòu)科學(xué)概念打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3 模型觀察與科學(xué)解釋建構(gòu)

本環(huán)節(jié)旨在引導(dǎo)學(xué)生基于認(rèn)知沖突基礎(chǔ)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，借助仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的交互式反饋支持，對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行因果機(jī)制推理，并完成從感性認(rèn)知到理性概念的過(guò)渡與建構(gòu)。通過(guò)“建構(gòu)模型一深度觀察一完善解釋\"三個(gè)子活動(dòng)，進(jìn)一步落實(shí)概念轉(zhuǎn)變過(guò)程中的新概念的三個(gè)核心生態(tài)指標(biāo)一可理解性、合理性、有效性。

【建構(gòu)模型】教師首先引導(dǎo)學(xué)生圍繞關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)思考：“既然質(zhì)點(diǎn)不隨波遷移，為何振動(dòng)仍能前向傳播”，借助PhET繩波仿真程序，教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)定理想實(shí)驗(yàn)參數(shù)（如開(kāi)啟“無(wú)邊界”，設(shè)置阻尼為“無(wú)”，開(kāi)啟“慢速度”并點(diǎn)擊“逐幀前進(jìn)”），構(gòu)建一個(gè)高度可控的理想化的波的形成與傳播的情境。該情境將為學(xué)生提供清晰的波形動(dòng)態(tài)圖像和相鄰質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征，為新概念的建構(gòu)形成必需的感知支架。

【深度觀察】學(xué)生在逐幀操作中重點(diǎn)追蹤P₀，P₁，P₂ …等質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖6）。如在 時(shí)刻， P₀ 到達(dá)最高點(diǎn)后開(kāi)始下落時(shí)， P₁ 開(kāi)始向上振動(dòng)； 時(shí)， P₀ 回到平衡位置時(shí)， P₁ 到達(dá)最高點(diǎn)，同時(shí) P₂ 開(kāi)始振動(dòng)…學(xué)生逐步發(fā)現(xiàn)：每個(gè)質(zhì)點(diǎn)并未隨波整體移動(dòng)，而是“模仿” P₀ （波源）的運(yùn)動(dòng)，即各質(zhì)點(diǎn)的起振方向、周期和振幅與波源一致。

【完善解釋】在觀察的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧力學(xué)知識(shí)，結(jié)合觀察結(jié)果歸納出波動(dòng)傳播的科學(xué)解釋?zhuān)骸案髻|(zhì)點(diǎn)間存在相互作用，后方質(zhì)點(diǎn)被前方（靠近波源的）相鄰質(zhì)點(diǎn)依次帶動(dòng)振動(dòng)，時(shí)間上由近及遠(yuǎn)相應(yīng)滯后，從而將波源的振動(dòng)形式在介質(zhì)中傳播出去，同時(shí)也將波源的能量傳遞出去。”此時(shí)，學(xué)生已能用“相互作用一振動(dòng)依次延遲一振動(dòng)向前傳播”的因果機(jī)制推理解釋波的形成。

隨后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用該邏輯于“質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向的判斷”。以先前情境中的 A∨B 質(zhì)點(diǎn)為例：若波向右傳播，則 _A，B 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向應(yīng)由其左側(cè)相鄰質(zhì)點(diǎn)決定一即“帶動(dòng)法”。此外，教師還可以補(bǔ)充介紹“微平移法\"（圖7）作為另一種判斷策略，用截圖工具“定格”某一時(shí)刻的波形，數(shù)秒后再次定格，比較 _A，B 兩點(diǎn)的垂直位移趨勢(shì)，即可判斷其振動(dòng)方向。兩種方法均從“振動(dòng)延遲傳播”機(jī)制出發(fā)，突破了傳統(tǒng)“上下坡法”“同側(cè)法\"類(lèi)口訣式教學(xué)的局限，幫助學(xué)生基于理解而非記憶作出判斷[10]。

本環(huán)節(jié)借助仿真實(shí)驗(yàn)的交互式反饋（視覺(jué)動(dòng)態(tài)圖像、位移軌跡、幀間比較等），幫助學(xué)生將感性認(rèn)知整合為理性認(rèn)知。學(xué)生的解釋建構(gòu)水平由原先的“是什么\"發(fā)展至如今的“為什么”，在此過(guò)程中完成從“現(xiàn)象感知\"向“機(jī)制建構(gòu)”的科學(xué)概念轉(zhuǎn)變。該過(guò)程凸顯了仿真實(shí)驗(yàn)在支撐科學(xué)概念“可理解性、合理性、有效性\"方面的價(jià)值。

2.4 交流評(píng)估促進(jìn)遷移應(yīng)用和概念鞏固

本環(huán)節(jié)進(jìn)一步聚焦新概念的“合理化一內(nèi)化一遷移”，旨在通過(guò)多元化的評(píng)價(jià)機(jī)制和情境遷移任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生鞏固新建構(gòu)的科學(xué)概念。教學(xué)設(shè)計(jì)遵循“過(guò)程回顧一同伴互評(píng)一遷移應(yīng)用”三步邏輯，借助仿真實(shí)驗(yàn)的記錄功能，實(shí)現(xiàn)形成性、個(gè)性化、可視化的全流程評(píng)價(jià)支持。

【過(guò)程回顧】教師引導(dǎo)學(xué)生借助屏幕錄制，屏幕共享回顧實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，聚焦于“預(yù)測(cè)一驗(yàn)證一解釋\"之間的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。以代表性小組為例，教師組織全班共同觀看他們的實(shí)驗(yàn)記錄，圍繞“預(yù)測(cè)與證據(jù)的差異”“概念轉(zhuǎn)變的路徑”等展開(kāi)評(píng)議。此過(guò)程不僅幫助學(xué)生覺(jué)察概念轉(zhuǎn)變的路徑，也為仍持前概念的學(xué)生提供參照。

【同伴互評(píng)】借助仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的截圖功能，學(xué)生以小組為單位在釘釘、Canvas等在線(xiàn)學(xué)習(xí)管理平臺(tái)展示實(shí)驗(yàn)成果和解釋路徑，開(kāi)展同伴互評(píng)。用問(wèn)題清單（如“振動(dòng)方向是否判斷正確”“解釋是否基于因果邏輯”“是否體現(xiàn)對(duì)波動(dòng)機(jī)制的理解”）引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交流。通過(guò)多角度思辨與語(yǔ)言表達(dá)，學(xué)生不僅深化了自身理解，也在集體討論中不斷修正并強(qiáng)化科學(xué)概念的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

【遷移應(yīng)用】為了檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解深度與應(yīng)用廣度，教師引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展基于概念遷移的仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)。例如，讓學(xué)生觀察波源在一個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)圖像（圖8），預(yù)測(cè)該振動(dòng)將如何在繩上“制造\"出波形；隨后，在“手動(dòng)模式”下，依照該振動(dòng)圖像操作扳手，創(chuàng)造一段完整波形（圖9）。在實(shí)操體驗(yàn)中，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了科學(xué)概念向新情境的遷移應(yīng)用。

本階段是新的科學(xué)概念由“合理化”向“內(nèi)化\"和“遷移\"轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵通道。借助仿真實(shí)驗(yàn)工具的實(shí)操反饋與截圖記錄功能，教師可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生認(rèn)知變化的過(guò)程性追蹤。通過(guò)多層次的交流、互評(píng)與應(yīng)用任務(wù)，學(xué)生能夠檢驗(yàn)并拓展對(duì)科學(xué)概念的掌握。

3結(jié)語(yǔ)

本文以科學(xué)探究為主線(xiàn)，結(jié)合概念轉(zhuǎn)變模型、交互仿真教學(xué)策略以及仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了“促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的仿真實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式”。該模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體性的激活、認(rèn)知沖突的制造與科學(xué)概念的逐步建構(gòu)，并通過(guò)四個(gè)探究環(huán)節(jié)（問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、證據(jù)收集、解釋建構(gòu)與交流評(píng)估）構(gòu)建概念轉(zhuǎn)變的支持路徑。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入教學(xué)，為科學(xué)探究提供了更高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)支架，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中因資源、時(shí)間和技能限制所帶來(lái)的教學(xué)困境，為學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變發(fā)展提供了支撐。

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（欄目編輯 李富強(qiáng)）