互動式教學主體的PhET計劃在物理教學中的應用

夏 敏

(南京市天印高級中學 江蘇 南京 211100)

隨著新課改的深入，教育從過去注重知識技能的傳授轉變為達到知識與技能、過程與方法以及情感態度與價值觀的三維目標.物理課程學習的總目標是全面提高學生的科學素養，這就要求學生不僅僅掌握科學知識，還要掌握科學思想和方法[1～3].而這些教學目標的實現需要自主、探究、合作式的課堂.《物理課程標準》的最新版本包含了課程資源開發與利用建議，其中就提出了發揮多媒體教學資源的優勢，并且強調了多媒體軟件的開發與應用.本文以PhET網站所提供的模擬程序為例，討論了該網站的虛擬實驗軟件應用于物理課堂教學的優勢.

1 PhET簡介

這里介紹的PhET一詞是Physics Education Technology project的縮寫，是美國科羅拉多大學(Colorado University)物理系所發展的互動式教學主體的PhET計劃，即物理教育科技計劃的簡稱.這一互動仿真實驗程序主要基于Java語言和Flash軟件開發，涉及物理、化學、生物、地理以及數學等科目.PhET提供了免費有趣的、互動的、研究型物理現象的仿真程序.這樣的研究型方法能夠讓學生在真實生活現象與潛在的科學之間建立聯系，并可以加深他們對真實世界的理解和欣賞.模擬實驗軟件則運行也非常順暢.所有程序經嚴格測試和評估后發布在其官方網站(http://PhET.colorado.edu/)上.所提供的程序屬于公共授權，使用者無須付費或特別取得授權，即可連網直接點選使用或是下載儲存到硬盤上，同時也讓用戶可以下載程序原始碼進行研究或改良.PhET在全球范圍展開應用推廣和教學效果研究，已有50余個國家和地區參與其中并進行軟件的本地語言化.PhET網站現階段已經有中文版，是模擬實驗軟件共享的一個免費網站，具有自身的團隊，每一項軟件的質量和運行都有保障，和國內的教學聯系緊密.

2 PhET的特點

2.1 仿真實驗資源豐富

互動仿真實驗程序，基本包括了高中階段的主要知識，能系統地服務于物理教學.PhET程序和使用者產生互動，并充分利用多媒體影音的特性，將仿真程序運用于課程教學上，特別適用在下列情況：抽象概念的詮釋上(如場、力、能量等概念)；要觀察的對象可能很微小(微小形變)或很巨觀(如行星運動)；反應速度太快(如核反應)或太慢(如冰河)的實驗對象；實驗器材可能很昂貴(如MRI磁共振造影)或難以取得(如放射物質)；具有生命財產危險性的實驗(如觸電、易燃性、放射性等危險)；實驗器材準備很麻煩(如設備耗損、維護等問題)；受時間與經費的限制，難以重復進行不同參數條件的測試.

2.2 與游戲融合 情境有利于提高學生的興趣

中學階段物理難學難教是普遍問題.新時代的物理教學不僅是教育學生掌握知識、規律，更重要的是激發學生對物理學科本身的興趣，提高學生科學素養，樹立終身學習的理念.著名的未來教育學家、教育哲學家、教育技術博士生導師桑新民教授說過,“游戲天地可能是孩子們生長的最好環境.游戲里面有很多很多這種東西.所以我們要是能把這種東西拿來，放到我們教育里面，學習的動力、學習的協作、學習的規范、學習的能力都可能自然的培養起來.”PhET以具有趣味性、娛樂性的互動游戲為知識載體，以體驗式學習為主要方式，幫助學生構建知識、訓練思維、掌握思想方法.這樣學生在此過程中找到學習的樂趣、體驗到成就感，有利于科學素養的提高和學科學習的良性循環.

2.3 互動性強 可選擇變量開展自主探究活動

一般的教學探究都有大量的學生活動，如進行實驗、收集證據、分析與論證、評估、交流與合作.而PhET互動仿真實驗程序在信息技術與物理課程整合中一直遵循了以教學內容為中心的原則，只有幾個簡單的按鈕，學生改變變量，程序就會顯示效果，這樣就更加方便學生進行自主探究，幫助學生搭建知識理解形成的模型.課堂上學生通過PhET探究實驗，想要盡快地重現課本上已有的結論，而不是像科學家對待自己的研究性實驗一樣，將其當做是尋找基本科學知識的享受經歷，或者是改變、糾正以及增加自己對世界是如何運轉的理解.PhET讓學生不需要擔心實驗儀器的復雜性，而更多地關注基本科學概念，更好地進行自主探究.

2.4 操作簡易 為學生拓展探究學習提供可能

學生對于自己感興趣要探究的內容，可以通過設置條件、改變變量、觀察現象，總結出規律,還可以結合閱讀文獻，加深理解.PhET為學生拓展學習提供了有利的環境，提高了學生自主學習能力.

3 基于PhET的“探究平拋運動規律”教學設計

3.1 學情分析

本節內容選自人教版高中《物理·必修2》第六章“曲線運動”中的第三節“探究平拋運動的規律”. 高一的學生已經具備一定的抽象和邏輯思維，分析、綜合、概括、抽象能力都發展到一定高度，能夠分析較為復雜的物理情境下的問題.在學習本節課之前已經學習了運動的合成與分解、自由落體運動、勻速直線運動，知道對于復雜的運動應該進行分解.理解平拋運動的過程對于學生的空間想象能力是有一定要求的，因為平拋運動的過程是瞬間的，利用技術使得過程再現，便于培養學生的空間想象能力.

3.2 教學目標

3.2.1 知識與技能

(1) 知道什么是拋體運動,什么是平拋運動，能夠想象出平拋運動的運動軌跡.

(2) 理解平拋運動在水平方向與豎直方向的運動規律.

(3) 掌握顯示并描繪出平拋運動軌跡的實驗方法.

3.2.2 過程與方法

(1) 通過演示實驗的觀察, 概括出平拋運動的特點,培養學生觀察、 分析能力.

(2) 初步學會用運動的合成與分解的思想研究曲線運動的思維方法.

(3) 通過對平拋運動的研究, 領略提問、 猜想、 計劃、 驗證、 論證等物理研究方法.

3.2.3 情感態度與價值觀

(1) 體驗探究自然規律的艱辛與喜悅.

(2)培養學生仔細觀察、 善于思考、 勤于探索、 勇于創新的科學素質.

3.3 教學環節

3.3.1 引入新課

(1)設計理念.激發學生的興趣，結合所學的知識去思考問題，培養學生的觀察和思維能力.

(2)教師活動.多媒體演示游戲“命中得分”,如圖1所示.通過調整炮彈水平方向上的初速度，成功地使炮彈落在了靶上，通過觀察這樣的物理情境，引導學生描述所看到的現象，并思考由這個現象聯想到了哪些物理知識，以及存在著哪些疑惑.

圖1 “命中得分”游戲

(3)學生活動.觀察物理現象，描述所觀察到的現象，并且發現現象中的問題.

3.3.2 形成概念

(1)設計理念

幫助學生復習已構建的物理模型，運用所學的知識分析物理現象；培養學生的觀察能力，引導學生思考并發掘現象中需要探究的物理問題；利用軟件將瞬間現象記錄，便于學生觀察，引導學生歸納、總結物理概念.

(2) 教師活動

1)提問：將一個小球豎直向上拋起之后，小球做什么運動？你分析小球的運動狀態時考慮了哪些因素呢？學生可能回答：小球做的是勻減速直線運動，分析時考慮了物體的初速度和受力情況.

2)演示實驗：將放在講臺上的金屬小球迅速用木棍水平打出，金屬球以一定的初速度落地.讓學生觀察物理現象，并且向學生提問：你們剛才觀察到什么現象了，小球在下落過程中做了什么運動？

3)什么是平拋運動？那么我們現在將剛才的現象用軟件展示出來，定義平拋運動概念.

(3)學生活動

1)學生根據已有的物理現象，利用舊知分析物理問題.

2)觀察并且描述物理現象，思考并且聯系之前所學知識，分析小球運動狀況.

3)學生思考、記錄平拋運動概念.

3.3.3 理論分析平拋運動規律

(1)設計理念

引導學生學習分析和解決物理問題的思路和方法；利用可視化的物理現象，引導學生學會觀察物理現象的異同；學習等效代替法解決復雜的物理問題.

(2)教師活動

1)對金屬球的運動特點進行分析，一是分析它的受力情況，二是分析初速度情況，三是分析它的運動軌跡.如果改變金屬球的初速度，運動軌跡會發生什么變化呢？

2)利用軟件展示不同初速度情況下金屬球的運動軌跡，如圖2所示.比較運動軌跡之間的差異和相同點，進而分析出應該將運動分解成水平和豎直方向.并且通過對這兩個方向進行受力分析，從而得出兩個方向的運動情況.

圖2 不同初速度時的運動軌跡

(3)學生活動

1)學生思考，利用所學知識對物理現象進行猜想.

2)驗證自己的猜想，觀察可視化后的物理現象，根據現象總結、分析出將運動軌跡分解成豎直方向和水平方向.

3.3.4 實驗驗證平拋運動規律

(1)設計理念.引導學生學會比較實驗現象，學會分析物理問題.

(2)教師活動.教師向學生展示如圖3所示的平拋物體綜合演示儀.

圖3 平拋物體綜合演示儀

演示1：在儀器最高點將小球 A，B 同時釋放，則由現象可知， B球做近似勻速直線運動.

演示2：在儀器的最高點將A球釋放，在A金屬球即將到達斜槽時，釋放C金屬球，在這個過程中，A金屬球的運動形式是平拋運動，C金屬球的運動形式是自由落體運動.通過綜合演示儀的對比演示，可以總結出，平拋運動的小球在豎直方向做的是自由落體運動，水平方向上做的是勻速直線運動.

(3)學生活動.學生觀察演示實驗，分別分析兩組實驗現象產生的原因，并將實驗的結果和理論分析進行對比，從而驗證自己的猜想.

3.3．5 歸納總結

(1)設計理念.通過新舊知識之間的聯系，讓學生自主地建構知識體系.

(2)教師活動.引導學生分析平拋運動的實質就是勻變速曲線運動,并給出如圖4所示的運動規律示意圖.

圖4 運動規律示意圖

(3)學生活動.全班交流、討論并總結平拋運動和已學知識之間的聯系.

3.3.6新課小結

(1)設計理念.引導學生自己理順知識點，自主建構知識體系.

(2)教師活動.讓學生總結通過今天的學習，學會了哪些內容.介紹課堂的仿真模擬實驗軟件，讓學生回去總結“命中得分”游戲技巧.

(3)學生活動.學生回憶，其余學生補充，教師強調重點、難點.

4 結束語

PhET中豐富優秀的教學資源為教學實踐的更好開展提供了服務，但是我們也應當注意，如何更好地在教學中合理整合這些教學資源呢？這就要求教師費心去設計教學活動，以引導學生進行觀察、測試、發現，并統整所學進行知識的建構.在課程開始之前，教師要先擬定教學目標，并根據此目標尋找適用的仿真程序，并推演教學活動如何進行才順暢，進而提出相關的教學計劃，必要時更可請求學校行政體系的支持，提供上機教學時所需要的支持.在課程進行時，為了避免學生不知如何使用PhET來學習，依課程需要可分別提供學生實驗手冊、學習單、實驗報告及課后作業等數據，讓學習行為的進行有所依循.在完成課程單元之后，更可以進行學生訪談及利用PhET進行操作性評量，以了解學生學習的進展或是針對觀念上的盲點進行指導.

當然，需要注意的是PhET絕不可能替代動手操作的實驗，只能作為補充，用于動手實驗前幫助預習，或實驗后加深對實驗的理解.而且PhET互動仿真實驗程序不同于一般的視頻動畫，它的過程只有短短的2～3 s，而是通過標記將運動的過程記錄下來，能夠更好地讓學生思考以及構建模型，回家之后也可以在網站上進行相應的復習.這也就是說PhET能夠有效地和講座、實驗、家庭作業以及其他的非正式資源進行整合教學.

參考文獻

1 閆紅敏，范蔚. 芻議課程資源及其有效開發.教育理論與實踐，2006(6)：38～40

2 段兆兵.課程資源的內涵與有效開發.課程·教材·教法，2003(3)：26～30

3 范兆雄.課程資源系統分析.西北師大學報(社會科學版)，2002(3)：101～105