利用PhET仿真實驗軟件展開物理教學

陸楚雅

摘要：理科教學離不開實驗。傳統的實驗因為條件的限制抑制了實驗的作用。為此，結合物理課堂教學實例，著重闡述了PhET這種仿真實驗軟件在課堂上輔助真實實驗應用的優勢，以及研究PhET在物理教學中應用的意義。

關鍵詞：PhET軟件;仿真物理實驗;物理教學

一、仿真物理實驗軟件的價值

PhET具有生動形象、便于交互的特點，利用PhET仿真實驗軟件輔助物理學習，自然能夠引起學生的注意，能夠更好地幫助學生進行演示實驗的學習。一般來說，科學探究分為幾個步驟：提出問題、猜想假設、規劃方案、設計實驗、執行實驗并收集數據、整理數據、得出結論。對于學生實驗而言，可以從設計實驗和得出結論兩個方面入手進行教學。而對于演示實驗而言，則偏重于得出結論環節。筆者在應用PHET物理實驗軟件開展物理教學時做了初淺的嘗試。

二、仿真物理實驗教學的策略

（一）通過互聯網取得多種實驗資源

PhET由2001年的諾貝爾物理學獎獲得者卡爾·威曼于2002年創立。他創立該網站的初衷是改變以知識講授為主的傳統課堂。他的很多研究生讀了17年書卻不知道怎么做研究，對待物理實驗無從下手。因此，他下定決心創辦了 PhET 這個以互動和探索為導向的新型在線課堂。該網站鼓勵孩子從探索中學習，激勵學生在直觀的、游戲化的環境中進行探索和發現。它上面的所有實驗全部免費。2014年，美國有1233個高中和276個高等學府使用PhET作為教學手段。值得一提的是，PhET所有的程序全都免費和開源，因此有很多的軟件由全世界各地的程序員與教師共同創作，這也大大增加了資源的易得性與便利性。

（二）下載編碼輔助仿真物理實驗

筆者針對仿真實驗是否有效制定了一個標準：是否能夠順利地讓學生進行信息編碼。在這個基礎上，筆者隨機選取了五個案例，其中兩個是在我自己的教學中選取的，另外三個則是根據PhET開展教學的案例改編，并讓其他老師根據標準判斷利用PhET仿真物理實驗軟件開展實驗的教學是否有效。由于這些實驗符合信息加工的邏輯，符合能夠讓學生順利編碼的標準，即能夠突出教學的重點，能夠讓學生形成正確的圖示，因此這些案例是有效的。

例如，在《聲音的產生與傳播》一節，通過PhET的“聲音”這個實驗程序讓學生感知聲音的本質及它的傳播特點。值得一提的是，由于這個程序的編碼是JAVA，所以筆者特地在班級電腦上下載了JAVA的程序。除此之外，為了向學生解釋清楚為什么聲音的傳播一定需要介質，筆者給學生們播放了繩波的實驗。學生們通過對比兩個實驗，發現聲音的傳播特點和繩子震蕩時的晃動是一樣的。因為繩波在傳播時必須要繩子，同理可得聲音的傳播也需要介質。

在這堂課的教學中，演示實驗的教學重點是聲音的圖式。這個圖式包括聲音是什么、它有哪些特點、它是怎樣傳播的。傳統的教學很難幫助學生建立聲音是什么的概念，而PhET仿真物理實驗則能夠很好地突出這些重點，幫助學生進行聲音的信息編碼。

（三）用對比實驗體現仿真物理實驗優勢

要確定PhET這個仿真實驗軟件對于學生的演示實驗學習大有益處，這就需要我們在課堂中進行一組對比實驗。筆者在自己教學的班級中選取了學情差不多的兩個班展開了教學實驗，其中一個班級單純地進行了演示實驗，而另外一個班級則在演示實驗之后開展了一組仿真實驗，讓3～5個學生代表用電腦進行實驗操作，并讓全班同學預測交互后的情況。最后，兩個班的同學都進行了一組關于演示實驗內容的習題測試。結果表明，加入PhET仿真實驗教學的班級習題測試的正確率更高。

有了這樣一個結論之后，筆者又進行了一組針對教師的問卷調查。調查是針對仿真實驗本身而言，調查教師對PhET這種仿真實驗的了解情況以及對利用仿真物理實驗展開教學的看法。問卷結果表明，大多數教師對仿真物理實驗是否能夠有效地進行物理教學抱有一定的懷疑心理，這源于之前教育領域的一些仿真物理實驗的應用并沒有體系化，有些時候也本末倒置，進行了仿真物理實驗卻忽視了真實的演示實驗。為此，筆者選擇在信息加工的理論上進行仿真物理實驗。

例如在講解物質的三態時，筆者引入了物質狀態這個仿真實驗。這個仿真實驗能夠讓學生自己通過調節火或冰的按鈕調節溫度，溫度的示數通過杯子里溫度計的示數讀出，同時，學生能觀看到杯子里的物質分子的變化情況。這個仿真實驗極大地激發了學生的興趣，因為真實的實驗是無法觀察到物質的微觀變化的。學生并不理解為什么物質會有三種狀態，以及其區別的原因在何處。當學生看到這些微觀粒子的各種運動及聚合的宏觀特點時，這個難點就迎刃而解了。

同樣，這節課的重點是物質狀態的圖式，而傳統教學中的圖式是有一定缺陷的，通過PhET仿真實驗軟件能夠讓學生體驗到物質狀態的抽象特征和知覺特征，突出重點的同時更好地建立概念。

三、總結與反思

目前為止，筆者所在學校主要在初二年級開展了PhET輔助教學，初三年級暫未涉及。在講解光的三原色時，筆者也應用了光的混合實驗，但是這個實驗的反響并沒有前兩個好。課后筆者反思了一下，其實仿真實驗軟件最重要的特點就是能夠把課堂上老師無法做出的實驗現象通過模擬呈現給學生，并能夠將這些現象的本質也通過交互性的實驗動畫呈現出來。學生無法親眼看到聲波在介質中的傳播原理，這是任何一個演示實驗都無法解決的問題。而仿真物理實驗可以解決這一難點，讓學生了解這一原理的同時了解演示實驗的實驗現象，增強了概念的直觀性。原理不再是由教師干巴巴地講出，而是由學生自己動手操作并獲得。同樣，物質的微觀粒子在做物態變化實驗時是看不到的，但是仿真物理實驗軟件將宏觀的物質變成微觀粒子，其他同真實實驗一樣，學生通過操作明白物質三種狀態的本質。而光的混合演示實驗能夠將原理講得很清楚。仿真實驗相比演示實驗而言缺少了真實性，效果自然大打折扣。這也證明了仿真物理實驗是輔助進行實驗教學必不可少的利器，但切勿替代傳統的實驗教學。筆者將繼續在課堂上應用PhET仿真實驗軟件展開教學，并總結其使用要點。

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（責任編輯：韓曉潔）