PhET 平臺在《大學物理》課程教學中的應用研究

曾紅麗，郭艷東，楊志紅

（1.南京郵電大學 理學院，江蘇 南京；2.南京郵電大學 電子與光學工程學院，江蘇 南京）

一 引言

學習，本質上是教師有意識地引導學生與其他學習資源進行互動，以實現預期學習目標。而教育過程，尤其是物理教學，必須具有互動性、啟發性、趣味性、挑戰性及綜合性，才能夠激發學生積極參與，為學生創造力的發展提供充足空間。而在當前大部分教學模式中，學生只是通過教師口頭傳輸知識，在沒有親身體驗的情況下，被動接收抽象知識。基于此，本文主要著眼于如何利用“技術教學”，增加授課的趣味性和互動性，探討大型線上互動仿真教學平臺PhET（物理教育技術）在《大學物理》課程授課中能夠產生的作用和影響，同時討論在課堂教學中采用該平臺應注意的事項。

二 PhET 簡介

PhET 平臺源于2002 年諾貝爾獎得主、美國克羅拉多州立大學的Carl Wieman 教授所發起的“Physical Education Technology（PhET）”互動式主體教學項目，在此基礎上逐漸開發出PhET 互動式仿真平臺[1]（http://phet.colorado.edu），是一款精心制作和經過反復測試的免費仿真平臺。隨著時間推移，PhET 平臺不僅包含對物理現象的模擬，還涉及對化學、生物、地理以及數學等眾多科目中不同知識點的展示。就物理教育而言，PhET 平臺提供了很多生動有趣、互動的、研究型的物理現象的模擬程序，并根據科學規律制定并不斷調整。能夠讓學生在現象（源于真實生活）和本質（潛在的科學）之間建立聯系，促進學生進行虛擬在線學習，加深學生對事物本質的理解和欣賞。目前，PhET 互動式仿真平臺上已有數百個相關物理知識點的仿真，根據教學階段的不同，平臺可以同時適用于小學至大學階段的教學。

已有研究表明，PhET 平臺能夠顯著提高學生的學習成績。Chotimah 等人在[2]中，以期刊正式發表的10 篇文章作為樣本，利用元分析法計算了統計效應量值，并給出定量研究結果，指出PhET 交互式仿真平臺可以將學生的學習成績提高32.73%。元分析是一種用于總結多項研究結果的技術方法，目的是結合、回顧和總結先前的研究。Rustana 等人[3]發現，在氣體動力學理論的學習中，使用實驗室套裝的實驗課與使用PhET 交互式仿真平臺的學生，其學習成績存在差異。使用PhET 的測試成績高于使用實驗室套裝的測試成績。同時，PhET 可以提高學生的學習動力，方便學生很好地收集實驗數據。而線下實驗課中，部分學生在實驗數據收集過程中存在問題。實驗過程中的不準確導致數據收集失敗，使學生無法對實驗結果做出正確的結論，從而對動能氣體理論的概念產生誤解。

基于PhET 平臺的教學研究引起了教學工作者的廣泛關注[4-7]。而PhET 平臺的優勢在于，不同的學習受眾均能根據自己的理解能力選擇合適的操作界面，可以說“有求必應，各取所需”。在[4]中，作者探究了該平臺在中小學科學課中的應用。作者認為對于中小學生而言，科學課是一門“以探究為核心”的科學啟蒙課程，倡導學生通過動手操作來認知世界，但由于條件限制，很多動手實驗難以完成或者根本無法進行。而PhET 平臺卻能既生動又形象地對許多實驗進行仿真，方便學生理解。而在文獻[5]中，作者以高中物理教學中的“拋體運動”為例，詳細介紹了基于PhET 平臺的教學設計。平臺提供的游戲情境是“從大炮里爆出別克！”有趣的游戲設置有利于激發學生的探究熱情。平臺界面簡潔生動：可調節的大炮、不同的發射體、發射及停止按鈕、用來測量長度的尺子、用來記錄拋物線主要性質（如拋體運動時間、距離）的工具等，學生通過自己動手操作玩游戲，能夠更好地理解物理概念及物理規律。而孫歡等人在文獻[7]中，詳細列舉了作為PhET 平臺主要部分的物理學所包含的主要物理實驗知識點，主要對應有中文對應版的PhET 平臺。但對于《大學物理》課程教學而言，英語不再是學生學習的障礙，反而能更加促進學生專業詞匯量的增加，可謂是“一舉兩得”。

2019 年底，突如其來的新冠肺炎疫情打破了傳統的課堂教學，根據教育部“停課不停學”的要求。眾多課程教學均轉變為“在線教學”。線上授課模式固然是解決了“停課”的燃眉之急，但學習效果卻遠不及師生面對面的線下教學。其中，學生聽課過程中的積極性和參與度與線下教學模式相比大打折扣。而PhET 平臺無論是在線上還是線下教學模式中均能夠吸引學生注意力，積極主動參與到知識學習過程中來，自主構建知識框架，從而更深度地掌握基本物理知識，為理論知識創新提供一份源動力。

由此可見，PhET 平臺在不同階段的課堂教學，尤其是新冠疫情期間興起的線上授課模式中確實存在著用武之地。本文將以《大學物理》課程中“波的疊加”一節為例，詳細闡述基于PheT 平臺的課堂教學設計。

三 PhET 在課堂教學中的應用——以“波的疊加”為例

當你在公園湖邊游玩，一時興起，撿起草地上一塊扁平的小石塊，瀟灑地在水面上打一連串的水漂。這時，你會發現水面上產生了一圈圈的水波，不斷往遠處傳播，同時，遇到后面水漂產生的水波時，還會產生更加復雜的波紋。如何定量描述和刻畫這些波紋，這就涉及到“波的疊加”的相關知識，利用PhET 平臺上對波的疊加的模擬，能夠讓學生自主探究，并總結出各類不同波（水波，聲波以及光波）的疊加規律。為了對PhET平臺有一個更深入的了解，接下來本文就以“波的疊加”為例進行詳細的介紹：

（一） 熟悉界面功能，將PhET 相關內容巧妙融合到“波的疊加”的教學設計中

針對“波的疊加”這一知識點，學生可以利用PhET 平臺中，直觀感受到來源于水龍頭、揚聲器或激光器所產生的水波、聲波及光波。調整波源的頻率和振幅，學生可以自行觀察到相應的波的變化。除了圖1 所示的俯視效果，對于水波，學生還可以選擇側視，這些都可以由學生自己動手完成。右側面板最上方還提供了對水波的傳播路程及時間的測量，由此，學生可自行估算水波的傳播速率。

圖 1 對波的初步認識，由滴水的水龍頭產生的水波

圖1 所示為對波的初步認識，由滴水的水龍頭產生的水波。可以從左下側選擇波的形態，圖中展示了正弦波。右上側面板中可以調節頻率和振幅，或者選擇聲波、光波進行演示。

除了對水波、聲波及光波的直觀感受之外，PhET 還涵蓋了楊氏雙縫干涉、單縫衍射及圓孔衍射等波動光學所需掌握的內容，非常有助于學生自身知識體系的構建。以聲波干涉為例：學生可自行測試其中一個揚聲器，體驗聲波傳播圖像，觀察聲波傳播的距離和時間，并和水波及光波進行比對。在熟悉單個波源之后，再打來另一個揚聲器，體驗聲波的干涉現象。與圖1 中的水波圖像一樣，干涉條件下，波的頻率及振幅都可以在右邊的控制面板上進行動態調節。最奇妙之處在于，波在傳播過程中，可選擇波以“粒子”方式還是“波與粒子”的方式呈現聲波的干涉圖樣。這可以讓學生非常直觀地理解“物質波”及“波粒二象性”的概念，可以說PhET 平臺對于學生理解日常生活中不常見的物理現象方面有著非常大的優勢。

對于從波的干涉到衍射部分的過渡，PhET 同樣給出了互動式的動態可視化效果。如圖2 所示，我們以光波為例，除了測量基本的波速之外，學生還可以改變波的頻率，實驗不同波長的光引起的衍射現象，同時選擇光強分布及呈現衍射圖樣的屏幕。除此之外，狹縫位置可左右調節，狹縫的縫寬也能夠變化，同時，狹縫的個數有0 個，1 個和2 個三種不同的選擇。所以在此基礎上，學生能夠直觀體會到衍射和雙縫干涉之間的差異，可以自主比較衍射圖樣及干涉圖樣之間的差異。通過調節狹縫的寬度及位置等互動，學生能夠對影響干涉圖樣的因素有更好的掌握。

圖2 PhET 中，綠色光透過雙縫產生的干涉圖樣

圖2 所示為PhET 中，綠色光透過雙縫產生的干涉圖樣。其中狹縫位置（綠色雙箭頭所示）可左右調節，可選擇呈現衍射圖樣的屏幕及光強分布圖等。可通過右側面板的下拉式按鈕可以選擇狹縫個數，調節狹縫寬度等。

（二） 設計游戲規則，為學生的自主學習提供引導

在課程（包括線上和線下）開始之前，教師應先擬定教學目標，并預測教學活動如何展開才能確保順暢，進而設計相應的教學授課計劃。為避免學生由于目標不明確而漫無目的地操作PhET 平臺，教師可以設定一系列的游戲規則，讓學生帶著“任務”玩游戲，從而潛移默化地接受新知識。依據不同課程可設置相應的實驗手冊，讓學生的自主學習有的放矢。仍以《波的疊加》為例，可設計如下問題，讓學生在游戲情境中，理解物理現象背后的本質：

·改變頻率和幅度如何影響波的特性? 水滴和揚聲器如何受到影響?

·設計實驗以測量波速。測量結果與聲音或光在空氣中的速度值相比如何? 如何解釋兩者之間的差異?

·用兩個源（水波、聲波和光波均可）創建干涉圖案，并確定更改圖案的方式。

·通過肉眼識別干涉相長和干涉相消的位置。

·比較單縫衍射和雙縫干涉。屏幕上的圖案有何異同?

· 對于雙縫，使用等式dsinθ=±kλ預測最大值將在屏幕上的哪個位置出現。使用卷尺驗證自己的預測。

·解釋孔徑幾何形狀與衍射圖樣之間的關系。

·預測改變波長或孔徑大小對衍射圖樣的影響。

·……

利用PhET 平臺為學生呈現問題情境，教師需對問題進行正確闡述并突出問題本質，讓學生根據問題進行觀察和分析，區分影響實驗結果的主要因素與次要因素，體會抓大放小的取舍過程。學生要明白PhET 平臺在盡量可視化實際物理問題的同時，會對模型做一些簡化。不同知識點中涉及到的相關細節簡化并不改變互動可視化過程給學生帶來的體驗，教師在課堂中也可以給學有余力的學生就這些細節方面進行拓展。

（三） 應用PhET 平臺的注意事項

PhET 平臺作為一種教學仿真工具，旨在讓學生通過模擬仿真，達到預期的學習目的，其本質上與科學仿真及實驗仿真平臺還存在一定差異。因此，教師不能完全放任學生自學而期望他們能夠完全掌握《大學物理》課程中新的物理知識點。對于課程中涉及到的理論及推導等部分，還是需要教師做進一步板書和詳細講授。PhET 平臺則可以作為課堂理論教學或者實驗操作前的預習，課后的復習補充，從而加深學生對教學內容的理解。同樣，在實驗教學中，仿真模擬不能真正訓練學生的動手能力，且仿真模擬過程中常常忽略實際操作中的誤差，降低了學生對于誤差的敏感度。因此，教師應將PhET 平臺演示與實驗教學結合起來，讓學生將仿真與實際操作相比對，引導學生基于現實與虛擬的差異進行探究，讓課程資源得到最大的利用，實現科技手段與教育理論的完美融合。

四 結語

疫情防控常態化時期，教學方式已經由傳統的“一對多”線下課堂教學逐漸轉變為線上教學[8]或者線上線下相結合的方式。對于《大學物理》課程，上述各種教學方式所面臨的共性問題在于如何提升學生的自主積極性。具有互動式游戲情景的PhET 平臺則為授課教師提供了一種行之有效的解決方案，對學生自主學習及自身科學知識體系的構建具有極大的幫助和促進作用。我們要利用好現有的網絡在線資源，促進各種教學模式的改革，從而更好地培養學生的學習興趣與學習技能。