利用PhET虛擬仿真程序改進“杠桿”實驗

〔摘 要〕 杠桿實驗是貫穿學生小學、初中階段的重點實驗項目，但在實際教學過程中仍存在諸多不足之處，例如實驗內容簡單化、學生參與度不高等。本文旨在探討如何利用PhET虛擬仿真程序來改進小學科學課程中的杠桿實驗，以及利用其提升小學生對杠桿實驗的理解和學習效果的方法。

〔關鍵詞〕 小學科學；PhET虛擬仿真程序；實驗改進

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 19 067-069

小學教育階段是培養學生科學素養和探究精神的重要時期，科學實驗作為小學科學教育的核心組成部分，具有十分關鍵的作用。其中，作為一項貫穿小學、初中教學的重點實驗項目——杠桿實驗，對于培養學生的觀察能力、動手能力以及科學思維發揮著舉足輕重的作用。在中華人民共和國教育部制定的《義務教育科學課程標準（2022年版）》中，關于“杠桿”課程的概念目標提出，要求學生掌握以下三個問題：能夠識別杠桿的三個作用點；能用簡單的語言描述杠桿的原理；能判斷省力杠桿還是費力杠桿。

然而，傳統的實驗教學往往受到時間、場地和設備的限制，難以讓學生充分參與實際操作，這就導致學生很難真正理解相關知識。為了解決這個問題，虛擬仿真程序應運而生。PhET虛擬仿真程序是一種基于互聯網的虛擬仿真實驗平臺，它通過模擬各種科學實驗，為學生提供一個真實、方便、準確的實驗環境，讓學生在概念學習中進行科學探究，在科學探究中進行概念學習，從而加深學生對科學概念的理解，促進其科學思維的形成。因此，本文針對PhET虛擬仿真程序對小學科學“杠桿”實驗教學的改進進行了探討。

一、不同版本教材的“杠桿”實驗設計的優缺點分析

在教科版和青島版教材中，均設計了“利用杠桿尺研究杠桿的秘密”的實驗活動。教材中，本實驗采用控制變量法與等效替代法相結合的實驗方法進行探究：首先調平杠桿尺，把掛在杠桿尺左邊的鉤碼看作是阻力點，把掛在杠桿尺右邊的鉤碼看作是用力點，接著通過改變兩端掛鉤碼的位置和數量理解杠桿相關知識點。它的優點在于：現象清晰，方便記錄；器材標準，安全性高。缺點在于：杠桿尺調平操作對小學生要求較高；實驗現象與現實生活聯系不大；器材老化容易出現誤差導致實驗失敗。

此外，其他教材提到了“用小石塊撬動大石塊”的實驗活動。教材中，本實驗采用控制變量法與作圖法相結合的實驗方法進行探究：先用一小石塊和木板將一大石塊從A處撬到B處，同時學生需畫一張A到B的測量圖，以便測量搬運距離，接著則是側重觀察每一次小石塊移動的距離，同時畫出每一次撬動大石塊時的杠桿裝置，最后通過梳理例圖幫助學生理解杠桿相關知識點。它的優點在于：材料簡單，方便開展；原理清晰，容易理解。缺點在于：石塊在木板上容易滑落；學生操作石塊存在安全隱患；石塊到支點的距離測量不準確。

在實際教學中，小學科學實驗教學還存在著學生參與度低、學生實驗興趣不高、實驗評價缺失等共性問題。諸如此類的問題也會導致實驗教學效果不佳，這就亟須科學教育工作者提出完善與改進的策略。

二、PhET虛擬仿真程序特點

（一）情境趣味性

PhET虛擬仿真程序以娛樂性游戲為載體，以體驗式情境為主要演示方式，幫助學生將學習環境建立在輕松愉悅的環境中。實驗教學普遍難教的關鍵點在于學生剛接觸新的科學模型時難以產生學習的興趣。而應用PhET虛擬仿真程序就能很好地解決這一問題，學生在這樣的學習氛圍下更容易找到學習的樂趣，體會到獲取知識的成就感。

（二）雙向互動性

PhET虛擬仿真程序不同于一般的教學探究過程，傳統的科學探究以學生的大量活動為中心，花費較多時間在搜集證據、驗證評估等環節上，而PhET則是以教學內容為中心，學生不需要被復雜的儀器操作所困擾，更加有利于其與教師合作探究，從而實現雙向互動。

（三）操作便捷性

PhET虛擬仿真程序采用人物圖片、視頻動畫等方式呈現實驗內容，教學內容清楚直觀，器材擺放位置清晰，有明確的按鈕提示和操作指示，學生對于自己想驗證的實驗可以自行設置變量、改變條件、總結規律，并且可以反復進行操作，全程操作簡單無障礙，不僅方便教師進行巡視指導，更有利于鍛煉學生的自主探究能力。

（四）資源開放性

PhET虛擬仿真程序所發布的全部虛擬仿真程序，均無需支付任何費用即可在線使用。利用其資源開放性的特點，學生在課堂上沒有理解透徹的實驗步驟，課后可借助手機、平板電腦等工具進行重復學習；教師可利用PhET平臺布置相關作業，學生只需準備一部電子設備即可完成，完美地解決了傳統實驗教學中由于實驗材料限制等問題帶來的布置作業的困境。

三、利用PhET虛擬仿真程序改進“杠桿”實驗

“杠桿”一節課的內容與PhET模擬仿真平臺中的“平衡探究實驗”板塊相對應。該板塊分為認識平衡、探究杠桿平衡原理、游戲三部分。實驗改進從“結合PhET創設多種實驗情境”“利用PhET逐級學習科學概念”“借助PhET有效檢測學習效果”三方面展開。

（一）導入新課——結合PhET創設多種實驗情境

PhET模擬仿真實驗中的情境多是基于現實環境的背景之下的，教師可提前對相關實驗板塊進行了解，在課堂開始時通過相似的情境進行導入，為后續的實驗開展做出準備，同時保證課堂的整體連貫性。“平衡探究實驗”板塊涉及的情境主要有：比較滅火器與垃圾桶的重量、比較兩個物體的重量、推測未知物體的重量等，教師可將其相應轉化成學生生活中會遇到的問題：消防員叔叔經常使用的滅火器與垃圾桶相比哪個比較重；××和××誰比較沉（可選擇學生較為熟悉的卡通形象進行情境創設）；怎樣判斷商場里銷售的盲盒的重量等。接著，先由學生自由表達觀點，教師隨后引出本節課要學習的內容并為后續所要進行的實驗打下基礎。

（二）知識新授——應用PhET逐級學習科學概念

“杠桿”一節對應的知識點由易到難分別為以下三點：識別杠桿的三個作用點，描述杠桿原理，判斷省力，費力杠桿。下文詳述PhET虛擬仿真程序與三級知識點的結合。

1.識別杠桿的三個作用點。教師指導學生打開“認識平衡”板塊，通過觀察在杠桿上放置不同數量的滅火器和垃圾桶產生的相應效果圖，總結出動力點、阻力點、支點三者的定義，不同情境下三點對應位置如圖。講解完畢后由學生自行設計實驗并講解各點位置，以展示其學習效果。

2.描述杠桿原理。教師指導學生打開“探究杠桿平衡原理”板塊，該板塊有不同重量的砝碼、人物、未知物體等實驗材料供學生選擇。學生首先可自行選擇喜歡的材料設計實驗，通過記錄阻力點及動力點到支點的距離及各位置上物體的重量，填寫實驗記錄單以總結杠桿平衡的原理。實驗記錄單見表1。其中“（）”為學生自己選擇的實驗材料。

3.判斷省力、費力杠桿。教師首先向學生講解省力杠桿、費力杠桿的特點，接著屏幕出示不同情況下杠桿的傾斜情況讓學生判斷是省力杠桿還是費力杠桿，同時可輔以對日常生活中常見杠桿的拓展。

（三）鞏固評價——借助PhET有效檢測學習效果

PhET模擬實驗均提供游戲模塊。游戲模塊分為水平1，2，3，4四種難度，其難度依次增大，每個水平下都包括三類游戲方式，分別對應本節課中提到的三級知識點，對應情況見表2。教師可以選擇其中的某個游戲用以檢測學生的學習效果，接著指導學生進入游戲板塊，并以個人或小組為單位開始游戲。操作界面左下角的“秒表”按鈕用來計時，“喇叭”按鈕用來控制聲音。學生回答錯誤則游戲重新開始，回答正確則進行積分，學生通過記錄并匯報游戲數據，鞏固先前學過的概念的同時檢測學習效果。

通過分析上述應用PhET虛擬仿真程序進行“杠桿”實驗的教學過程可以發現：從教學設計上看，PhET仿真程序將學生對科學知識的學習與虛擬實驗緊密聯系了起來，從知識導入到評價復習，環環相扣，結構完整。大情境的運用不僅極大地提高了學生對科學實驗的內在興趣，而且也有助于學生對概念知識的系統理解。從技術應用上看，PhET仿真程序的應用打破了傳統的教師單一灌輸的教學模式，以互聯網為載體，借助虛擬仿真技術交互性的特點，實現了課堂中教師與學生的雙向互動，使教與學的質量有所提升。從學生自身學習方式上看，應用PhET仿真程序提供的便捷式探究環境，學生可以自主選擇和進行實驗，不受實驗場地、材料等因素的影響，學生的參與度大大提高，同時也加深了學生的學習印象。

四、反思與啟示

在PhET的實際應用中，還有以下兩個方面需要引起教師和學生注意。其一，PhET網站提供了百余種仿真程序，在眾多程序中，小學科學領域所涉及的仿真程序僅有幾十個，顯然沒有包含全部的小學科學知識點，也就是說，仍然有大部分科學實驗需要教師進行改進創新。因此，在實際的實驗教學中教師不能過于依賴PhET仿真程序。其二，仿真模擬的數據過于精確，不利于學生建立誤差概念。誤差思想的建立是科學概念學習的重要目標之一，然而仿真模擬實驗給出的過于“完美”的數據往往容易讓學生忽略或者不理解誤差的產生，進而對后續的學習產生不利的影響。

綜上所述，PhET虛擬仿真程序為以“杠桿”實驗為代表的科學實驗教學提供了新的設計方向和理念，但在實踐過程中仍然存在著些許問題，這也就要求科研工作者著力研究數字技術與實際教學的有效整合問題，在不同的案例中通過二者的優勢互補來改進教學，以期達到最優效果，真正實現“以數字技術賦能教學”的教學理念。

參考文獻

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