互动式教学主体的PhET计划在物理教学中的应用

夏 敏

(南京市天印高级中学 江苏 南京 211100)

随着新课改的深入，教育从过去注重知识技能的传授转变为达到知识与技能、过程与方法以及情感态度与价值观的三维目标.物理课程学习的总目标是全面提高学生的科学素养，这就要求学生不仅仅掌握科学知识，还要掌握科学思想和方法[1～3].而这些教学目标的实现需要自主、探究、合作式的课堂.《物理课程标准》的最新版本包含了课程资源开发与利用建议，其中就提出了发挥多媒体教学资源的优势，并且强调了多媒体软件的开发与应用.本文以PhET网站所提供的模拟程序为例，讨论了该网站的虚拟实验软件应用于物理课堂教学的优势.

1 PhET简介

这里介绍的PhET一词是Physics Education Technology project的缩写，是美国科罗拉多大学(Colorado University)物理系所发展的互动式教学主体的PhET计划，即物理教育科技计划的简称.这一互动仿真实验程序主要基于Java语言和Flash软件开发，涉及物理、化学、生物、地理以及数学等科目.PhET提供了免费有趣的、互动的、研究型物理现象的仿真程序.这样的研究型方法能够让学生在真实生活现象与潜在的科学之间建立联系，并可以加深他们对真实世界的理解和欣赏.模拟实验软件则运行也非常顺畅.所有程序经严格测试和评估后发布在其官方网站(http://PhET.colorado.edu/)上.所提供的程序属于公共授权，使用者无须付费或特别取得授权，即可连网直接点选使用或是下载储存到硬盘上，同时也让用户可以下载程序原始码进行研究或改良.PhET在全球范围展开应用推广和教学效果研究，已有50余个国家和地区参与其中并进行软件的本地语言化.PhET网站现阶段已经有中文版，是模拟实验软件共享的一个免费网站，具有自身的团队，每一项软件的质量和运行都有保障，和国内的教学联系紧密.

2 PhET的特点

2.1 仿真实验资源丰富

互动仿真实验程序，基本包括了高中阶段的主要知识，能系统地服务于物理教学.PhET程序和使用者产生互动，并充分利用多媒体影音的特性，将仿真程序运用于课程教学上，特别适用在下列情况：抽象概念的诠释上(如场、力、能量等概念)；要观察的对象可能很微小(微小形变)或很巨观(如行星运动)；反应速度太快(如核反应)或太慢(如冰河)的实验对象；实验器材可能很昂贵(如MRI磁共振造影)或难以取得(如放射物质)；具有生命财产危险性的实验(如触电、易燃性、放射性等危险)；实验器材准备很麻烦(如设备耗损、维护等问题)；受时间与经费的限制，难以重复进行不同参数条件的测试.

2.2 与游戏融合 情境有利于提高学生的兴趣

中学阶段物理难学难教是普遍问题.新时代的物理教学不仅是教育学生掌握知识、规律，更重要的是激发学生对物理学科本身的兴趣，提高学生科学素养，树立终身学习的理念.著名的未来教育学家、教育哲学家、教育技术博士生导师桑新民教授说过,“游戏天地可能是孩子们生长的最好环境.游戏里面有很多很多这种东西.所以我们要是能把这种东西拿来，放到我们教育里面，学习的动力、学习的协作、学习的规范、学习的能力都可能自然的培养起来.”PhET以具有趣味性、娱乐性的互动游戏为知识载体，以体验式学习为主要方式，帮助学生构建知识、训练思维、掌握思想方法.这样学生在此过程中找到学习的乐趣、体验到成就感，有利于科学素养的提高和学科学习的良性循环.

2.3 互动性强 可选择变量开展自主探究活动

一般的教学探究都有大量的学生活动，如进行实验、收集证据、分析与论证、评估、交流与合作.而PhET互动仿真实验程序在信息技术与物理课程整合中一直遵循了以教学内容为中心的原则，只有几个简单的按钮，学生改变变量，程序就会显示效果，这样就更加方便学生进行自主探究，帮助学生搭建知识理解形成的模型.课堂上学生通过PhET探究实验，想要尽快地重现课本上已有的结论，而不是像科学家对待自己的研究性实验一样，将其当做是寻找基本科学知识的享受经历，或者是改变、纠正以及增加自己对世界是如何运转的理解.PhET让学生不需要担心实验仪器的复杂性，而更多地关注基本科学概念，更好地进行自主探究.

2.4 操作简易 为学生拓展探究学习提供可能

学生对于自己感兴趣要探究的内容，可以通过设置条件、改变变量、观察现象，总结出规律,还可以结合阅读文献，加深理解.PhET为学生拓展学习提供了有利的环境，提高了学生自主学习能力.

3 基于PhET的“探究平抛运动规律”教学设计

3.1 学情分析

本节内容选自人教版高中《物理·必修2》第六章“曲线运动”中的第三节“探究平抛运动的规律”. 高一的学生已经具备一定的抽象和逻辑思维，分析、综合、概括、抽象能力都发展到一定高度，能够分析较为复杂的物理情境下的问题.在学习本节课之前已经学习了运动的合成与分解、自由落体运动、匀速直线运动，知道对于复杂的运动应该进行分解.理解平抛运动的过程对于学生的空间想象能力是有一定要求的，因为平抛运动的过程是瞬间的，利用技术使得过程再现，便于培养学生的空间想象能力.

3.2 教学目标

3.2.1 知识与技能

(1) 知道什么是抛体运动,什么是平抛运动，能够想象出平抛运动的运动轨迹.

(2) 理解平抛运动在水平方向与竖直方向的运动规律.

(3) 掌握显示并描绘出平抛运动轨迹的实验方法.

3.2.2 过程与方法

(1) 通过演示实验的观察, 概括出平抛运动的特点,培养学生观察、 分析能力.

(2) 初步学会用运动的合成与分解的思想研究曲线运动的思维方法.

(3) 通过对平抛运动的研究, 领略提问、 猜想、 计划、 验证、 论证等物理研究方法.

3.2.3 情感态度与价值观

(1) 体验探究自然规律的艰辛与喜悦.

(2)培养学生仔细观察、 善于思考、 勤于探索、 勇于创新的科学素质.

3.3 教学环节

3.3.1 引入新课

(1)设计理念.激发学生的兴趣，结合所学的知识去思考问题，培养学生的观察和思维能力.

(2)教师活动.多媒体演示游戏“命中得分”,如图1所示.通过调整炮弹水平方向上的初速度，成功地使炮弹落在了靶上，通过观察这样的物理情境，引导学生描述所看到的现象，并思考由这个现象联想到了哪些物理知识，以及存在着哪些疑惑.

图1 “命中得分”游戏

(3)学生活动.观察物理现象，描述所观察到的现象，并且发现现象中的问题.

3.3.2 形成概念

(1)设计理念

帮助学生复习已构建的物理模型，运用所学的知识分析物理现象；培养学生的观察能力，引导学生思考并发掘现象中需要探究的物理问题；利用软件将瞬间现象记录，便于学生观察，引导学生归纳、总结物理概念.

(2) 教师活动

1)提问：将一个小球竖直向上抛起之后，小球做什么运动？你分析小球的运动状态时考虑了哪些因素呢？学生可能回答：小球做的是匀减速直线运动，分析时考虑了物体的初速度和受力情况.

2)演示实验：将放在讲台上的金属小球迅速用木棍水平打出，金属球以一定的初速度落地.让学生观察物理现象，并且向学生提问：你们刚才观察到什么现象了，小球在下落过程中做了什么运动？

3)什么是平抛运动？那么我们现在将刚才的现象用软件展示出来，定义平抛运动概念.

(3)学生活动

1)学生根据已有的物理现象，利用旧知分析物理问题.

2)观察并且描述物理现象，思考并且联系之前所学知识，分析小球运动状况.

3)学生思考、记录平抛运动概念.

3.3.3 理论分析平抛运动规律

(1)设计理念

引导学生学习分析和解决物理问题的思路和方法；利用可视化的物理现象，引导学生学会观察物理现象的异同；学习等效代替法解决复杂的物理问题.

(2)教师活动

1)对金属球的运动特点进行分析，一是分析它的受力情况，二是分析初速度情况，三是分析它的运动轨迹.如果改变金属球的初速度，运动轨迹会发生什么变化呢？

2)利用软件展示不同初速度情况下金属球的运动轨迹，如图2所示.比较运动轨迹之间的差异和相同点，进而分析出应该将运动分解成水平和竖直方向.并且通过对这两个方向进行受力分析，从而得出两个方向的运动情况.

图2 不同初速度时的运动轨迹

(3)学生活动

1)学生思考，利用所学知识对物理现象进行猜想.

2)验证自己的猜想，观察可视化后的物理现象，根据现象总结、分析出将运动轨迹分解成竖直方向和水平方向.

3.3.4 实验验证平抛运动规律

(1)设计理念.引导学生学会比较实验现象，学会分析物理问题.

(2)教师活动.教师向学生展示如图3所示的平抛物体综合演示仪.

图3 平抛物体综合演示仪

演示1：在仪器最高点将小球 A，B 同时释放，则由现象可知， B球做近似匀速直线运动.

演示2：在仪器的最高点将A球释放，在A金属球即将到达斜槽时，释放C金属球，在这个过程中，A金属球的运动形式是平抛运动，C金属球的运动形式是自由落体运动.通过综合演示仪的对比演示，可以总结出，平抛运动的小球在竖直方向做的是自由落体运动，水平方向上做的是匀速直线运动.

(3)学生活动.学生观察演示实验，分别分析两组实验现象产生的原因，并将实验的结果和理论分析进行对比，从而验证自己的猜想.

3.3．5 归纳总结

(1)设计理念.通过新旧知识之间的联系，让学生自主地建构知识体系.

(2)教师活动.引导学生分析平抛运动的实质就是匀变速曲线运动,并给出如图4所示的运动规律示意图.

图4 运动规律示意图

(3)学生活动.全班交流、讨论并总结平抛运动和已学知识之间的联系.

3.3.6新课小结

(1)设计理念.引导学生自己理顺知识点，自主建构知识体系.

(2)教师活动.让学生总结通过今天的学习，学会了哪些内容.介绍课堂的仿真模拟实验软件，让学生回去总结“命中得分”游戏技巧.

(3)学生活动.学生回忆，其余学生补充，教师强调重点、难点.

4 结束语

PhET中丰富优秀的教学资源为教学实践的更好开展提供了服务，但是我们也应当注意，如何更好地在教学中合理整合这些教学资源呢？这就要求教师费心去设计教学活动，以引导学生进行观察、测试、发现，并统整所学进行知识的建构.在课程开始之前，教师要先拟定教学目标，并根据此目标寻找适用的仿真程序，并推演教学活动如何进行才顺畅，进而提出相关的教学计划，必要时更可请求学校行政体系的支持，提供上机教学时所需要的支持.在课程进行时，为了避免学生不知如何使用PhET来学习，依课程需要可分别提供学生实验手册、学习单、实验报告及课后作业等数据，让学习行为的进行有所依循.在完成课程单元之后，更可以进行学生访谈及利用PhET进行操作性评量，以了解学生学习的进展或是针对观念上的盲点进行指导.

当然，需要注意的是PhET绝不可能替代动手操作的实验，只能作为补充，用于动手实验前帮助预习，或实验后加深对实验的理解.而且PhET互动仿真实验程序不同于一般的视频动画，它的过程只有短短的2～3 s，而是通过标记将运动的过程记录下来，能够更好地让学生思考以及构建模型，回家之后也可以在网站上进行相应的复习.这也就是说PhET能够有效地和讲座、实验、家庭作业以及其他的非正式资源进行整合教学.

参考文献

1 闫红敏，范蔚. 刍议课程资源及其有效开发.教育理论与实践，2006(6)：38～40

2 段兆兵.课程资源的内涵与有效开发.课程·教材·教法，2003(3)：26～30

3 范兆雄.课程资源系统分析.西北师大学报(社会科学版)，2002(3)：101～105