利用PhET仿真实验软件展开物理教学

陆楚雅

摘要：理科教学离不开实验。传统的实验因为条件的限制抑制了实验的作用。为此，结合物理课堂教学实例，着重阐述了PhET这种仿真实验软件在课堂上辅助真实实验应用的优势，以及研究PhET在物理教学中应用的意义。

关键词：PhET软件;仿真物理实验;物理教学

一、仿真物理实验软件的价值

PhET具有生动形象、便于交互的特点，利用PhET仿真实验软件辅助物理学习，自然能够引起学生的注意，能够更好地帮助学生进行演示实验的学习。一般来说，科学探究分为几个步骤：提出问题、猜想假设、规划方案、设计实验、执行实验并收集数据、整理数据、得出结论。对于学生实验而言，可以从设计实验和得出结论两个方面入手进行教学。而对于演示实验而言，则偏重于得出结论环节。笔者在应用PHET物理实验软件开展物理教学时做了初浅的尝试。

二、仿真物理实验教学的策略

（一）通过互联网取得多种实验资源

PhET由2001年的诺贝尔物理学奖获得者卡尔·威曼于2002年创立。他创立该网站的初衷是改变以知识讲授为主的传统课堂。他的很多研究生读了17年书却不知道怎么做研究，对待物理实验无从下手。因此，他下定决心创办了 PhET 这个以互动和探索为导向的新型在线课堂。该网站鼓励孩子从探索中学习，激励学生在直观的、游戏化的环境中进行探索和发现。它上面的所有实验全部免费。2014年，美国有1233个高中和276个高等学府使用PhET作为教学手段。值得一提的是，PhET所有的程序全都免费和开源，因此有很多的软件由全世界各地的程序员与教师共同创作，这也大大增加了资源的易得性与便利性。

（二）下载编码辅助仿真物理实验

笔者针对仿真实验是否有效制定了一个标准：是否能够顺利地让学生进行信息编码。在这个基础上，笔者随机选取了五个案例，其中两个是在我自己的教学中选取的，另外三个则是根据PhET开展教学的案例改编，并让其他老师根据标准判断利用PhET仿真物理实验软件开展实验的教学是否有效。由于这些实验符合信息加工的逻辑，符合能够让学生顺利编码的标准，即能够突出教学的重点，能够让学生形成正确的图示，因此这些案例是有效的。

例如，在《声音的产生与传播》一节，通过PhET的“声音”这个实验程序让学生感知声音的本质及它的传播特点。值得一提的是，由于这个程序的编码是JAVA，所以笔者特地在班级电脑上下载了JAVA的程序。除此之外，为了向学生解释清楚为什么声音的传播一定需要介质，笔者给学生们播放了绳波的实验。学生们通过对比两个实验，发现声音的传播特点和绳子震荡时的晃动是一样的。因为绳波在传播时必须要绳子，同理可得声音的传播也需要介质。

在这堂课的教学中，演示实验的教学重点是声音的图式。这个图式包括声音是什么、它有哪些特点、它是怎样传播的。传统的教学很难帮助学生建立声音是什么的概念，而PhET仿真物理实验则能够很好地突出这些重点，帮助学生进行声音的信息编码。

（三）用对比实验体现仿真物理实验优势

要确定PhET这个仿真实验软件对于学生的演示实验学习大有益处，这就需要我们在课堂中进行一组对比实验。笔者在自己教学的班级中选取了学情差不多的两个班展开了教学实验，其中一个班级单纯地进行了演示实验，而另外一个班级则在演示实验之后开展了一组仿真实验，让3～5个学生代表用电脑进行实验操作，并让全班同学预测交互后的情况。最后，两个班的同学都进行了一组关于演示实验内容的习题测试。结果表明，加入PhET仿真实验教学的班级习题测试的正确率更高。

有了这样一个结论之后，笔者又进行了一组针对教师的问卷调查。调查是针对仿真实验本身而言，调查教师对PhET这种仿真实验的了解情况以及对利用仿真物理实验展开教学的看法。问卷结果表明，大多数教师对仿真物理实验是否能够有效地进行物理教学抱有一定的怀疑心理，这源于之前教育领域的一些仿真物理实验的应用并没有体系化，有些时候也本末倒置，进行了仿真物理实验却忽视了真实的演示实验。为此，笔者选择在信息加工的理论上进行仿真物理实验。

例如在讲解物质的三态时，笔者引入了物质状态这个仿真实验。这个仿真实验能够让学生自己通过调节火或冰的按钮调节温度，温度的示数通过杯子里温度计的示数读出，同时，学生能观看到杯子里的物质分子的变化情况。这个仿真实验极大地激发了学生的兴趣，因为真实的实验是无法观察到物质的微观变化的。学生并不理解为什么物质会有三种状态，以及其区别的原因在何处。当学生看到这些微观粒子的各种运动及聚合的宏观特点时，这个难点就迎刃而解了。

同样，这节课的重点是物质状态的图式，而传统教学中的图式是有一定缺陷的，通过PhET仿真实验软件能够让学生体验到物质状态的抽象特征和知觉特征，突出重点的同时更好地建立概念。

三、总结与反思

目前为止，笔者所在学校主要在初二年级开展了PhET辅助教学，初三年级暂未涉及。在讲解光的三原色时，笔者也应用了光的混合实验，但是这个实验的反响并没有前两个好。课后笔者反思了一下，其实仿真实验软件最重要的特点就是能够把课堂上老师无法做出的实验现象通过模拟呈现给学生，并能够将这些现象的本质也通过交互性的实验动画呈现出来。学生无法亲眼看到声波在介质中的传播原理，这是任何一个演示实验都无法解决的问题。而仿真物理实验可以解决这一难点，让学生了解这一原理的同时了解演示实验的实验现象，增强了概念的直观性。原理不再是由教师干巴巴地讲出，而是由学生自己动手操作并获得。同样，物质的微观粒子在做物态变化实验时是看不到的，但是仿真物理实验软件将宏观的物质变成微观粒子，其他同真实实验一样，学生通过操作明白物质三种状态的本质。而光的混合演示实验能够将原理讲得很清楚。仿真实验相比演示实驗而言缺少了真实性，效果自然大打折扣。这也证明了仿真物理实验是辅助进行实验教学必不可少的利器，但切勿替代传统的实验教学。笔者将继续在课堂上应用PhET仿真实验软件展开教学，并总结其使用要点。

参考文献：

[1]陈江涛，计晗芬.互动学习工具PhET发展综述[J].软件导刊，2015，14（7）：18-20.

[2]陈江涛.互动学习工具PhET的发展进程分析与本地化改造[J].软件导刊，2014，（4）.

[3]夏敏.互动式教学主体的PhET 计划在物理教学中的应用[J].物理通报，2014，（10）.

[4]P. Loeblein，C. E. Wieman，W. K. Adams，et al.Teaching Physics Using PhET Simulations[J].The Physics Teacher，2010，48（4）：225-227.

[5]W. K. ADAMS.Student engagement and learning with PhET interactive simulations[J].Il Nuovo Cimento della Societa Italiana di Fisica，C. Geophysics and space physics，2010，33C（3）：21-32.

[6]Sam McKagan.Laptops and Diesel Generators： Introducing PhET Simulations to Teachers in Uganda[J].The Physics Teacher，2010，48（1）：63-66.

[7]Perkins KK，Reid S，Malley C，et al.Developing and researching PhET simulations for teaching quantum mechanics[J].American journal of physics，2008，76（4/5）：406-417.

[8]Katherine Perkins，Emily Moore，Noah Podolefsky， et al.Towards Research-based Strategies For Using PhET Simulations In Middle School Physical Science Classes[C].//2011 Physics Education Research Conference.2012：295-298.

[9]陳刚.物理教学设计[M].上海：华东师范大学出版社，2009.

[10]R·M·加涅.学习的条件和教学论[M].皮连生，王映学，郑葳，等，译.上海：华东师范大学出版社，1999：56.

[11]陈刚，舒信隆.问题图式在物理问题解决教学中的应用[J].课程·教材·教法，2009（7）.

（责任编辑：韩晓洁）