PhET数字化科普资源案例研究

李大为

（中国科学技术馆，北京 100012）

0 引言

PhET（Physics Education Technology）互动仿真程序是美国科罗拉多大学的一个非营利性开放教育资源项目，它由诺贝尔奖获得者卡尔·维曼于2002年创立。PhET是一套基于研究的交互式计算机仿真程序，在物理、化学、数学、生物和其他学科领域中用于教师教学和学生学习[1]。目前，PhET互动仿真平台中关于物理、化学、数学、地球科学与生物五个科学学科的仿真程序共159个，提供95种翻译语言，2863件课程案例，其中覆盖的学段包含小学、初中、高中到大学。

1 PhET资源的特点

1.1 代码开源、开页即用

PhET互动仿真平台提供的仿真程序是基于Java和HTML5语言编写，并且各个仿真程序相对独立，可以基于Java语言和HTML超文本标记语言进行整合封装。所有PhET资源遵循MIT开源许可协议，使用者既可以登录其官方网站直接使用，也可以下载到项目源代码，进行本地化改造、部署应用到实际教学、工作中。

1.2 注重互动、趣味性强

PhET互动仿真程序不仅仅是动画模拟实验，它提供一个交互式的学习环境，可以直接、即时地响应用户的输入，进行模拟交互实验。例如，在物理实验中，学生可以抓取如电池、灯泡、磁铁、手柄和开关等，而不只是滑块或文本框与程序进行交互，极大地增强了真实性、趣味性。

1.3 迭代设计、内容精良

互动仿真程序是通过迭代设计过程产生的。对于每一个互动仿真程序，都会有一个由3～5名专家组成的团队，其中包括一名专业技术开发人员、一名科学内容专家、一名教师和一名用户界面设计专家。其研发过程主要包括以下几个阶段：根据教学内容列出学习目标清单—完成初步页面设计—专业技术人员开发操作界面—学生模拟使用调查反馈—重新设计功能优化—通过课堂环境进一步测试—最终版本在平台发布。研究人员通过对参与实践的教师与学生进行调查，及时获悉应用过程中的问题，进而对仿真程序的操作细节、难度以及与教学目标的贴合度等方面进行持续优化[2]。

2 PhET资源的应用场景

PhET资源基于灵活性设计，可以适用于不同的应用场景，概括如下：

2.1 在课堂中应用PhET

PhET资源可以用于日常课堂的演示教学，必须的硬件设备要求有一台电脑和投影仪。如果教室里没有互联网接入，可以下载整套PhET资源或单独的仿真程序供离线使用。为了确保显示的适配性，建议将计算机上的屏幕分辨率设置为1 024×768。

PhET资源可以用来代替或补充演示教学中需要的真实实验。与真实实验相比，使用PhET资源的优点是，学生可以更容易地在课堂上看到演示效果，实验参数支持现场修改，以便学生更直观地观察改变参数对实验结果的影响。例如，在横波作用于弦上的典型实验中，弦的运动速度太快，学生看不到波动是由弦上的每个点上下移动引起的，但这种行为在模拟实验中可以更好地展示出来。

2.2 在家庭作业中应用PhET

如果学生在家或者在学校能够使用计算机，可以将PhET布置到家庭作业中，用于课后复习课上知识点或提前预习课程内容，让学生自己操作模拟程序，并回答有关实验问题。对于学生而言，PhET互动仿真程序与游戏相融合，能够提高学生参与实验、进行学习的主动性、积极性，培养学生由被动获取知识向主动积极地探索科学知识转变。

2.3 在实验室中应用PhET

在实验室中引入PhET互动仿真程序，可以直接代替部分真实实验，保障实验效果的同时，减少实验耗材的浪费以及避免学生接触较危险的实验。另外，还可以把PhET模拟程序作为真实实验的一个环节，补充对抽象概念的理解，将真实实验与虚拟实验相结合，让看不见的东西变得可视化。

3 PhET资源典型案例

下面以PhET互动仿真平台中具有代表性的程序——“力和运动”（Forces and Motion）为例，介绍PhET资源在物理实验中的应用。“力和运动”这一仿真程序主要用于辅助物理力学的教学，涉及的知识点包括二力平衡、摩擦力、加速度等，仿真程序把抽象的知识点具体可视化，让学生对力产生直观的认识[3]。

该仿真程序包括“合力”“运动”“摩擦力”“加速度”四个操作模块。在“合力”模块，如图1所示，通过类似小人拔河的实验，解释合力的作用。学生操作时，可以向左侧添加蓝色小人，向右侧添加红色小人，根据人数不同和人物大小作用力的不同，页面上直观地展示出作用力之和的大小和方向。

图1 合力

在“运动”模块，如图2所示，设置实验环境在无摩擦状态下，学生通过点击鼠标使小人推动箱体滑动。可以观察到，当保持一个恒力推动时，箱体滑动速度越来越快；推力越大，箱体滑动速度增加越快；当手松开后，箱体保持一个恒定速度不断前进。

图2 运动

如图3所示，在“摩擦力”模块中，在原实验环境中引入摩擦力，当小人推动箱体时，可以结合“合力”模块知识，使用推力、摩擦力计算作用力之和。通过这种分解知识点的实验方法，展示物理现象背后的实际原理，让学生更容易理解，记忆更深。

图3 摩擦力

如图4所示，在“加速度”模块中，通过测量值的直观显示，进一步说明了当作用力为一个恒力时，箱体运动越来越快的原因：加速度的作用。学生在操作中通过仿真程序的实时反馈来实现与程序的交互。通过操作界面的层层递进，进行类似于游戏的探索，巧妙地完成了从具体到抽象的过渡。

图4 加速度

4 结语

PhET资源因其开源易用、内容丰富、活泼有趣等特点正被越来越多的教师、科普工作者所了解和使用。在信息科技高速发展的时代背景下，PhET资源为科普教育与信息科技的融合提供了一条新思路。如何在教学和科普中使用好这些学习资源，如何利用信息技术开发更好的科普教育资源成为广大教师和科普工作者值得研究和探讨的一个新方向。