应用PhET 虚拟仿真实验技术实施地理深度教学的实践探索——以“海陆的变迁”教学设计为例

李 冬

上海市曹杨第二中学附属学校 上海 200062

一、研究背景

随着时代的发展，特别是《义务教育地理课程标准（2022 年版）》（以下简称“2022 年版新课程标准”）颁布，地理课堂教学逐步从“为知识而教”朝着“为知识和能力而教”的方向发展，即注重如何通过培养学生的综合思维能力，培育他们的核心素养。然而，在实际的课堂教学中，部分教育工作者未能意识到创新教学方法的重要性，也未能充分利用实践教学资源或设计适宜的教学情境，导致课堂教学未能达到理想的育人效果。此外，地理学科涉及的事物和现象往往具有宏观性，超出了学生的视觉感知范围，初中生在以形象思维认识这些地理事物和现象时往往存在一定难度［1］。为此，2022 年版新课程标准就明确指出，将现代信息技术与地理教学充分融合，创设多样化的学习情境，设计多层次的学习任务，使学生深度参与地理学习活动［2］。

虚拟仿真实验技术就是这样一种信息技术与教育教学结合的产物，它依托虚拟现实环境，将人机交互、网络多媒体、数据分析等多种技术相融合，构建高度仿真的虚拟实验现象场景，帮助学生在虚拟环境中进行实验，以达到相应的教学效果。在地理学科的教学中，这项技术能够全面且生动地构建并展现地理事物和现象的多维空间特征，进而有助于培养学生的地理空间能力，有助于发展学生的地理空间转换思维，促进地理深度教学的实施。然而，在当前地理教学中对于虚拟仿真实验技术运用于深度教学的研究很少，教师很少进行虚拟仿真实验教学模式和教学设计案例的研究，在深度教学中运用虚拟仿真实验的案例更是少之又少。经由中国知网平台查询可知，地理学科运用虚拟仿真实验开展教学案例有38篇，且多数集中在高校和高中阶段，义务教育阶段相关论文案例仅有3 篇，而运用虚拟实验技术开展深度教学的研究更是未见。

为此，本文以六年级第二学期“海陆的变迁”一课为例，尝试基于虚拟仿真实验技术的应用开展深度教学活动，从而更好地在课堂教学中培育学生的综合思维。

二、概念界定

（一）PhET 虚拟仿真实验技术

虚拟仿真实验是基于课程标准的新型教学工具，利用虚拟现实技术构建高度逼真的虚拟实验环境和实验对象，使学生通过模拟性实验活动来获取知识和提高能力［3］。运用PhET这项新兴工具，学生得以运用视觉、听觉、触觉等感官，观察并与虚拟实验环境中的元素互动，由此引发沉浸式的体验。

PhET 是Physics Education Technology 的简称，即物理教育技术。2002 年，诺贝尔物理学奖获得者卡尔·威曼（Carl Wieman）发起了该项目，并由科罗拉多大学进行制作和运营。这项技术的目标是通过开放的仿真程序，提升全球公民的科学素养。PhET 网站公布了所有互动仿真程序，均采用公共授权，无须付费或特别授权即可免费下载学习和在线使用［4］。这些仿真实验特点鲜明，包括紧密联系实际情境，可视化微观现象，简化事实以促进理解，多样化概念表征方式，可控制的多个变量，图表展示变量间的定量关系，具有多种定量测量工具［5］。本案例使用的PhET“板块构造论”项目资源包括以下内容（表1）。

（二）深度教学

深度教学涉及以下步骤：首先，教师创造一定的活动背景，引导学生从表面知识符号的学习，深入探索知识内在逻辑和意义层面。通过挖掘深层次的知识内涵，让学生真正地在学习过程中实现专业知识与技能的增长、个人成长与发展。深度教学的目标即通过学科知识的教学，培育学生的学科核心素养和关键能力。

深度教学的课堂往往与真实情境紧密关联。这是由于虚假或不真实的情境是无法充分激发学生获取信息、发现问题的意愿的。他们在与一系列僵化的问题互动时，难以充分调用深层次的比较、论证、推理等较为高阶的科学思维。深度教学的课堂中，将知识和原理融入具体生动的情境，通过构建真实情境，能让学生在实际情境中寻找证据，进行综合分析并解决问题［6］。此外，真实的情境能有效唤醒学生的兴趣和情感参与。基于此的深度教学能够拉近课本与学生之间的距离。而本文所使用的PhET 虚拟仿真实验技术运用强大的建模技术和模型渲染技术使虚拟地理环境仿真化，通过动态演示地理事物和现象变化的过程，呈现出学生难以直接通过想象形成的画面［7］，模拟真实的地理学习情境，拉近了平面教材内容与学生综合认知之间的距离，促使初中学生将具体感知与抽象思维相结合，获得对地理事物和现象的抽象认知，实现课堂深度教学。深度教学特征如图1 所示。

图1 深度教学特征

三、虚拟仿真实验应用设计案例

“海陆的变迁”是六年级《地理（下册）》第二章“陆地和海洋”的重要课程内容。本节课涉及的初中地理课程标准要求为：结合实例，说明海洋和陆地处于不断地运动变化之中；说出板块构造学说的基本观点，并解释世界火山、地震带的分布与板块运动的关系［8］。通过学习第一章“地球和地图”的内容，学生已经基本了解地球的形状和大小。在学习完“全球海陆分布”后，学生也对地球表面的海陆大致分布状况有了一定的认识。这些先验知识将作为本课的重要基础。六年级学生的心理发展特点与知识水平可能在一定程度上限制了他们对于板块构造学说的理解能力，因而如何解释火山地震带的分布与板块运动之间的关系便成为本节课的难点问题。于是，笔者就以“解释火山地震带的分布与板块运动的关系”这一知识内容为例，应用PhET 虚拟仿真实验技术实施了“探究板块交界处发生的现象”实验，并由此开展深度教学活动。

（一）实验内容分析

在教授“大陆漂移说”的基础上，教师运用视频和教材图片简单介绍了“板块学说”理论，用地图显示了六大板块，并且指出某些大的地形单元的形成与板块运动有关。随后，在教师的指导下，学生通过读图发现在板块的交界处有些是大陆与大陆的碰撞挤压，有些又可能是大陆与大洋的碰撞挤压。由此学生形成猜想：板块交界处地壳较不稳定，火山地震活动频繁，总结出世界火山和地震带的分布与板块运动密切相关。

然而，涉及这一现象的实验教学存在明显的不足。比如，某教材设计的实验步骤主要是：通过对烧杯水加热，观察热对流现象，理解板块的相互运动。另一教材设计的实验为：引导学生利用地理课本和地图册模拟板块间的挤压和张裂运动，进而思考板块运动与地形之间的关系。这些模拟实验借助替代物，用这种方式只能大致解释说明板块运动和火山、地震带形成的关系，与真实的运动状态相差较大，不利于学生真正认识理解世界火山、地震带的分布与板块运动有关。这样的实验活动设计并不科学，也不严谨。因此，很多教师往往采用播放视频或讲解图片的方式来教授这一知识，不利于学生全面地观察、分析和认识地理现象，也不利于激发学生的学习兴趣，因而对于培育学生的学科核心素养易产生负面效应。为突破这一教学难点，基于深度教学的特征，教师应用PhET 虚拟仿真实验技术使抽象的地理事物和现象具象化，其创设的虚拟仿真地理环境有利于学生沉浸其中，进行深度学习。

（二）实验目的

一是运用虚拟仿真实验技术，学生初步感知不同类型板块边界之间张裂或挤压的运动过程，知道板块运动变化的特点。

二是学生在操作虚拟仿真实验的过程中，深入感知板块边界之间张裂或挤压的运动现象，根据现象得出相对应的特征描述。

三是根据虚拟仿真实验的现象，学生分析板块交界处地壳的特征，归纳得出海洋和陆地处于不断运动变化之中，进而解释世界火山、地震带的分布与板块运动的关系。

（三）实验环境

实验要求在网络多媒体教室环境中进行，由教师提前将“板块构造论”的虚拟仿真实验资源发送给学生。

（四）实验流程

1.应用PhET 软件动态演示板块交界处挤压碰撞现象

问题探究：通过读图，发现在板块的交界处，有些是大陆与大陆的碰撞挤压，有些又可能是大陆与大洋的碰撞挤压。那么，在板块交界处究竟会发生怎样的现象呢？

实验步骤：

（1）打开PhET 软件中的“板块构造论”项目后，先选择“板块运动”项。

（2）在软件界面右下角选择“大陆地壳”或是“海洋地壳”。比如，想探究大陆板块和大陆板块的挤压碰撞，那就选择两个大陆板块。为了获得更多的信息，可以在“查看”栏里勾选“两者都”“显示标示”“显示海水”等，进行板块构造模拟实验，如图2 所示。

图2 板块构造模拟试验截图

（3）程序界面中的箭头代表板块运动的方向。按住箭头，板块就开始运动起来。放开箭头，板块就停止运动。这是“手动模式”。在界面左上角还可以点选切换“自动模式”，同样可以选择板块的运动方向。点击“开始”按钮，板块就开始运动了，还可以选择加速或是减速，演示两个大陆板块发生挤压碰撞的过程，如图3 所示。

图3 两个大陆板块发生挤压碰撞的过程演示

思考与讨论：是否掌握了PhET 虚拟仿真实验的使用方法？通过教师的演示，发现两块大陆板块碰撞挤压交界处究竟会发生怎样的现象呢？

设计意图：通过教师演示虚拟仿真实验，动态模拟展现大陆与大陆的碰撞挤压形成山脉的过程，使抽象的地理现象具体化，帮助学生初步观察到板块交界处发生的现象。同时，教师在操作过程中帮助学生初步掌握了软件的操作方法和观察方法，为学生下一步独立运用软件开展深度学习探究提供了支架。

2.学生运用PhET 模拟不同类型板块边界运动并完成学习单

问题探究：不同类型板块之间的碰撞挤压、张裂拉伸会产生怎样的地形变化呢？这是否说明此处地壳稳定？

实验步骤：

（1）教师出示“海陆的变迁”学习单（图4）。

图4 “海陆的变迁”学习单

（2）教师指导学生独立运用PhET 虚拟仿真实验程序开展探究活动，并根据观察到的结果“勾选”现象。通过模拟实验探究板块运动，学生很快发现，大陆板块之间发生挤压碰撞会形成山脉；大陆板块和大洋板块碰撞挤压形成山脉、海沟；大洋板块和大洋板块张裂拉伸形成海洋、大洋中脊；大陆板块和大陆板块张裂拉伸形成海洋、大洋中脊（图5）。

图5 探究板块运动

（3）根据观察到的现象，学生初步分析板块交界处地壳的稳定状况，并把结果填入学习单中。学生通过模拟真实情境，通过自己操作、观察、分析，发现不同板块交界处的地壳不稳定。

思考讨论：通过PhET 模拟不同类型板块之间的碰撞挤压、张裂拉伸现象，学生是否可以归纳出不同板块交界处往往会形成怎样的地形变化？这样的变化能否说明地壳稳定？

注意事项：学生操作PhET 虚拟仿真实验软件完成探究的过程中，教师安排学生以两人一组的形式模拟真实情境后，完成观察、分析、讨论、归纳并填表。

设计目的：在该环节，教师请学生根据学习单的指导，自主进行操作学习。运用技术模拟真实情境，激发学生在仿真情境中开展预测结果、模拟循证、假设推理、分析解释的综合探究活动，进而培养学生的综合实践能力和解决问题的能力，实现了地理学科深度学习。学生通过操作不同板块间碰撞挤压、张裂拉伸的过程，发现板块运动形成了山脉、海洋、海沟、大洋中脊等不同地形单元，从而根据现象分析出了板块与板块交界处地壳不稳定，为下一步归纳不同板块交界处多火山和地震的特点做了铺垫。

3.根据虚拟仿真实验的现象分析解释世界火山、地震带的分布与板块运动的关系

问题探究：根据地图中地震和火山的位置来判断，它们主要分布在板块的内部还是板块的交界处？能否运用板块构造学说来解释？

实验步骤：

（1）请学生打开地图册，看世界六大板块及火山地震带的图。教师请学生关注图例部分，说一说蓝色的小圆点在这张图上代表了什么（参考答案：地震点位，8 级及以上地震），红色的梯形又代表什么（参考答案：主要的活火山）。

（2）世界六大板块及火山地震带主要分布在板块的内部还是板块的交界处？（参考答案：板块的交界处）全球有两大火山地震带，它们分别是黄色的地中海—喜马拉雅火山地震带和橙色的环太平洋火山地震带。归纳得出：在板块的交界处，火山、地震活动频繁；而在板块的内部，则相对稳定。

思考讨论：2023 年2 月6 日，土耳其发生7.8 级地震，造成众多伤亡。能运用板块构造学说的知识来解释土耳其地震吗？

设计意图：在虚拟仿真实验技术支持下，学生通过深度学习，了解了板块学说理论，知道了板块交界处地壳活动较活跃。随后，教师通过案例，让学生运用他们所学的板块运动知识来分析和解决问题，再次巩固他们对板块构造学说的基本观点的理解，也为进一步说明海洋和陆地处于不断运动变化之中做了很好的铺垫，促进学生从浅层学习向深度学习转变。

四、结语

从以上的教学过程来看，在地理教学中引入PhET 虚拟仿真实验技术，突破了传统的单一教学模式，实现了技术融合教学的教学新范式。通过实验，学生有机会自己发现规律，并在模拟真实情境的互动探究中提高学习兴趣，实现从“以教为主”到“以学为主”，再到“学教互动”理念的转变，促使学生将具体感知与抽象思维相结合，获得对地理事物和现象的抽象认知，从而实现地理深度教学的目标。其独特优势主要有三点。

（一）PhET 虚拟仿真实验有利于实现抽象问题具体化

PhET 是一种动态环境，用于模拟地理概念、关系、系统或现象，使用户可以与模型进行互动。PhET 通过设计虚拟仿真实验情境，让地理事象以更加动态、真实的方式呈现给学习者。仿真实验情境能为学生提供多种认知途径与学习通道，促使学生调动不同感官，在不同维度投入沉浸式的学习过程。PhET 通过将学生难以理解的地理现象具象化，降低学生在理解抽象事物时的认知负荷，帮助学生理解相关概念，促进深度思考和学习交流。本节课中运用PhET 软件实现板块运动的具体化，通过虚拟仿真实验情境的创设让实际课堂中无法实现的板块运动过程直观地显现在学生面前，促进了学生对抽象知识的理解。

（二）PhET 虚拟仿真实验有利于提升学生学习主动性

基于初中生的认知心理特征展开教学是确保地理教学有效性的前提。教师只有先理解学生当前的认知发展规律，才能由此出发，设计出能够激发学生学习动机的教学过程。使用PhET 降低了学生理解抽象地理概念的难度，促使学生更主动地吸收、内化信息。

研究表明，通过线上教学，初中学生的信息技术能力显著提高，并更愿意利用信息技术来获取知识和信息。PhET 虚拟仿真实验创造的虚拟地理环境能够让学生沉浸其中，满足当代初中生对学习兴趣的需求。且PhET 虚拟仿真实验属于开源免费软件，学生下载后可以不受时间和地点的限制，在课前、课上、课后进行自主学习，实现主动学习，进而不断提高自身的地理思维能力。

（三）PhET 虚拟仿真实验有助于培育学生的地理实践力

通过PhET 虚拟仿真实验，可以模拟和展示地理事象的发生和发展过程。学生可以根据这些模拟展示的情境，探索地理事象背后的推动力，分析演变过程中的变化要素，并推断未来的演变趋势，实现“认知—实践—深化认知”这一完整的地理实践过程。在本次教学中，教师利用PhET 虚拟仿真实验技术，模拟再现了喜马拉雅山脉逐渐隆升的海陆变迁过程。通过这种教学方式，原先较为复杂的地球动态演化的原理、过程能为学生轻松、清晰地理解，他们也更能够认识到这背后的本质。同时，他们也能知晓地理环境与人类活动之间的相互作用，进而能够培养尊重自然、追求人与地球和谐共生的观念，能正确认知人与自然的关系。

综上所述，可以发现虚拟仿真实验有两大关键特征：一是生动的沉浸感；二是强大的交互性。

虚拟仿真实验有助于打造出栩栩如生的教学场景，打破了原先地理教学存在的空间隔阂感。对于教师而言，教学的难度与复杂性也在一定程度上降低了。学生在接近真实的环境里，更容易发展出地理实践力。这种创新的教学方法鼓励学生积极参与地理学习活动，更加紧密地融入教育数字化转型的潮流，从而满足培育学生学科核心素养的迫切需求。当然我们也清晰地认识到，虽然虚拟仿真实验程序对于开展学科深度教学具有一定的优势，但也存在一些不足，如学科资源较少，虚拟仿真实验情境创设也会减弱部分学生的学习专注力，等等。因此，教师应该充分利用虚拟仿真实验，扬长避短，将虚拟实验技术与实践教学资源相结合，实现教学优势最大化，从而真正凸显“用技术学习”的教学理念，帮助学生更深入地理解和应用地理知识，培养他们的实践能力和问题解决能力，实现多元学习路径和方式育人，提升学生的创新思维和深度学习的能力。