小學(xué)高年級(jí)科學(xué)課中仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用研究

韓玉芳

摘要：仿真模擬軟件是科學(xué)教育教學(xué)中使用最廣泛、最能發(fā)揮計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)的教育性軟件。PhET互動(dòng)式仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件因其開(kāi)源性好、直觀性強(qiáng)、仿真性高和互動(dòng)性佳的優(yōu)點(diǎn)，很適合于小學(xué)高年級(jí)科學(xué)課。本文將從仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件的優(yōu)點(diǎn)及弊端、其在小學(xué)高年級(jí)科學(xué)教學(xué)案例中的應(yīng)用等方面來(lái)進(jìn)行具體分析。

關(guān)鍵詞：PhET；仿真模擬軟件；應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）06-0051-03

仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件在小學(xué)科學(xué)教育教學(xué)中的意義

根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的要求，我們需要加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)科之間的整合教學(xué)，引進(jìn)先進(jìn)的教育資源。小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也指出，“要引導(dǎo)學(xué)生利用廣泛存在于學(xué)校、家庭、社會(huì)、大自然、網(wǎng)絡(luò)和各種媒體中的多種資源進(jìn)行科學(xué)的學(xué)習(xí)，將學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)置于廣闊的背景之中”。因此，我們應(yīng)很好地開(kāi)發(fā)和利用仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件這一教學(xué)資源，利用其對(duì)參與者生成視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等各種感官信息，帶給參與者身臨其境的感覺(jué)，以彌補(bǔ)實(shí)際教學(xué)中的缺憾。

仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件的優(yōu)點(diǎn)及弊端

①壓縮和放大時(shí)間。仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件的壓縮與放慢功能對(duì)學(xué)生進(jìn)一步理解科學(xué)知識(shí)是十分有益的，能將科學(xué)課從實(shí)驗(yàn)室移到計(jì)算機(jī)室，實(shí)現(xiàn)課程的整合，同時(shí)學(xué)生可以控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，能隨時(shí)重復(fù)、放慢（加快）某一環(huán)節(jié)，這就給了小學(xué)生無(wú)意犯錯(cuò)卻能“改正錯(cuò)誤”的機(jī)會(huì)，這在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

②變不可能為可能。仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件能把課堂上一些不太可能或根本不可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)課堂。學(xué)生根據(jù)軟件中預(yù)先設(shè)計(jì)好的問(wèn)題以及對(duì)下一步驟的提示做出選擇，有了更多自主選擇的權(quán)利和機(jī)會(huì)，進(jìn)而設(shè)計(jì)或選擇跟別的小組不一樣的實(shí)驗(yàn)方法，這樣學(xué)生不單單是信息的接受者，更是科學(xué)實(shí)驗(yàn)積極的參與者。

③提高學(xué)生的綜合能力。由于學(xué)生天性喜歡玩游戲，而仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件能設(shè)計(jì)出好多種有趣的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生邊玩邊學(xué)。學(xué)生思維活躍了，解決問(wèn)題的能力就提高了，真正將學(xué)習(xí)從“讓我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

④開(kāi)源性好、直觀性強(qiáng)、仿真性高、互動(dòng)性佳、危險(xiǎn)系數(shù)低。本軟件資源僅需要下載一個(gè)Java程序即可，免費(fèi)使用，網(wǎng)站首頁(yè)提供了小學(xué)、中學(xué)常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)代碼，下載的文件小，便于儲(chǔ)存，如果還想深入了解可以選擇初中版本來(lái)加深認(rèn)識(shí)，拓寬視野。直觀性表現(xiàn)在該軟件采用圖畫(huà)、表格、動(dòng)畫(huà)等形式來(lái)呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，還設(shè)計(jì)了提示語(yǔ)操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、操作指南等，既有助于學(xué)生自學(xué)，也有助于教師指導(dǎo)。該軟件模式提供了近乎真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，有仿真的實(shí)驗(yàn)器材、測(cè)量工具等，當(dāng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)改變時(shí)，它會(huì)發(fā)生精確的實(shí)驗(yàn)變化，產(chǎn)生近乎真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果?；?dòng)性佳表現(xiàn)為該軟件提供了更多師生互動(dòng)的機(jī)會(huì)，學(xué)生可以人人參與演示實(shí)驗(yàn)，教師也無(wú)須巡回指導(dǎo)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)難以掌控學(xué)生紀(jì)律這一難題。危險(xiǎn)系數(shù)低體現(xiàn)在有些實(shí)驗(yàn)器材是比較危險(xiǎn)的、易碎的，威脅到學(xué)生安全，而現(xiàn)在用仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件就不會(huì)出現(xiàn)這種情況了。學(xué)生會(huì)把注意力集中在新知識(shí)的獲取上，在協(xié)同的學(xué)習(xí)環(huán)境中接收新信息、新知識(shí)。

該軟件不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，更能促進(jìn)其對(duì)抽象知識(shí)的理解、內(nèi)化和應(yīng)用，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下良好的基礎(chǔ)。但需要注意的是：現(xiàn)代教育技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中只能恰當(dāng)使用，不可濫用，尤其對(duì)于小學(xué)科學(xué)課來(lái)說(shuō)，能親歷科學(xué)探究過(guò)程獲取第一手資料的，就不能用信息技術(shù)代替動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)，而只能將其作為補(bǔ)充，用在實(shí)驗(yàn)前后幫助學(xué)生預(yù)習(xí)或加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件在小學(xué)高年級(jí)科學(xué)教學(xué)案例中的應(yīng)用

案例一：PhET的《能量的形式和轉(zhuǎn)換》仿真實(shí)驗(yàn)可以將能量的多種形式直觀、形象地呈現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)觀察能量的形式，如動(dòng)能、機(jī)械能、太陽(yáng)能、熱能等之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而認(rèn)識(shí)能量的不同形式及其產(chǎn)生的效果。既可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整速度、云層的多少、火焰的大小及改變加熱或冷卻條件明顯看到水壺中蒸汽產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后轉(zhuǎn)換為電能，接著轉(zhuǎn)換為熱能，最后帶動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使水溫急速升高（如圖1），還可以加入能量符號(hào)更加清楚地看到能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，使抽象的概念清晰化，便于學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)（如圖2）。該實(shí)驗(yàn)同時(shí)作用于學(xué)生的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)，使其能直觀、清晰地看到能量轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程，其帶來(lái)的教育效果是傳統(tǒng)教學(xué)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，除了教師演示該實(shí)驗(yàn)外，學(xué)生也可以人手一臺(tái)電腦，自己進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，這樣學(xué)生的主動(dòng)性增強(qiáng)了，學(xué)習(xí)興趣濃厚了，學(xué)生變得愛(ài)學(xué)、樂(lè)學(xué)，學(xué)習(xí)效果自然也就提高了。

案例二：PhET的《斜坡的啟示》仿真實(shí)驗(yàn)，提供了“利用斜面可以省力”和“斜面角度大小不同與所需拉力不同”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以選擇不同的研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖3），不僅選材比課本豐富有趣，還能節(jié)約搭建斜坡的時(shí)間，進(jìn)行多次練習(xí)。在教學(xué)中，教師需要根據(jù)學(xué)生情況、學(xué)習(xí)活動(dòng)的特色選取軟件中相應(yīng)的功能。學(xué)生可以自己動(dòng)手探究，將坡度大小不同的斜面進(jìn)行比較，使得實(shí)驗(yàn)更具科學(xué)性、準(zhǔn)備性、直觀性、可比性，大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率。斜面的坡度大小與所需拉力之間的關(guān)系是本課探究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，以往的教學(xué)是讓學(xué)生利用木板、小車、測(cè)力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，為節(jié)約時(shí)間只能采取小組合作的方式。而利用仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件，學(xué)生可以自己在計(jì)算機(jī)上動(dòng)手操作，直觀、形象地看到坡度大小不同的斜面所需要的力是不同的（如圖4）。這樣學(xué)生學(xué)得輕松，樂(lè)于將科學(xué)課與信息技術(shù)操作課放在一起來(lái)上，無(wú)形中整合了各學(xué)科知識(shí)。

案例三：《七色光》的實(shí)驗(yàn)屬較難開(kāi)展的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，其重點(diǎn)是光的分散與混合，需要在暗室里進(jìn)行。教師可以先下載互動(dòng)式模擬實(shí)驗(yàn)文件，然后在課上簡(jiǎn)明地講解文件的使用方法、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)要求，最后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。

①學(xué)生獨(dú)自操作計(jì)算機(jī)進(jìn)行“三原色混合”實(shí)驗(yàn)。設(shè)置紅色光、綠色光、藍(lán)色光兩兩混合，然后觀察圖5中的人能看到什么光，并及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，完成探究單的第一部分——色光的混合。

②認(rèn)識(shí)濾光的實(shí)驗(yàn)：一束白光通過(guò)有色的透明物體，也就是濾光片，我們的眼睛會(huì)看到什么（如圖6）？大家觀察仿真模擬實(shí)驗(yàn)中的“濾光片作用”，并及時(shí)地把發(fā)現(xiàn)用相應(yīng)的水彩筆記錄在探究單的第二部分——白光通過(guò)濾光片。

③學(xué)生獨(dú)立操作計(jì)算機(jī)進(jìn)行“濾光片作用”實(shí)驗(yàn)并記錄各自的發(fā)現(xiàn)。同一種濾光片，分別透過(guò)不同色的光，會(huì)有什么樣的發(fā)現(xiàn)（如圖7）？不同色的濾光片，透過(guò)同一種色光，又有什么發(fā)現(xiàn)？這樣，學(xué)生能在啟發(fā)思考的環(huán)境下愉快地研究光的奇妙現(xiàn)象。

仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)用帶來(lái)的啟示

仿真模擬實(shí)驗(yàn)沒(méi)有普通意義上的實(shí)驗(yàn)器材，而是在計(jì)算機(jī)上用仿真軟件模擬現(xiàn)實(shí)的效果。它不僅避免了器材需求量大甚至缺乏的問(wèn)題，還可以保存仿真模擬實(shí)驗(yàn)源代碼，讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)帶回家繼續(xù)研究，或選擇其他物品進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣學(xué)生的興趣高漲了，積極性增強(qiáng)了，更加喜歡科學(xué)課了。

但是，對(duì)于小學(xué)科學(xué)課來(lái)說(shuō)，學(xué)生親歷探究過(guò)程、獲取第一手經(jīng)驗(yàn)是極為重要的，即使模擬實(shí)驗(yàn)有很多優(yōu)點(diǎn)，也不能用它完全代替學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閷W(xué)生在動(dòng)手的過(guò)程中不僅能學(xué)到知識(shí)、建構(gòu)概念，還能體驗(yàn)小組合作的快樂(lè)，收獲成功與失敗的情感體驗(yàn)，這些都是虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法給予的。

其實(shí)，仿真模擬實(shí)驗(yàn)的軟件與教學(xué)課件沒(méi)有絕對(duì)的界線。一般情況下，仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件都是圖形、圖像化的，像是真實(shí)世界與抽象知識(shí)之間的一種“模型”。在科學(xué)課中，仿真模擬實(shí)驗(yàn)也經(jīng)常與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)合到一起，相互配合，以達(dá)到更好的效果。在具體應(yīng)用中，既有在計(jì)算機(jī)教室里由學(xué)生操作的、以仿真為主的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，也有在科學(xué)課教室里由教師操作的演示型仿真實(shí)驗(yàn)。因此，我們應(yīng)將仿真模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，讓學(xué)生既有動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，也有借助計(jì)算機(jī)虛擬軟件益智的活動(dòng)課，從而提高小學(xué)科學(xué)課質(zhì)量。

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