基于PhET的初中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“平衡探究實(shí)驗(yàn)”為例

黃春梅，葉曉波

(楚雄師范學(xué)院 國有資產(chǎn)與信息化管理處，云南 楚雄 675000)

生活中處處充滿著物理現(xiàn)象，如力、光、熱、電，這些物理現(xiàn)象大多數(shù)都可以用中學(xué)物理知識來解釋，與生活密切相關(guān)的知識本可以激起學(xué)生對物理的興趣[1]，但現(xiàn)實(shí)物理教學(xué)中，只是讓學(xué)生死記概念、公式或者原理，從而導(dǎo)致學(xué)生對物理學(xué)習(xí)沒有興趣。如何才能讓學(xué)生對物理產(chǎn)生興趣，甚至愛上物理，是教育者不斷研究和思考的課題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物理教學(xué)中PhET隨之誕生，目前已有很多PhET仿真程序，如何利用已有PhET程序來提高物理教學(xué)效果是物理教師關(guān)注的熱點(diǎn)。

一、傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)與不足

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門課程，每本教材中都會安排幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，每章后也會有小實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課程中重要的一環(huán)，它不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動手操作能力以及實(shí)踐能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的精神。而且很多物理公式、規(guī)律都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)歸納出來的。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作步驟簡單，教材中每個(gè)實(shí)驗(yàn)都會有具體的操作步驟，只要按照步驟進(jìn)行，任何人都可以操作，都可以探究發(fā)現(xiàn)此前科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，從而更能激起學(xué)生探索物理科學(xué)的興趣。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

一方面物理實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備都是比較精密貴重的，稍不小心就可能被損壞；一套物理設(shè)備動輒幾十萬，所以這些設(shè)備更新?lián)Q代極其慢。另一方面在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)時(shí)，常會用到電、火等危險(xiǎn)物品，稍不小心就可能釀成大禍；做實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般要進(jìn)行分組合作完成，但學(xué)生學(xué)習(xí)水平、動手操作能力具有差異性，有些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中東瞧瞧西摸摸，不但對自己小組毫無幫助，還盡搗亂，拖小組后腿，這樣就很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)而影響整節(jié)課的進(jìn)度。

二、關(guān)于PhET

PhET是Physics Education Technology的簡稱，譯為物理教育技術(shù)。是卡爾·威曼2002年在科羅拉多大學(xué)制作、運(yùn)行的，旨在通過自由互動仿真程序，在世界范圍內(nèi)提高人們的科學(xué)教學(xué)素養(yǎng)[2]。

PhET網(wǎng)站(https://phet.colorado.edu[3])上已有很多互動仿真程序，而且這些仿真程序?qū)θ澜玳_放，可以免費(fèi)下載學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)。

隨著各學(xué)科PhET仿真程序的快速增加，PhET受到越來越多的研究人員和教師的青睞。目前，這些模擬仿真實(shí)驗(yàn)已涉及到生物、化學(xué)、地球科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科，供全世界研究人員、愛好者、教師和學(xué)生免費(fèi)使用。

早期開發(fā)PhET仿真程序主要利用Java和Flash技術(shù)，用這兩項(xiàng)技術(shù)所開發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)與很多平臺不兼容，不同的平臺需要不同的技術(shù)來支持，對于不懂技術(shù)的教師和學(xué)生來說，要用這些仿真程序有點(diǎn)兒困難。

2013年，PhET開始使用HTML5技術(shù)來開發(fā)仿真程序。用HTML5開發(fā)設(shè)計(jì)的程序可以跨平臺無縫對接，無論是windows xp、win7、win8、win10，甚至LINUX系統(tǒng)、Unix系統(tǒng)，只要安裝有瀏覽器，仿真程序就可以運(yùn)行了。

三、PhET的教學(xué)準(zhǔn)備：“平衡探究實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)分析

以下就“平衡探究實(shí)驗(yàn)”仿真軟件進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)分析，而教學(xué)設(shè)計(jì)需要考慮六個(gè)具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的復(fù)雜因素和環(huán)節(jié)[4—5]。

1.學(xué)習(xí)需求分析

學(xué)習(xí)需求主要是學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識前所具備的已有知識和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。在學(xué)習(xí)本節(jié)課前，一方面，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了力學(xué)中的一些基本概念和定律，并能將這些力學(xué)知識用于解釋生活中的一些問題。而杠桿是力學(xué)知識的進(jìn)一步拓展和應(yīng)用，因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，已經(jīng)具備了相關(guān)的知識基礎(chǔ)。另一方面，學(xué)生在生活中所用到的剪刀、鉗子、天平、蹺蹺板等，都具有杠桿的特性，講解起來更容易被接受，也更容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“杠桿”[6]是人教版八年級下冊第12章“簡單機(jī)械”中第1節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。在PhET網(wǎng)站中，“平衡探究實(shí)驗(yàn)”正好就是講解杠桿的相關(guān)知識。所以，在講解“杠桿”這節(jié)內(nèi)容時(shí)，可以利用“平衡探究實(shí)驗(yàn)”來講解。教學(xué)內(nèi)容有：杠桿的概念、杠桿的相關(guān)名詞術(shù)語、動力臂和阻力臂的畫法、杠桿的平衡條件。教學(xué)重點(diǎn)是杠桿平衡條件的理解，以及利用平衡條件解決問題。教學(xué)難點(diǎn)是通過仿真實(shí)驗(yàn)推理出杠桿的平衡條件。

3.學(xué)習(xí)者分析

在學(xué)習(xí)本課前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過三種性質(zhì)的力，已掌握了相關(guān)的知識，為本節(jié)學(xué)習(xí)做好了準(zhǔn)備。本節(jié)課的學(xué)習(xí)者是初二學(xué)生，該階段學(xué)生的思維處于具體思維向抽象過渡階段，抽象思維能力不強(qiáng)，還需要借助具體事物進(jìn)行理解。初二學(xué)生容易接受新生事物，喜歡挑戰(zhàn)，不喜歡全程“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)模式，因此，在講解杠桿的內(nèi)容時(shí)，讓學(xué)生自己動手操作和在PhET中通過愉快的游戲來學(xué)習(xí)各知識點(diǎn)，更能訓(xùn)練學(xué)生的動手操作能力和歸納推理能力。

4.學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

知識與技能目標(biāo)：理解杠桿定義，能從日常工具中辨認(rèn)出杠桿部分；理解杠桿相關(guān)的名詞術(shù)語：支點(diǎn)、動力、阻力、動力臂、阻力臂等概念，并能繪制力臂，理解杠桿的平衡條件。

過程與方法目標(biāo)：通過操作仿真實(shí)驗(yàn)，感知杠桿；在操作過程中，進(jìn)一步理解杠桿的支點(diǎn)、動力、阻力、動力臂、阻力臂的概念和平衡條件。

情感目標(biāo)：讓學(xué)生感受到杠桿在生活中有著重要的作用，樂于發(fā)現(xiàn)和分析生活中的杠桿，培養(yǎng)對物理的興趣；在操作仿真實(shí)驗(yàn)過程中，讓學(xué)生體驗(yàn)物理科學(xué)的魅力；培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真觀察、推理能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

5.教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

在本節(jié)課中，主要使用仿真程序?qū)嶒?yàn)法、歸納法、討論法、講授法等。仿真實(shí)驗(yàn)法主要是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，歸納法用于歸納總結(jié)出杠桿的平衡條件，討論法和講授法穿插在整個(gè)教學(xué)過程中。

6.教學(xué)媒體的選擇

本節(jié)課所需要的教學(xué)媒體主要是多媒體計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)在線聯(lián)接或者下載仿真實(shí)驗(yàn)程序到終端計(jì)算機(jī)上供學(xué)生使用。

四、PhET的教學(xué)應(yīng)用：“平衡探究實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)過程(1節(jié)課45分鐘)

通過教學(xué)設(shè)計(jì)分析，研究者在楚雄市隨機(jī)選擇了5所初級中學(xué)，并從中隨機(jī)選出10名初中物理教師在課堂上利用仿真實(shí)驗(yàn)“平衡探究實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。所有教師在實(shí)施教學(xué)過程中都驚喜地發(fā)現(xiàn)：這種仿真實(shí)驗(yàn)不但解決了在實(shí)驗(yàn)室可能會遇到的各種意外情況，而且更能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，特別是游戲階段，每個(gè)學(xué)生都積極主動地操作并記錄、思考。

結(jié)合課堂中所觀察到的教學(xué)情境，整理出“平衡探究實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)過程(1課時(shí))，如表1所示。

五、反思與展望

上述教學(xué)設(shè)計(jì)分析及利用“平衡探究實(shí)驗(yàn)”學(xué)習(xí)“杠桿”知識的整個(gè)教學(xué)過程可以看出：PhET仿真程序能使教學(xué)寓教于樂、寓學(xué)于樂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而提高教學(xué)效果，這也是PhET在全世界受到各學(xué)科教師青睞的原因。但在應(yīng)用PhET時(shí)，還需要注意以下三點(diǎn)：

1.不是所有的知識點(diǎn)都適合PhET教學(xué)

其一，PhET網(wǎng)站中所提供的仿真程序已涉及到很多學(xué)科，如生物、化學(xué)、地球科學(xué)、數(shù)學(xué)，包含了小學(xué)、初中、高中、大學(xué)的課程，截至2019年8月9日共有仿真程序149個(gè)，但物理仿真程序只有幾十個(gè)，而初中物理知識點(diǎn)上百個(gè)，顯然PhET網(wǎng)站中仿真程序并沒有包含所有的知識點(diǎn)。其二，物理課程中有很多定律、公式、法則等理論知識的介紹，這些知識只需要教師推理和講解，學(xué)生跟著教師的思路學(xué)習(xí)就可以理解的，因而不需要借助仿真實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然也就不需要借助PhET來教學(xué)。

表1 教學(xué)過程

2.教師機(jī)要有可以監(jiān)控學(xué)生電腦的電子教室等軟件

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室中，每臺電腦都可以上網(wǎng)，理想狀態(tài)是所有學(xué)生都會好好地操作仿真程序。但每個(gè)班總有些學(xué)生不能專注于實(shí)驗(yàn)，常常趁老師不注意時(shí)做其他事情，如在線聊天、看影視劇等，僅靠教師在教室里走動去督促學(xué)生學(xué)習(xí)會很困難。如果教師機(jī)上安裝可以監(jiān)控學(xué)生機(jī)的軟件，所有學(xué)生機(jī)會自動連接到教師機(jī)，教師坐在電腦前就可以知道學(xué)生是否在認(rèn)真操作仿真程序，而且可以查看每個(gè)人的學(xué)習(xí)速度和進(jìn)度，對操作不當(dāng)?shù)膶W(xué)生，可以進(jìn)行一對一的指導(dǎo)與幫助。

3.教師需要有終身學(xué)習(xí)的理念

運(yùn)用PhET進(jìn)行教學(xué)，首先需要了解PhET是什么，PhET適合哪些課程哪些知識點(diǎn)，運(yùn)用PhET教學(xué)時(shí)應(yīng)如何設(shè)計(jì)教學(xué)方案，是否能控制課堂教學(xué)進(jìn)度，是否能夠提高學(xué)習(xí)效率等。這就需要教師樹立終身學(xué)習(xí)的理念，不斷學(xué)習(xí)、汲取新知識、掌握新技術(shù)，提高對課堂的宏觀掌控能力，而且需要教師熟練掌握所教課程及各種教學(xué)方法，將所學(xué)知識及技能運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐，提高教學(xué)效果。

總之，將PhET運(yùn)用于“平衡探究實(shí)驗(yàn)”中學(xué)習(xí)“杠桿”知識，可以提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在物理教學(xué)中，通過仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)規(guī)律，更能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因而，在物理教學(xué)中，要充分利用PhET網(wǎng)站中所提供的仿真程序不斷提高教學(xué)效果。