借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件探究能的轉(zhuǎn)化

李冬 上海市曹楊二中附屬學(xué)校副校長(zhǎng)，中學(xué)高級(jí)教師，教育學(xué)碩士，園丁獎(jiǎng)獲得者，優(yōu)秀科技教師，上海市地震局信息中心科普課程開(kāi)發(fā)專家顧問(wèn)，華東師范大學(xué)開(kāi)放教育學(xué)院全國(guó)中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程培訓(xùn)系列課程主講教師，聯(lián)合國(guó)教科文組織中國(guó)可持續(xù)發(fā)展教育項(xiàng)目云南省工作委員會(huì)專家。

教學(xué)背景

四年級(jí)學(xué)生已經(jīng)初步具備了獨(dú)立探索實(shí)驗(yàn)的能力，對(duì)電與能量有一定的了解。在牛津版自然學(xué)科教材四年級(jí)下冊(cè)第四單元“能量”的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生初步認(rèn)識(shí)了能量的形式，知道了生活中所有的事情都需要能量。在本節(jié)課中，學(xué)生將通過(guò)探究活動(dòng)認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)生活中火力發(fā)電廠產(chǎn)生電能的過(guò)程及其中能量的轉(zhuǎn)化形式。

生活中我們都接觸過(guò)各種形式的能，但能量具體是怎么轉(zhuǎn)化的，對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，不好理解。學(xué)生理解不到位，教學(xué)效果自然不好。本課中筆者借助PhET虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)芰康霓D(zhuǎn)化。從中，學(xué)生了解了產(chǎn)生電能的幾種方法，還學(xué)習(xí)了不同情境中產(chǎn)生的能的轉(zhuǎn)化，意識(shí)到能在轉(zhuǎn)化過(guò)程中有損失，對(duì)能的轉(zhuǎn)化和能量損失感受更直觀，同時(shí)增強(qiáng)了節(jié)電節(jié)能意識(shí)。

教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)“能的轉(zhuǎn)化”活動(dòng)，知道能的轉(zhuǎn)化是能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，知道火力發(fā)電廠發(fā)電的基本過(guò)程，說(shuō)出發(fā)電過(guò)程中存在的能的轉(zhuǎn)化，提高探究合作的能力。

2.通過(guò)“能量損失”活動(dòng)，知道能在轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)有損失，提高觀察探究的能力，養(yǎng)成節(jié)電意識(shí)。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 知道能的轉(zhuǎn)化是能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。

教學(xué)難點(diǎn) 通過(guò)探究體會(huì)到能量之間是會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化的;通過(guò)探究認(rèn)識(shí)到能在轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在損失。

教學(xué)資源

學(xué)生2人一組，每組配備1臺(tái)裝有PhET虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的平板，火力發(fā)電廠發(fā)電基本過(guò)程的閱讀資料人手1份。

教學(xué)過(guò)程

一、教學(xué)引入

教師出示食物、跑步、燈、燒水等圖片，帶領(lǐng)學(xué)生回顧常見(jiàn)的能量形式。

教師提問(wèn)：圖片中哪些能？這些不同形式的能量之間有什么聯(lián)系？

學(xué)生思考、討論交流。

教師適時(shí)引入課題：能的轉(zhuǎn)化。

二、能的轉(zhuǎn)化探究

教師借助PhET虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件演示蒸汽發(fā)電的過(guò)程，如圖1。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，交流討論蒸汽發(fā)電過(guò)程中能的轉(zhuǎn)化，并填寫實(shí)驗(yàn)記錄表1。

師：除了蒸汽發(fā)電，生活中我們常見(jiàn)的太陽(yáng)能、風(fēng)力等都可以發(fā)電。

教師借助PhET虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件演示太陽(yáng)能電板發(fā)電的過(guò)程，如圖2。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，填寫實(shí)驗(yàn)記錄表1，并交流討論電能可由哪些形式轉(zhuǎn)化而來(lái)。

教師小結(jié)：機(jī)械能、光能、化學(xué)能都能產(chǎn)生電能。能的轉(zhuǎn)化是能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。

學(xué)生閱讀火力發(fā)電廠發(fā)電基本過(guò)程的資料，如圖3。教師引導(dǎo)學(xué)生探究火力發(fā)電過(guò)程中能的轉(zhuǎn)化，邀請(qǐng)學(xué)生運(yùn)用能的轉(zhuǎn)化的知識(shí)說(shuō)一說(shuō)化石燃料是如何變?yōu)殡娔艿摹?/p>

三、探究能在轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損失

師：電能通過(guò)電扇、白熾燈、節(jié)能燈、電水壺可以轉(zhuǎn)化為哪些能量？

學(xué)生運(yùn)用PhET虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行探究：選擇蒸汽發(fā)電，點(diǎn)擊右上角的能量符號(hào)，再點(diǎn)擊右下方圖標(biāo)，切換用電器，如圖4;觀察不同用電器下電能的轉(zhuǎn)化，并將其記錄在實(shí)驗(yàn)記錄表2中。

師：電能通過(guò)用電器究竟能轉(zhuǎn)化為哪些能量？真實(shí)情況是否和大家想的一樣？我們?cè)儆^察一下PhET軟件的右半邊，如圖5，看看電能通過(guò)這些用電器究竟能轉(zhuǎn)化為哪些能量。

通過(guò)進(jìn)一步探究，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)在能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在能量損失。

教師小結(jié)：在能量轉(zhuǎn)化時(shí)，總有一部分能量會(huì)被損失掉。因此我們?cè)谏钪幸冀K堅(jiān)持綠色生活，選擇電器時(shí)盡量選擇能耗低的，避免能量損失，比如家中可使用節(jié)能燈，及時(shí)拔掉或關(guān)掉電器電源插頭……

四、課后拓展

師：為什么要將化石燃料變成電能后再被人們利用？大家想一想，課后查閱資料，驗(yàn)證自己的猜想。

教學(xué)反思

互動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)程序能激勵(lì)學(xué)生在直觀的、游戲化的環(huán)境中進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。筆者大膽運(yùn)用PhET這個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，將其應(yīng)用在小學(xué)自然學(xué)科教學(xué)中，通過(guò)軟件的互動(dòng)性激發(fā)學(xué)生探究熱情，讓技術(shù)賦能這一理念在學(xué)科教學(xué)中得到極大的提升?！澳艿霓D(zhuǎn)換”一課的教學(xué)難點(diǎn)是如何在教學(xué)中讓學(xué)生知道不同能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)有損失，而這一教學(xué)內(nèi)容恰恰與PhET虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件中“能量的形式與轉(zhuǎn)換”內(nèi)容相若。因此在本課的教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者將PhET糅合進(jìn)教學(xué)過(guò)程，嘗試幫助學(xué)生提升知識(shí)探究的效率，做到了以下兩點(diǎn)。

1.任務(wù)指向明確，強(qiáng)化思維培育

PhET圍繞電能的產(chǎn)生這一主題，模擬建立了一個(gè)完整的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括能源、轉(zhuǎn)換裝置和負(fù)荷，讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中探究追蹤并發(fā)現(xiàn)能量如何流動(dòng)及改變，進(jìn)而通過(guò)觀察、比較等方法歸納并總結(jié)科學(xué)知識(shí)。在此過(guò)程中教師并不需要明確告訴學(xué)生具體步驟，一切都需要學(xué)生自行調(diào)查、理解、推理，進(jìn)而形成結(jié)論，學(xué)生的科學(xué)探究思維得到了鍛煉。因此，教師的授課已經(jīng)由簡(jiǎn)單的知識(shí)傳遞轉(zhuǎn)化成了對(duì)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)方法和科學(xué)知識(shí)等綜合能力的培育，有效地提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.教學(xué)環(huán)境直觀，聚焦學(xué)生注意力

在能量損失這一環(huán)節(jié)的教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件直觀闡釋了能量轉(zhuǎn)化中存在損耗這一知識(shí)。正是由于它的可視化與直觀性，教師只需提供適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，就可以幫助學(xué)生集中注意力，同時(shí)也巧妙地抑制了學(xué)生過(guò)于發(fā)散的思維，從而避免學(xué)生在關(guān)鍵知識(shí)的把握上走彎路。

當(dāng)然并不是所有的虛擬實(shí)驗(yàn)都可以被運(yùn)用在教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件適用于枯燥且抽象的科學(xué)概念和規(guī)律的演繹教學(xué)、長(zhǎng)周期的觀察實(shí)驗(yàn)、煩瑣并有一定重復(fù)率的操作實(shí)驗(yàn)以及具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)軟件等教學(xué)內(nèi)容。另外，我們必須深刻地認(rèn)識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)軟件只是一種互動(dòng)學(xué)習(xí)的輔助工具，它必定會(huì)受到課程知識(shí)、學(xué)習(xí)者、執(zhí)教者個(gè)體差異的影響。為此還需我們?cè)谡n堂中不斷深入實(shí)踐，形成更多的課程案例，從而充分發(fā)揮它應(yīng)有的教育教學(xué)效果。