PhET 平臺(tái)在《大學(xué)物理》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

曾紅麗，郭艷東，楊志紅

（1.南京郵電大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京；2.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京）

一 引言

學(xué)習(xí)，本質(zhì)上是教師有意識地引導(dǎo)學(xué)生與其他學(xué)習(xí)資源進(jìn)行互動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)。而教育過程，尤其是物理教學(xué)，必須具有互動(dòng)性、啟發(fā)性、趣味性、挑戰(zhàn)性及綜合性，才能夠激發(fā)學(xué)生積極參與，為學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)展提供充足空間。而在當(dāng)前大部分教學(xué)模式中，學(xué)生只是通過教師口頭傳輸知識，在沒有親身體驗(yàn)的情況下，被動(dòng)接收抽象知識?；诖?，本文主要著眼于如何利用“技術(shù)教學(xué)”，增加授課的趣味性和互動(dòng)性，探討大型線上互動(dòng)仿真教學(xué)平臺(tái)PhET（物理教育技術(shù)）在《大學(xué)物理》課程授課中能夠產(chǎn)生的作用和影響，同時(shí)討論在課堂教學(xué)中采用該平臺(tái)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

二 PhET 簡介

PhET 平臺(tái)源于2002 年諾貝爾獎(jiǎng)得主、美國克羅拉多州立大學(xué)的Carl Wieman 教授所發(fā)起的“Physical Education Technology（PhET）”互動(dòng)式主體教學(xué)項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上逐漸開發(fā)出PhET 互動(dòng)式仿真平臺(tái)[1]（http://phet.colorado.edu），是一款精心制作和經(jīng)過反復(fù)測試的免費(fèi)仿真平臺(tái)。隨著時(shí)間推移，PhET 平臺(tái)不僅包含對物理現(xiàn)象的模擬，還涉及對化學(xué)、生物、地理以及數(shù)學(xué)等眾多科目中不同知識點(diǎn)的展示。就物理教育而言，PhET 平臺(tái)提供了很多生動(dòng)有趣、互動(dòng)的、研究型的物理現(xiàn)象的模擬程序，并根據(jù)科學(xué)規(guī)律制定并不斷調(diào)整。能夠讓學(xué)生在現(xiàn)象（源于真實(shí)生活）和本質(zhì)（潛在的科學(xué)）之間建立聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行虛擬在線學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對事物本質(zhì)的理解和欣賞。目前，PhET 互動(dòng)式仿真平臺(tái)上已有數(shù)百個(gè)相關(guān)物理知識點(diǎn)的仿真，根據(jù)教學(xué)階段的不同，平臺(tái)可以同時(shí)適用于小學(xué)至大學(xué)階段的教學(xué)。

已有研究表明，PhET 平臺(tái)能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。Chotimah 等人在[2]中，以期刊正式發(fā)表的10 篇文章作為樣本，利用元分析法計(jì)算了統(tǒng)計(jì)效應(yīng)量值，并給出定量研究結(jié)果，指出PhET 交互式仿真平臺(tái)可以將學(xué)生的學(xué)習(xí)成績提高32.73%。元分析是一種用于總結(jié)多項(xiàng)研究結(jié)果的技術(shù)方法，目的是結(jié)合、回顧和總結(jié)先前的研究。Rustana 等人[3]發(fā)現(xiàn)，在氣體動(dòng)力學(xué)理論的學(xué)習(xí)中，使用實(shí)驗(yàn)室套裝的實(shí)驗(yàn)課與使用PhET 交互式仿真平臺(tái)的學(xué)生，其學(xué)習(xí)成績存在差異。使用PhET 的測試成績高于使用實(shí)驗(yàn)室套裝的測試成績。同時(shí)，PhET 可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，方便學(xué)生很好地收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而線下實(shí)驗(yàn)課中，部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集過程中存在問題。實(shí)驗(yàn)過程中的不準(zhǔn)確導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集失敗，使學(xué)生無法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出正確的結(jié)論，從而對動(dòng)能氣體理論的概念產(chǎn)生誤解。

基于PhET 平臺(tái)的教學(xué)研究引起了教學(xué)工作者的廣泛關(guān)注[4-7]。而PhET 平臺(tái)的優(yōu)勢在于，不同的學(xué)習(xí)受眾均能根據(jù)自己的理解能力選擇合適的操作界面，可以說“有求必應(yīng)，各取所需”。在[4]中，作者探究了該平臺(tái)在中小學(xué)科學(xué)課中的應(yīng)用。作者認(rèn)為對于中小學(xué)生而言，科學(xué)課是一門“以探究為核心”的科學(xué)啟蒙課程，倡導(dǎo)學(xué)生通過動(dòng)手操作來認(rèn)知世界，但由于條件限制，很多動(dòng)手實(shí)驗(yàn)難以完成或者根本無法進(jìn)行。而PhET 平臺(tái)卻能既生動(dòng)又形象地對許多實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，方便學(xué)生理解。而在文獻(xiàn)[5]中，作者以高中物理教學(xué)中的“拋體運(yùn)動(dòng)”為例，詳細(xì)介紹了基于PhET 平臺(tái)的教學(xué)設(shè)計(jì)。平臺(tái)提供的游戲情境是“從大炮里爆出別克！”有趣的游戲設(shè)置有利于激發(fā)學(xué)生的探究熱情。平臺(tái)界面簡潔生動(dòng)：可調(diào)節(jié)的大炮、不同的發(fā)射體、發(fā)射及停止按鈕、用來測量長度的尺子、用來記錄拋物線主要性質(zhì)（如拋體運(yùn)動(dòng)時(shí)間、距離）的工具等，學(xué)生通過自己動(dòng)手操作玩游戲，能夠更好地理解物理概念及物理規(guī)律。而孫歡等人在文獻(xiàn)[7]中，詳細(xì)列舉了作為PhET 平臺(tái)主要部分的物理學(xué)所包含的主要物理實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)，主要對應(yīng)有中文對應(yīng)版的PhET 平臺(tái)。但對于《大學(xué)物理》課程教學(xué)而言，英語不再是學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙，反而能更加促進(jìn)學(xué)生專業(yè)詞匯量的增加，可謂是“一舉兩得”。

2019 年底，突如其來的新冠肺炎疫情打破了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，根據(jù)教育部“停課不停學(xué)”的要求。眾多課程教學(xué)均轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸诰€教學(xué)”。線上授課模式固然是解決了“停課”的燃眉之急，但學(xué)習(xí)效果卻遠(yuǎn)不及師生面對面的線下教學(xué)。其中，學(xué)生聽課過程中的積極性和參與度與線下教學(xué)模式相比大打折扣。而PhET 平臺(tái)無論是在線上還是線下教學(xué)模式中均能夠吸引學(xué)生注意力，積極主動(dòng)參與到知識學(xué)習(xí)過程中來，自主構(gòu)建知識框架，從而更深度地掌握基本物理知識，為理論知識創(chuàng)新提供一份源動(dòng)力。

由此可見，PhET 平臺(tái)在不同階段的課堂教學(xué)，尤其是新冠疫情期間興起的線上授課模式中確實(shí)存在著用武之地。本文將以《大學(xué)物理》課程中“波的疊加”一節(jié)為例，詳細(xì)闡述基于PheT 平臺(tái)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

三 PhET 在課堂教學(xué)中的應(yīng)用——以“波的疊加”為例

當(dāng)你在公園湖邊游玩，一時(shí)興起，撿起草地上一塊扁平的小石塊，瀟灑地在水面上打一連串的水漂。這時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)水面上產(chǎn)生了一圈圈的水波，不斷往遠(yuǎn)處傳播，同時(shí)，遇到后面水漂產(chǎn)生的水波時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生更加復(fù)雜的波紋。如何定量描述和刻畫這些波紋，這就涉及到“波的疊加”的相關(guān)知識，利用PhET 平臺(tái)上對波的疊加的模擬，能夠讓學(xué)生自主探究，并總結(jié)出各類不同波（水波，聲波以及光波）的疊加規(guī)律。為了對PhET平臺(tái)有一個(gè)更深入的了解，接下來本文就以“波的疊加”為例進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

（一） 熟悉界面功能，將PhET 相關(guān)內(nèi)容巧妙融合到“波的疊加”的教學(xué)設(shè)計(jì)中

針對“波的疊加”這一知識點(diǎn)，學(xué)生可以利用PhET 平臺(tái)中，直觀感受到來源于水龍頭、揚(yáng)聲器或激光器所產(chǎn)生的水波、聲波及光波。調(diào)整波源的頻率和振幅，學(xué)生可以自行觀察到相應(yīng)的波的變化。除了圖1 所示的俯視效果，對于水波，學(xué)生還可以選擇側(cè)視，這些都可以由學(xué)生自己動(dòng)手完成。右側(cè)面板最上方還提供了對水波的傳播路程及時(shí)間的測量，由此，學(xué)生可自行估算水波的傳播速率。

圖 1 對波的初步認(rèn)識，由滴水的水龍頭產(chǎn)生的水波

圖1 所示為對波的初步認(rèn)識，由滴水的水龍頭產(chǎn)生的水波?？梢詮淖笙聜?cè)選擇波的形態(tài)，圖中展示了正弦波。右上側(cè)面板中可以調(diào)節(jié)頻率和振幅，或者選擇聲波、光波進(jìn)行演示。

除了對水波、聲波及光波的直觀感受之外，PhET 還涵蓋了楊氏雙縫干涉、單縫衍射及圓孔衍射等波動(dòng)光學(xué)所需掌握的內(nèi)容，非常有助于學(xué)生自身知識體系的構(gòu)建。以聲波干涉為例：學(xué)生可自行測試其中一個(gè)揚(yáng)聲器，體驗(yàn)聲波傳播圖像，觀察聲波傳播的距離和時(shí)間，并和水波及光波進(jìn)行比對。在熟悉單個(gè)波源之后，再打來另一個(gè)揚(yáng)聲器，體驗(yàn)聲波的干涉現(xiàn)象。與圖1 中的水波圖像一樣，干涉條件下，波的頻率及振幅都可以在右邊的控制面板上進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最奇妙之處在于，波在傳播過程中，可選擇波以“粒子”方式還是“波與粒子”的方式呈現(xiàn)聲波的干涉圖樣。這可以讓學(xué)生非常直觀地理解“物質(zhì)波”及“波粒二象性”的概念，可以說PhET 平臺(tái)對于學(xué)生理解日常生活中不常見的物理現(xiàn)象方面有著非常大的優(yōu)勢。

對于從波的干涉到衍射部分的過渡，PhET 同樣給出了互動(dòng)式的動(dòng)態(tài)可視化效果。如圖2 所示，我們以光波為例，除了測量基本的波速之外，學(xué)生還可以改變波的頻率，實(shí)驗(yàn)不同波長的光引起的衍射現(xiàn)象，同時(shí)選擇光強(qiáng)分布及呈現(xiàn)衍射圖樣的屏幕。除此之外，狹縫位置可左右調(diào)節(jié)，狹縫的縫寬也能夠變化，同時(shí)，狹縫的個(gè)數(shù)有0 個(gè)，1 個(gè)和2 個(gè)三種不同的選擇。所以在此基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠直觀體會(huì)到衍射和雙縫干涉之間的差異，可以自主比較衍射圖樣及干涉圖樣之間的差異。通過調(diào)節(jié)狹縫的寬度及位置等互動(dòng)，學(xué)生能夠?qū)τ绊懜缮鎴D樣的因素有更好的掌握。

圖2 PhET 中，綠色光透過雙縫產(chǎn)生的干涉圖樣

圖2 所示為PhET 中，綠色光透過雙縫產(chǎn)生的干涉圖樣。其中狹縫位置（綠色雙箭頭所示）可左右調(diào)節(jié)，可選擇呈現(xiàn)衍射圖樣的屏幕及光強(qiáng)分布圖等?？赏ㄟ^右側(cè)面板的下拉式按鈕可以選擇狹縫個(gè)數(shù)，調(diào)節(jié)狹縫寬度等。

（二） 設(shè)計(jì)游戲規(guī)則，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供引導(dǎo)

在課程（包括線上和線下）開始之前，教師應(yīng)先擬定教學(xué)目標(biāo)，并預(yù)測教學(xué)活動(dòng)如何展開才能確保順暢，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)授課計(jì)劃。為避免學(xué)生由于目標(biāo)不明確而漫無目的地操作PhET 平臺(tái)，教師可以設(shè)定一系列的游戲規(guī)則，讓學(xué)生帶著“任務(wù)”玩游戲，從而潛移默化地接受新知識。依據(jù)不同課程可設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手冊，讓學(xué)生的自主學(xué)習(xí)有的放矢。仍以《波的疊加》為例，可設(shè)計(jì)如下問題，讓學(xué)生在游戲情境中，理解物理現(xiàn)象背后的本質(zhì)：

·改變頻率和幅度如何影響波的特性? 水滴和揚(yáng)聲器如何受到影響?

·設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以測量波速。測量結(jié)果與聲音或光在空氣中的速度值相比如何? 如何解釋兩者之間的差異?

·用兩個(gè)源（水波、聲波和光波均可）創(chuàng)建干涉圖案，并確定更改圖案的方式。

·通過肉眼識別干涉相長和干涉相消的位置。

·比較單縫衍射和雙縫干涉。屏幕上的圖案有何異同?

· 對于雙縫，使用等式dsinθ=±kλ預(yù)測最大值將在屏幕上的哪個(gè)位置出現(xiàn)。使用卷尺驗(yàn)證自己的預(yù)測。

·解釋孔徑幾何形狀與衍射圖樣之間的關(guān)系。

·預(yù)測改變波長或孔徑大小對衍射圖樣的影響。

·……

利用PhET 平臺(tái)為學(xué)生呈現(xiàn)問題情境，教師需對問題進(jìn)行正確闡述并突出問題本質(zhì)，讓學(xué)生根據(jù)問題進(jìn)行觀察和分析，區(qū)分影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素與次要因素，體會(huì)抓大放小的取舍過程。學(xué)生要明白PhET 平臺(tái)在盡量可視化實(shí)際物理問題的同時(shí)，會(huì)對模型做一些簡化。不同知識點(diǎn)中涉及到的相關(guān)細(xì)節(jié)簡化并不改變互動(dòng)可視化過程給學(xué)生帶來的體驗(yàn)，教師在課堂中也可以給學(xué)有余力的學(xué)生就這些細(xì)節(jié)方面進(jìn)行拓展。

（三） 應(yīng)用PhET 平臺(tái)的注意事項(xiàng)

PhET 平臺(tái)作為一種教學(xué)仿真工具，旨在讓學(xué)生通過模擬仿真，達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目的，其本質(zhì)上與科學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)還存在一定差異。因此，教師不能完全放任學(xué)生自學(xué)而期望他們能夠完全掌握《大學(xué)物理》課程中新的物理知識點(diǎn)。對于課程中涉及到的理論及推導(dǎo)等部分，還是需要教師做進(jìn)一步板書和詳細(xì)講授。PhET 平臺(tái)則可以作為課堂理論教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)操作前的預(yù)習(xí)，課后的復(fù)習(xí)補(bǔ)充，從而加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解。同樣，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仿真模擬不能真正訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，且仿真模擬過程中常常忽略實(shí)際操作中的誤差，降低了學(xué)生對于誤差的敏感度。因此，教師應(yīng)將PhET 平臺(tái)演示與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，讓學(xué)生將仿真與實(shí)際操作相比對，引導(dǎo)學(xué)生基于現(xiàn)實(shí)與虛擬的差異進(jìn)行探究，讓課程資源得到最大的利用，實(shí)現(xiàn)科技手段與教育理論的完美融合。

四 結(jié)語

疫情防控常態(tài)化時(shí)期，教學(xué)方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的“一對多”線下課堂教學(xué)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上教學(xué)[8]或者線上線下相結(jié)合的方式。對于《大學(xué)物理》課程，上述各種教學(xué)方式所面臨的共性問題在于如何提升學(xué)生的自主積極性。具有互動(dòng)式游戲情景的PhET 平臺(tái)則為授課教師提供了一種行之有效的解決方案，對學(xué)生自主學(xué)習(xí)及自身科學(xué)知識體系的構(gòu)建具有極大的幫助和促進(jìn)作用。我們要利用好現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)在線資源，促進(jìn)各種教學(xué)模式的改革，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)技能。