虛擬仿真程序輔助物理教學(xué)的實(shí)踐探究

蔡世娟

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，教師要有效使用信息技術(shù)豐富教學(xué)途徑與形式，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新教學(xué)方式，提升教學(xué)的效果和效率?！督逃畔⒒?.0行動(dòng)計(jì)劃》提出，要推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)融合，全面提升師生信息素養(yǎng)，為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)工具和豐富的教育環(huán)境。在以往的物理教學(xué)中，由于缺乏合適的工具來(lái)演示一些抽象和復(fù)雜的科學(xué)概念、物理規(guī)律及動(dòng)態(tài)變化過程，學(xué)生記憶和理解相關(guān)知識(shí)比較困難。例如，在“凸透鏡成像的規(guī)律”新課教學(xué)中，大多數(shù)教師通過演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生探究得出凸透鏡的成像規(guī)律，還通過PPT演示、播放微課視頻、用粉筆手繪光路圖等方式來(lái)輔助教學(xué)，但是教學(xué)情境單一、刻板，教學(xué)互動(dòng)性差，無(wú)法真正激發(fā)學(xué)生興趣。學(xué)生接受傳統(tǒng)教學(xué)獲得的感性認(rèn)識(shí)，難以透徹理解相關(guān)概念和成像規(guī)律，少數(shù)學(xué)生死記硬背凸透鏡成像規(guī)律造成思維混亂，無(wú)法學(xué)以致用。如何豐富物理課堂教學(xué)途徑、創(chuàng)新教學(xué)方式以提升教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量是教育工作者亟待解決的問題。筆者以人教版《義務(wù)教育教科書 物理 八年級(jí) 上冊(cè)》中“凸透鏡成像的規(guī)律”的教學(xué)為例，介紹虛擬仿真程序PhET輔助下的物理教學(xué)設(shè)計(jì)思路和實(shí)踐方法，旨在將抽象且復(fù)雜的物理概念、成像規(guī)律，通過形象、直觀的動(dòng)態(tài)仿真圖展現(xiàn)出來(lái)，深化學(xué)生對(duì)凸透鏡成像規(guī)律的理解，提高教學(xué)效率。

一、PhET介紹

PhET是物理教育技術(shù)（Physics Education Technology）的英文簡(jiǎn)稱，是一款教學(xué)資源豐富的開源互動(dòng)虛擬仿真程序。它包含物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地球科學(xué)、生物學(xué)五大學(xué)科，其中虛擬仿真程序均由具有專業(yè)背景的人員基于最新的科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試和評(píng)估，以確保仿真程序的科學(xué)性、有效性和實(shí)用性。PhET能將抽象復(fù)雜的科學(xué)概念、物理規(guī)律、微觀事實(shí)可視化。教師借助PhET的游戲情境開展互動(dòng)教學(xué)，能讓學(xué)生沉浸在教學(xué)過程中，以達(dá)到寓教于樂的目的。PhET自發(fā)布以來(lái)已被翻譯成90多種語(yǔ)言，超過200多個(gè)國(guó)家或地區(qū)的教師用其輔助學(xué)科教學(xué)，涌現(xiàn)出大量的優(yōu)秀課例，正在被上億用戶免費(fèi)使用。此外，PhET支持教師在教室電子屏幕上在線或離線操作，在增強(qiáng)演示性的同時(shí)提高課堂教學(xué)效率，也支持學(xué)生借助智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)、隨地進(jìn)行課后自主學(xué)習(xí)以彌補(bǔ)課堂學(xué)習(xí)的不足。

二、PhET輔助下的物理教學(xué)

（一）設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在探究實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師打開瀏覽器登錄

PhET官網(wǎng)（https：//phet.colorado.edu/zh_CN/）；點(diǎn)擊右上角“”中的仿真程序，依次選擇“物理”“幾何光學(xué)”“透鏡”，進(jìn)入PhET操作界面。

筆者從實(shí)驗(yàn)界面尺度、教師操作便捷度、學(xué)生觀察便捷度的角度設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從物體選項(xiàng)中選擇“”（可根據(jù)學(xué)生喜好自由選擇）；對(duì)于光線，選擇“主要光線”，系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)三條過凸透鏡的光線；對(duì)于曲率半徑，選擇“80?cm”，改變曲率半徑可改變凸透鏡的焦距；對(duì)于折射率，選擇“1.5”；對(duì)于直徑，選擇“120 cm”，改變直徑可以改變凸透鏡大小；勾選“焦點(diǎn)”，在主光軸上顯示凸透鏡的焦點(diǎn)位置；勾選“虛像”，當(dāng)物距小于一倍焦距能顯示虛像的成像原理圖；勾選“標(biāo)注”，系統(tǒng)能顯示主光軸、物體、焦點(diǎn)（）、凸透鏡、實(shí)像、虛像等物理概念。筆者用橫放的“刻度尺”在凸透鏡左、右兩側(cè)的主光軸上找到二倍焦距的位置并用“”加以標(biāo)注。

筆者調(diào)節(jié)物體在主光軸上的高度，通過PhET界面顯示三條特殊光線（如圖1）：平行于主光軸的光、過光心的光、過焦點(diǎn)的光。按下左上角的鎖定按鈕“”使其變成“”，此時(shí)物體僅能在主光軸上左、右移動(dòng)。

（二）輔助概念教學(xué)

概念是反映事物本質(zhì)屬性的思維產(chǎn)物，概念教學(xué)是幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系、培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要途徑。筆者通過以往的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)像、不成像、虛像等抽象概念的認(rèn)知較淺，這不利于理解凸透鏡成像規(guī)律。教師借助PhET輔助概念教學(xué)，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)際問題進(jìn)行抽象化、簡(jiǎn)化處理，將實(shí)際光線轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)潔、明了的三條特殊光線，進(jìn)而得到反映事物本質(zhì)特性的物理模型，讓學(xué)生能直觀地感受實(shí)像、不成像、虛像的形成過程和形成原理。這樣，在鍛煉學(xué)生“模型建構(gòu)”思維的同時(shí)也為成像規(guī)律的教學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。PhET輔助概念教學(xué)流程如圖2所示。

教師按以下步驟教學(xué)。首先，向?qū)W生提問“平行于主光軸的光、過光心的光、過焦點(diǎn)的光經(jīng)過凸透鏡后各按什么路徑傳播”，然后用電子教鞭拖動(dòng)物體使PhET界面上依次呈現(xiàn)實(shí)像、不成像、虛像（如圖3、圖4、圖5）。學(xué)生通過觀察PhET界面上三條特殊光線的傳播徑跡深刻理解了實(shí)像、不成像、虛像的形成原理：經(jīng)過凸透鏡的折射光線會(huì)聚成實(shí)像，即實(shí)像是由實(shí)際光線會(huì)聚而成；經(jīng)過凸透鏡的折射光線相互平行沒有交點(diǎn)因此不成像；經(jīng)過凸透鏡的折射光線由于夾角過大無(wú)法在凸透鏡右側(cè)會(huì)聚，但折射光線的反向延長(zhǎng)線可以在凸透鏡左側(cè)相交，人眼逆著出射光的方向看去，感到光是從虛像的位置發(fā)出的。

（三）輔助靜態(tài)成像規(guī)律教學(xué)

初中生的思維正從形象思維向抽象思維過渡且以形象思維為主。以往，教師用傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，無(wú)法將實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具象化?，F(xiàn)在，教師借助PhET輔助靜態(tài)成像規(guī)律教學(xué)，能對(duì)傳統(tǒng)的探究實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果起到補(bǔ)充、完善和驗(yàn)證作用，將學(xué)生的抽象思維和形象思維融合起來(lái)以滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。此外，教師還引導(dǎo)學(xué)生思考凸透鏡成像的規(guī)律在日常生活中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高他們的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。PhET輔助靜態(tài)成像規(guī)律教學(xué)流程如圖6所示。

教師借助PhET將物體置于二倍焦距以外的位置，向右緩慢拖動(dòng)物體靠近透鏡使物距依次為：>2、=2、2>>、=、<（如圖7）。教師在目標(biāo)位置上設(shè)置一系列有梯度的問題引導(dǎo)學(xué)生觀察，讓他們思考：物距和像距的范圍各是多少？物距和像距誰(shuí)大？成像特點(diǎn)是什么？在生活中有什么應(yīng)用？學(xué)生通過觀察PhET實(shí)驗(yàn)界面迅速、準(zhǔn)確判斷物、像的位置關(guān)系及像的性質(zhì)。

教師將物體分別置于一倍焦距（=）和二倍焦距（=2）的位置，并分別在目標(biāo)位置左、右兩側(cè)小幅度多次、緩慢地移動(dòng)物體（如圖8），引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考一倍焦距和二倍焦距左、右兩側(cè)成像特點(diǎn)有何區(qū)別。學(xué)生觀察到一倍焦距是虛像和實(shí)像的分界點(diǎn)，二倍焦距是放大像和縮小像的分界點(diǎn)，并由此總結(jié)出“一倍焦距分虛實(shí)，二倍焦距分大小”的靜態(tài)成像規(guī)律。

（四）輔助動(dòng)態(tài)成像規(guī)律教學(xué)

凸透鏡的動(dòng)態(tài)成像規(guī)律一直是教學(xué)難點(diǎn)，這一難點(diǎn)的突破不僅要求學(xué)生能透徹地理解凸透鏡的靜態(tài)成像規(guī)律，而且要求學(xué)生在頭腦中清晰地建構(gòu)起成像的動(dòng)態(tài)變化模型。教師借助PhET能準(zhǔn)確高效、直觀生動(dòng)、持續(xù)連貫地模擬物、像的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中成像光路圖不可視、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化不明顯、動(dòng)態(tài)變化過程不連貫等諸多不足，將教學(xué)難點(diǎn)化難為易、化繁為簡(jiǎn)。此外，教師還通過師生一問一答、學(xué)生組內(nèi)互助的形式，突出教師的引導(dǎo)作用，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。輔助動(dòng)態(tài)成像規(guī)律教學(xué)流程如圖9所示。

教師將物體置于一倍焦距以外的位置（>）并緩慢拖動(dòng)物體依次靠近、遠(yuǎn)離焦點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考物體在靠近焦點(diǎn)的過程中像的位置和像的大小有何變化。學(xué)生直觀地觀察到隨著物體逐漸靠近焦點(diǎn)入射光線會(huì)逐漸發(fā)散，兩條折射光線也隨之發(fā)散，夾角變大且延遲相交，即隨著物體逐漸靠近焦點(diǎn)像逐漸遠(yuǎn)離透鏡且逐漸變大（如圖10）。反之，隨著物體逐漸遠(yuǎn)離焦點(diǎn)像逐漸靠近透鏡且逐漸變小。學(xué)生組內(nèi)討論后總結(jié)：當(dāng)>時(shí)，物、像的動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)如下規(guī)律，即“物近（焦點(diǎn)）像遠(yuǎn)（透鏡）像變大，物遠(yuǎn)（焦點(diǎn)）像近（透鏡）像變小”。

教師將物體置于一倍焦距以內(nèi)的位置（<）并緩慢拖動(dòng)物體依次遠(yuǎn)離、靠近焦點(diǎn)。學(xué)生直觀地觀察到隨著物體逐漸遠(yuǎn)離焦點(diǎn)，折射光線反向延長(zhǎng)線的夾角逐漸變大且提前相交，即隨著物體逐漸遠(yuǎn)離焦點(diǎn)虛像會(huì)逐漸靠近透鏡且逐漸變小，但相對(duì)于物體本身來(lái)說像仍是放大的（如圖11）。反之，物體在靠近焦點(diǎn)的過程中虛像會(huì)逐漸遠(yuǎn)離透鏡且逐漸變大，學(xué)生組內(nèi)討論后總結(jié)：當(dāng)<時(shí)，物、像的動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)如下規(guī)律，即“物近（焦點(diǎn)）像遠(yuǎn)（透鏡）像變大，物遠(yuǎn)（焦點(diǎn)）像近（透鏡）像變小”。

學(xué)生學(xué)完上述新課，發(fā)現(xiàn)不論物距大于一倍焦距還是小于一倍焦距，物、像的動(dòng)態(tài)變化均有規(guī)律，即“物近（焦點(diǎn)）像遠(yuǎn)（透鏡）像變大，物遠(yuǎn)（焦點(diǎn)）像近（透鏡）像變小”。教師將上述動(dòng)態(tài)成像規(guī)律在表格左右以“對(duì)聯(lián)”的形式呈現(xiàn)（見表1），讓學(xué)生補(bǔ)上“橫批”，在增強(qiáng)知識(shí)趣味性的同時(shí)方便學(xué)生記憶。最后，教師讓部分學(xué)生上臺(tái)操作以增強(qiáng)體驗(yàn)感，進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)成像規(guī)律的理解。

三、總結(jié)

實(shí)踐證明，教師在教學(xué)過程中適時(shí)、恰當(dāng)、合理地借助PhET來(lái)輔助物理教學(xué)能提高教學(xué)效率。但PhET也有局限性，如無(wú)法訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手操作能力、無(wú)法提供真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境、仿真結(jié)果過于理想化等。教師應(yīng)精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)將傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)有效融合起來(lái)，使兩者相互促進(jìn)、相輔相成。虛擬仿真程序PhET輔助物理教學(xué)，可能成為物理教學(xué)的一個(gè)新亮點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹平.可視化軟件助力初中物理習(xí)題教學(xué)[J].理科考試研究，2022（16）：40-43.

[2] 沈強(qiáng).科學(xué)方法促進(jìn)概念理解的教學(xué)設(shè)計(jì)——以蘇科版八上“透鏡”為例[J].中學(xué)物理，2021（14）：4.

[3] 倪志峰，周梁琴.對(duì)“物近，像遠(yuǎn)，像變大”的再研究[J].物理教學(xué)探討，2017（3）：59-60.

（作者系天津師范大學(xué)濱海附屬學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志