利用PhET虛擬仿真程序改進(jìn)“杠桿”實(shí)驗(yàn)

〔摘 要〕 杠桿實(shí)驗(yàn)是貫穿學(xué)生小學(xué)、初中階段的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中仍存在諸多不足之處，例如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單化、學(xué)生參與度不高等。本文旨在探討如何利用PhET虛擬仿真程序來(lái)改進(jìn)小學(xué)科學(xué)課程中的杠桿實(shí)驗(yàn)，以及利用其提升小學(xué)生對(duì)杠桿實(shí)驗(yàn)的理解和學(xué)習(xí)效果的方法。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；PhET虛擬仿真程序；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

〔中圖分類號(hào)〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A 〔文章編號(hào)〕 1674-6317 （2024） 19 067-069

小學(xué)教育階段是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和探究精神的重要時(shí)期，科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為小學(xué)科學(xué)教育的核心組成部分，具有十分關(guān)鍵的作用。其中，作為一項(xiàng)貫穿小學(xué)、初中教學(xué)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——杠桿實(shí)驗(yàn)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力以及科學(xué)思維發(fā)揮著舉足輕重的作用。在中華人民共和國(guó)教育部制定的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，關(guān)于“杠桿”課程的概念目標(biāo)提出，要求學(xué)生掌握以下三個(gè)問(wèn)題：能夠識(shí)別杠桿的三個(gè)作用點(diǎn)；能用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言描述杠桿的原理；能判斷省力杠桿還是費(fèi)力杠桿。

然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往受到時(shí)間、場(chǎng)地和設(shè)備的限制，難以讓學(xué)生充分參與實(shí)際操作，這就導(dǎo)致學(xué)生很難真正理解相關(guān)知識(shí)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，虛擬仿真程序應(yīng)運(yùn)而生。PhET虛擬仿真程序是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它通過(guò)模擬各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供一個(gè)真實(shí)、方便、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在概念學(xué)習(xí)中進(jìn)行科學(xué)探究，在科學(xué)探究中進(jìn)行概念學(xué)習(xí)，從而加深學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，促進(jìn)其科學(xué)思維的形成。因此，本文針對(duì)PhET虛擬仿真程序?qū)πW(xué)科學(xué)“杠桿”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)進(jìn)行了探討。

一、不同版本教材的“杠桿”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

在教科版和青島版教材中，均設(shè)計(jì)了“利用杠桿尺研究杠桿的秘密”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。教材中，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法與等效替代法相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探究：首先調(diào)平杠桿尺，把掛在杠桿尺左邊的鉤碼看作是阻力點(diǎn)，把掛在杠桿尺右邊的鉤碼看作是用力點(diǎn)，接著通過(guò)改變兩端掛鉤碼的位置和數(shù)量理解杠桿相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)在于：現(xiàn)象清晰，方便記錄；器材標(biāo)準(zhǔn)，安全性高。缺點(diǎn)在于：杠桿尺調(diào)平操作對(duì)小學(xué)生要求較高；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系不大；器材老化容易出現(xiàn)誤差導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

此外，其他教材提到了“用小石塊撬動(dòng)大石塊”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。教材中，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法與作圖法相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探究：先用一小石塊和木板將一大石塊從A處撬到B處，同時(shí)學(xué)生需畫一張A到B的測(cè)量圖，以便測(cè)量搬運(yùn)距離，接著則是側(cè)重觀察每一次小石塊移動(dòng)的距離，同時(shí)畫出每一次撬動(dòng)大石塊時(shí)的杠桿裝置，最后通過(guò)梳理例圖幫助學(xué)生理解杠桿相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)在于：材料簡(jiǎn)單，方便開展；原理清晰，容易理解。缺點(diǎn)在于：石塊在木板上容易滑落；學(xué)生操作石塊存在安全隱患；石塊到支點(diǎn)的距離測(cè)量不準(zhǔn)確。

在實(shí)際教學(xué)中，小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在著學(xué)生參與度低、學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣不高、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)缺失等共性問(wèn)題。諸如此類的問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳，這就亟須科學(xué)教育工作者提出完善與改進(jìn)的策略。

二、PhET虛擬仿真程序特點(diǎn)

（一）情境趣味性

PhET虛擬仿真程序以?shī)蕵?lè)性游戲?yàn)檩d體，以體驗(yàn)式情境為主要演示方式，幫助學(xué)生將學(xué)習(xí)環(huán)境建立在輕松愉悅的環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍難教的關(guān)鍵點(diǎn)在于學(xué)生剛接觸新的科學(xué)模型時(shí)難以產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣。而應(yīng)用PhET虛擬仿真程序就能很好地解決這一問(wèn)題，學(xué)生在這樣的學(xué)習(xí)氛圍下更容易找到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，體會(huì)到獲取知識(shí)的成就感。

（二）雙向互動(dòng)性

PhET虛擬仿真程序不同于一般的教學(xué)探究過(guò)程，傳統(tǒng)的科學(xué)探究以學(xué)生的大量活動(dòng)為中心，花費(fèi)較多時(shí)間在搜集證據(jù)、驗(yàn)證評(píng)估等環(huán)節(jié)上，而PhET則是以教學(xué)內(nèi)容為中心，學(xué)生不需要被復(fù)雜的儀器操作所困擾，更加有利于其與教師合作探究，從而實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)。

（三）操作便捷性

PhET虛擬仿真程序采用人物圖片、視頻動(dòng)畫等方式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容清楚直觀，器材擺放位置清晰，有明確的按鈕提示和操作指示，學(xué)生對(duì)于自己想驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)可以自行設(shè)置變量、改變條件、總結(jié)規(guī)律，并且可以反復(fù)進(jìn)行操作，全程操作簡(jiǎn)單無(wú)障礙，不僅方便教師進(jìn)行巡視指導(dǎo)，更有利于鍛煉學(xué)生的自主探究能力。

（四）資源開放性

PhET虛擬仿真程序所發(fā)布的全部虛擬仿真程序，均無(wú)需支付任何費(fèi)用即可在線使用。利用其資源開放性的特點(diǎn)，學(xué)生在課堂上沒(méi)有理解透徹的實(shí)驗(yàn)步驟，課后可借助手機(jī)、平板電腦等工具進(jìn)行重復(fù)學(xué)習(xí)；教師可利用PhET平臺(tái)布置相關(guān)作業(yè)，學(xué)生只需準(zhǔn)備一部電子設(shè)備即可完成，完美地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于實(shí)驗(yàn)材料限制等問(wèn)題帶來(lái)的布置作業(yè)的困境。

三、利用PhET虛擬仿真程序改進(jìn)“杠桿”實(shí)驗(yàn)

“杠桿”一節(jié)課的內(nèi)容與PhET模擬仿真平臺(tái)中的“平衡探究實(shí)驗(yàn)”板塊相對(duì)應(yīng)。該板塊分為認(rèn)識(shí)平衡、探究杠桿平衡原理、游戲三部分。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)從“結(jié)合PhET創(chuàng)設(shè)多種實(shí)驗(yàn)情境”“利用PhET逐級(jí)學(xué)習(xí)科學(xué)概念”“借助PhET有效檢測(cè)學(xué)習(xí)效果”三方面展開。

（一）導(dǎo)入新課——結(jié)合PhET創(chuàng)設(shè)多種實(shí)驗(yàn)情境

PhET模擬仿真實(shí)驗(yàn)中的情境多是基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的背景之下的，教師可提前對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)板塊進(jìn)行了解，在課堂開始時(shí)通過(guò)相似的情境進(jìn)行導(dǎo)入，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)開展做出準(zhǔn)備，同時(shí)保證課堂的整體連貫性?！捌胶馓骄繉?shí)驗(yàn)”板塊涉及的情境主要有：比較滅火器與垃圾桶的重量、比較兩個(gè)物體的重量、推測(cè)未知物體的重量等，教師可將其相應(yīng)轉(zhuǎn)化成學(xué)生生活中會(huì)遇到的問(wèn)題：消防員叔叔經(jīng)常使用的滅火器與垃圾桶相比哪個(gè)比較重；××和××誰(shuí)比較沉（可選擇學(xué)生較為熟悉的卡通形象進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)）；怎樣判斷商場(chǎng)里銷售的盲盒的重量等。接著，先由學(xué)生自由表達(dá)觀點(diǎn)，教師隨后引出本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容并為后續(xù)所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

（二）知識(shí)新授——應(yīng)用PhET逐級(jí)學(xué)習(xí)科學(xué)概念

“杠桿”一節(jié)對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)由易到難分別為以下三點(diǎn)：識(shí)別杠桿的三個(gè)作用點(diǎn)，描述杠桿原理，判斷省力，費(fèi)力杠桿。下文詳述PhET虛擬仿真程序與三級(jí)知識(shí)點(diǎn)的結(jié)合。

1.識(shí)別杠桿的三個(gè)作用點(diǎn)。教師指導(dǎo)學(xué)生打開“認(rèn)識(shí)平衡”板塊，通過(guò)觀察在杠桿上放置不同數(shù)量的滅火器和垃圾桶產(chǎn)生的相應(yīng)效果圖，總結(jié)出動(dòng)力點(diǎn)、阻力點(diǎn)、支點(diǎn)三者的定義，不同情境下三點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置如圖。講解完畢后由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并講解各點(diǎn)位置，以展示其學(xué)習(xí)效果。

2.描述杠桿原理。教師指導(dǎo)學(xué)生打開“探究杠桿平衡原理”板塊，該板塊有不同重量的砝碼、人物、未知物體等實(shí)驗(yàn)材料供學(xué)生選擇。學(xué)生首先可自行選擇喜歡的材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)記錄阻力點(diǎn)及動(dòng)力點(diǎn)到支點(diǎn)的距離及各位置上物體的重量，填寫實(shí)驗(yàn)記錄單以總結(jié)杠桿平衡的原理。實(shí)驗(yàn)記錄單見(jiàn)表1。其中“（）”為學(xué)生自己選擇的實(shí)驗(yàn)材料。

3.判斷省力、費(fèi)力杠桿。教師首先向?qū)W生講解省力杠桿、費(fèi)力杠桿的特點(diǎn)，接著屏幕出示不同情況下杠桿的傾斜情況讓學(xué)生判斷是省力杠桿還是費(fèi)力杠桿，同時(shí)可輔以對(duì)日常生活中常見(jiàn)杠桿的拓展。

（三）鞏固評(píng)價(jià)——借助PhET有效檢測(cè)學(xué)習(xí)效果

PhET模擬實(shí)驗(yàn)均提供游戲模塊。游戲模塊分為水平1，2，3，4四種難度，其難度依次增大，每個(gè)水平下都包括三類游戲方式，分別對(duì)應(yīng)本節(jié)課中提到的三級(jí)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)表2。教師可以選擇其中的某個(gè)游戲用以檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，接著指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入游戲板塊，并以個(gè)人或小組為單位開始游戲。操作界面左下角的“秒表”按鈕用來(lái)計(jì)時(shí)，“喇叭”按鈕用來(lái)控制聲音。學(xué)生回答錯(cuò)誤則游戲重新開始，回答正確則進(jìn)行積分，學(xué)生通過(guò)記錄并匯報(bào)游戲數(shù)據(jù)，鞏固先前學(xué)過(guò)的概念的同時(shí)檢測(cè)學(xué)習(xí)效果。

通過(guò)分析上述應(yīng)用PhET虛擬仿真程序進(jìn)行“杠桿”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)：從教學(xué)設(shè)計(jì)上看，PhET仿真程序?qū)W(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)與虛擬實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系了起來(lái)，從知識(shí)導(dǎo)入到評(píng)價(jià)復(fù)習(xí)，環(huán)環(huán)相扣，結(jié)構(gòu)完整。大情境的運(yùn)用不僅極大地提高了學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在興趣，而且也有助于學(xué)生對(duì)概念知識(shí)的系統(tǒng)理解。從技術(shù)應(yīng)用上看，PhET仿真程序的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的教師單一灌輸?shù)慕虒W(xué)模式，以互聯(lián)網(wǎng)為載體，借助虛擬仿真技術(shù)交互性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了課堂中教師與學(xué)生的雙向互動(dòng)，使教與學(xué)的質(zhì)量有所提升。從學(xué)生自身學(xué)習(xí)方式上看，應(yīng)用PhET仿真程序提供的便捷式探究環(huán)境，學(xué)生可以自主選擇和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、材料等因素的影響，學(xué)生的參與度大大提高，同時(shí)也加深了學(xué)生的學(xué)習(xí)印象。

四、反思與啟示

在PhET的實(shí)際應(yīng)用中，還有以下兩個(gè)方面需要引起教師和學(xué)生注意。其一，PhET網(wǎng)站提供了百余種仿真程序，在眾多程序中，小學(xué)科學(xué)領(lǐng)域所涉及的仿真程序僅有幾十個(gè)，顯然沒(méi)有包含全部的小學(xué)科學(xué)知識(shí)點(diǎn)，也就是說(shuō)，仍然有大部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要教師進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。因此，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師不能過(guò)于依賴PhET仿真程序。其二，仿真模擬的數(shù)據(jù)過(guò)于精確，不利于學(xué)生建立誤差概念。誤差思想的建立是科學(xué)概念學(xué)習(xí)的重要目標(biāo)之一，然而仿真模擬實(shí)驗(yàn)給出的過(guò)于“完美”的數(shù)據(jù)往往容易讓學(xué)生忽略或者不理解誤差的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生不利的影響。

綜上所述，PhET虛擬仿真程序?yàn)橐浴案軛U”實(shí)驗(yàn)為代表的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的設(shè)計(jì)方向和理念，但在實(shí)踐過(guò)程中仍然存在著些許問(wèn)題，這也就要求科研工作者著力研究數(shù)字技術(shù)與實(shí)際教學(xué)的有效整合問(wèn)題，在不同的案例中通過(guò)二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)改進(jìn)教學(xué)，以期達(dá)到最優(yōu)效果，真正實(shí)現(xiàn)“以數(shù)字技術(shù)賦能教學(xué)”的教學(xué)理念。

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