PhET在化学教学中的应用述评

顾莹 陈凯 孙红淼

摘要： 梳理国内外已有研究成果，对PhET虚拟实验应用于化学教学的研究进行探讨。从三个方面进行评述： （1）PhET中支持化学教学的资源有哪些？（2）师生在正式学习环境和非正式学习环境如何分别运用以PhET为载体的虚拟实验开展教学活动？（3）PhET在化学教学中实施效果如何？

关键词： PhET;虚拟实验;化学教学

文章编号： 10056629（2018）3002406 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

PhET互动仿真模拟实验计划软件源于美国科罗拉多大学的PhET计划（Physical Education Technology Project），即物理教育科技計划，后来拓展至科学（S）、技术（T）、工程（E）和数学（M）等领域，通过交互式模拟技术，提供物理、化学、生物、数学及地球科学等模拟实验，供教师教学和学生学习使用。目前，该项目开发的模拟实验在多个国家得到使用，优秀课例和相关研究成果也层出不穷[1]。所有PhET资源属于公共授权，使用者免费获取，既可以联网直接使用，也可以下载储存到硬盘上来嵌入到教学内容中。

1 PhET的化学资源

PhET项目平台网站（https：//phet.colorado.edu/zh_TW/）汇集了主题模拟实验、丰富的教学资源（包括教学案例、培训材料、使用说明等），注重配套教学案例的共享和更新。最大的特色在于所有的互动仿真实验程序按学科、年级、设备进行分类，所有的模拟教学都是经过专家测试、评估，以确保教学有效性及实用性。

PhET上的化学资源适用于高中生及以上层次的学生和化学教育研究工作者，其中教学资源分为普通化学和量子化学两个领域，主要实现化学基本原理、化学抽象概念等模块知识的可视化。图1呈现了PhET的资源设计。

考虑到学生的认知水平、心智模型和视觉模拟层次，PhET在虚拟实验中嵌入大量形象化的图形和动画，并应用多种功能形式的按钮操作来实现互动，帮助学生理解相关化学概念;它也提供了各式各样的互动式实验工具（放大镜、烧杯、电子天平、微粒模型等），根据使用者的操作赋予相应的行为或变化，及时反馈给使用者需要的实验信息。针对基础化学教学，表1选取几个普通化学原理主题来介绍其虚拟实验，并就该模拟实验对于国内化学教学提供一些建议。

2 应用PhET开展化学教学

Marcia教授基于网络探究式科学环境——WISE平台项目的研究指出，教师、学生与教学辅助工具三者之间相辅相成，教师可以指导学生，同时教师通过教学辅助工具监督学生的学习过程，学生借由辅助的信息技术工具提升学习能力[2]。与WISE类似，PhET以工具身份与教师、学生三者之间相辅相成，图2展示了PhET的应用设计。

作为一种智慧学习平台，PhET适用于正式学习环境和非正式学习环境。以化学课堂和课外为例，在课堂中，PhET为师生提供一个教学平台，教师将它糅合于教学设计中，学生也在教师的有效指导下高效应用PhET，提高自己的学习能力，使虚拟实验在化学教学上发挥其最大效果。PhET给师生们提供了一个互动交流平台，含有适合学生和教师的课外资源，比如学生可以在互动游戏中学习，教师可以自主构建知识上传到平台或者思考他人分享的教育观点，进行知识共享和相互学习。

2.1 PhET在化学课堂上的应用

PhET擅长挖掘问题，而不限于简单的科普，比如它可以从溶液的浓度挖掘到摩尔电导率。表2以网站上选取的一位教师Loeblein的课堂实录[3]为例来介绍将PhET糅合于化学课堂教学，主题是探究糖和盐溶液，面向国外大学预科生，虽然知识体系和国内有差异，但是难度与我国高中相若，基于模拟实验的学习更值得借鉴。

PhET提供一定的指导性学习任务。在PhET的研究中，学生所需的思考深度比传统教学深，例如表2课堂探究中的“盐类溶解”，传统的美国科学教育主题任务是： 往水中加入100克AgBr，探究多少Ag+和Br-溶解在水中？并按照相同步骤探究其他盐类。此任务明确告诉学生应按照何种步骤去探究;而PhET的任务是： 调查不同的盐类化合物，探究其相同点和不同点。此任务没有明确告诉学生具体步骤以及要探究多少相同点和不同点，一切都需要学生自行调查、理解、推理和解释。

可视化在化学学科的重要性在于可以帮助传达复杂、微妙的分子相互作用和反应的动态特征并加以描述，即宏观辨识与微观辨析。将可视化和建模工具应用于化学教学并发挥其积极作用，也需要各种恰当的教学技能和教学方式来准确地表达它们[4]。图3便借鉴了网站上研究者分享的经验[5]，并结合表2的课堂实录，阐述了PhET在化学课堂上的应用，尤其详细描述了图2中教师的有效指导过程。在此期间，教师只提供适当的指导，适当的指导可以抑制学生过于发散性的思维，它不会过度引导学生但会在关键点上提供指导。

2.2 PhET在课外的运用

人们依托网络及多媒体技术构建学习共同体，使个体的学习纳入到社会性的学习过程中，通过知识共享、协作会话来完成共同的学习目标，无疑是一种有效的解决方案，也是创建学习型社会的一条有效途径[6]。虚拟学习共同体可有效弥补传统课堂中的交互匮乏，提升学习者的自主、协作、研讨和反思的能力，这也是养成终身学习能力并促进知识发展的有效途径。下面分别从学生和教师角度介绍PhET能够有效地在非正式学习环境中与讲座、实验、家庭作业进行整合教学。

PhET互动仿真实验程序互动时间持续，不同于一般的视频动画，而是通过标记将操作的过程记录下来，以便更好地表征过程，促进学生在模型构建中思考，纵然在课堂之外也可以利用网站模拟更深入地理解科学概念，比如学生可以课后回忆复习课上教的知识以及完成教师以PhET为平台布置的家庭作业。它也转变了学生的科学态度： 由获得科学知识转变为主动积极地探索科学

图3 PhET在化学课堂上的使用

知识。对于学生而言，PhET提供的仿真实验程序与游戏融合，增加学生与实验的互动性。

PhET也对教师提出了要求，教师需要了解如何在非正式学习条件下进行科学探究，学会如何应用身边资源，如何将其嵌入教学活动中。比如可以设计一项家庭作业来检验学生有没有使用PhET学习： 展示两幅溶液中微粒的图片，让学生判断它是哪种化合物（有三个选项： 盐、糖、都不是）。教师也可以将自己的教学反思分享到平台上，寻求他人的评价和建议。对于化学教育工作者而言，PhET是交流教学经验的虚拟论坛，可汇聚无数学者来进行互动交流和思维碰撞。它专门分享与PhET有关的教学设计、出版物、理论研究成果、研究进展和与PhET的相关演讲和科技论坛等。例如： PhET在网页上分享了以可访问交互式模拟社区的开发为主题的出版物《机会： 互动模拟的包容性设计》[7]。互动社区中包含着很多文字和图片研究成果，因此大众需要一定的学科知识基础才可明白他人的研究成果。科技在飞速发展，可以预料今后在人工智能的帮助下，运用AR技术就可以让世界各地的人们通过投影成像处于同一空间，进行思想的碰撞和交流。

3 PhET的教育实证综述

国内外已经对PhET虚拟实验的编程设计、设计理念、设计目的、设计意义等做了深刻的研究，归纳了技术融于教学研究中的关键问题，指出了虚拟实验通过为学生提供安全的媒介和互动的真实模型在教育中有重大作用及其虚拟实验可以在不同的环境和各种教育步骤如何运用研究的主要进展[8];讨论了虚拟实验的类型、影响因素、过程机理和描述方法，并在此基礎上，对技术建构的多元智能教学的研究前景进行了展望[9]。我们梳理了国外已有实证研究思路，以期给国内学科教育研究和教育技术研究者提供借鉴。

3.1 学生的个体差异性

PhET虚拟实验不一定适合每个人，不一定能促进每一类学生的科学学习，个体的兴趣、技术应用能力、空间想象能力等方面都存在着差异性。

Yang（2003）将个体差异纳入了对虚拟实验影响因素的研究，关注并调查空间能力与动画对学生学习能力的影响[10]。在本研究中，415名本科生被分类为动画组和测试组，并且每个组都安排空间想象能力水平高低有差异的学生。测试主题为“电化学”，当教师讲课时，一组人观看了PhET提供的该过程的动画，而另一组学生则是观看教师演示的静态图像，并与导师讨论。最终结果表明观看动画学习的学生得分相对较高，并且在观看静态图像的学生中，没有检测到与空间能力影响因素的交互作用。另一方面，获得更高测试分数仅适用于空间想象能力较高的学生，这个结果表明空间想象能力低的学生在观看动画和图像时将其内化为自身知识可能会有更多的困难。

3.2 虚拟实验的学习效果

Christopher（2015）以155名大一新生为样本，通过学习《普通化学》课程中“融化”、“冷冻”、“蒸发”等概念，探讨可逆物理变化过程中的粒子运动。研究者用PhET交互式模拟的动画向学生展示微观世界的相应变化，以及“融化、冷冻、蒸发”循环过程，并花费一定时间评价学生的知识掌握程度。结果发现一些学生仍然带有一些错误观念，虚拟实验的使用没有影响这些学生原先对液体中颗粒运动的看法，学生依旧认为所有液体的颗粒运用速度和方向是一样的，忽视了微粒质量的影响[11]。

Sumathi（2017）通过探讨PhET交互式模拟在提高学生对理解和解决化学平衡概念的误解方面的有效性，认为虚拟实验有利于提高学生对化学知识的理解和消除一些误解[12]。采用化学平衡概念诊断工具（CEDI），对同一所大学的两个完整课程的104名预科学生进行前测和后测。随机分配的实验组（N=52）使用PhET进行教学，对照组（N=52）接受传统化学教学设计的指导，其中使用普通的化学平衡动画课件。研究结果表明，实验组学生的成绩显著高于对照组学生。此外，两组学生的迷思概念比例都有所下降，而且实验组澄清迷思概念表现显著优于对照组。

由此可见，PhET可能与教学主题相关，

但并不一定能促进所有理科主题的教学，

其作用机制值得深入研究。

3.3 如何使用虚拟实验——虚拟实验与真实实验相结合

虚拟实验不可取代真实实验，其各种因素是人为设定的，真实实验却拥有许多人们难以预测的因素。在模拟中，并不总是可以百分之百创建一个真实准确的环境。所以要认识到尽管虚拟实验有动态可视化的普遍积极影响，但它们也有一些限制。例如可能会导致学生的思维模型不准确。不同学生拥有不同的先验知识，因此研究者需要考虑： 当在教学中使用PhET虚拟实验时，学生也可能会从中产生误解，收获有所差异，最后可能增加学生的认知负荷。学生不可能通过虚拟实验完全掌握原子能级、光电效应、摩尔电导率等高深知识，比如关于原子结构的教学，国外已有研究者肯定虚拟实验对学生积极性的促进作用，但也认为应该将虚拟实验与传统化学课堂结合，他们发现学生仅通过虚拟实验学习会产生许多误解，比如对能量最低原理的误解，虚拟实验不可能将所有因素都呈现在学生面前[13]。因此如何正确使用它，充分发挥其教育效果才是我们要探究的问题。

土耳其教师进行的相关研究将学生分为实验组和对照组，关注PhET对实验学习的影响。实验组的学生通过虚拟实验技术学习，而对照组的学生在课堂上接受传统的实验教学[14]。研究对象的不同（实验主题的难易程度不同）以及其他原因导致了不同的研究结果。有的研究结果表明应用虚拟实验的实验教学优于传统实验教学，而有的研究结果恰好相反，也有的研究结果表明两者相差不多。因此建议将真实实验和虚拟实验技术结合起来，提高未来教学的效率，将虚拟实验应用于学生通常难以学习的抽象内容，如酸碱性、原子和分子、动力学等教学，而真实实验用于未知影响因素过多的内容。

4 啟示

4.1 虚拟实验在化学教学中的价值

我国已经出台的高中化学课程标准（修订稿）将“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”作为学科核心素养的重要内容，以PhET为代表的虚拟实验软件能提供相应的学习工具。

首先，课堂上的实验探究要花费一定的时间，学生需要进行实验、收集证据、分析与论证、评估以及交流与合作。较长的探究时间明显受限于教学课时，而虚拟实验软件最多只需要十分钟，便可以完成探究活动，在不降低课堂互动性的情况下，使教师达到预期的教学效果。且学生在不浪费时间的前提下，也有机会一次又一次地重复虚拟实验。其次，虚拟实验技术在化学实验技术上占优势，比如可以进行风险性较高的实验。因此，教师应尽可能地利用这种技术，在课堂上适当地使用交互式动画模拟。最后，虚拟实验技术可以高效解决化学问题。虚拟实验能抓住事物的本质，规避客观世界不必要的复杂因素，还原各种原理和现象，这使得它比实地描述的客观世界更为有用[15]。

虚拟实验尤其适用于以下实验探究： （1）模型建构： 理解枯燥的抽象概念和规律，以质量守恒定律为例，虚拟实验会提供一个天平模型供学生理解;（2）宏观辨识与微观探析： 观察化学反应中的微粒变化或巨大的事物;（3）信息化： 记录反应速率太快（溶解）或太慢（凝固）的实验数据;（4）成本低廉： 使用器材昂贵的实验;（5）需要重复进行不同参数条件的实验，以扩散现象为例，虚拟实验可以设计一些变量的数值（压强、温度）探讨其是否影响变量（分子运动的状态）;（6）社会责任： 具有危险性的实验（用到有毒气体）[16]。

然而虚拟实验只是一种互动学习辅助工具，受到课程知识、学习者、执教者个体差异的影响，急需经过本土化改造后，促使更多的一线教师将其应用到教学实践过程中，获取更多的基于技术的学习证据[17]。

4.2 对未来虚拟实验的发展预测

PhET作为虚拟实验的一种典型案例，开发者考虑到目前技术支持下的教育推广，已经将最初限制在台式电脑上的动画课件，拓展到平板电脑和智能手机上的APP。未来虚拟实验将会由基于电脑互动虚拟实验室转变为VR技术支持的投影实验室，除了电脑和手机，以PhET为代表的虚拟软件的载体工具也可能只是一副眼镜，学生可以在投影出的实验仪器上进行化学实验。

4.3 PhET的局限性

PhET存在一些局限性，需要改良： PhET上有些教学资源的有效性和合理性并没有得到充分的评估;我国教师将PhET融入化学课堂的案例太少，大部分案例与物理课堂和小学科学课堂有关;PhET上的化学资源主要涉及我国普通化学主题，对于中学化学资优生虽然可以借鉴，但毕竟国外教学体系和我国差异较大，应用面还是太狭窄。

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