PhET互动仿真模型平台在高中物理建模教学中的应用

韩薇 杨晓梅

摘   要：高中物理课程标准中，物理核心素养占重要地位，物理核心素养中的科学思维与科学探究能力对于物理建模教学尤为重要。PhET互动仿真模型平台具有互动及时反馈、仿真数据可调节、理想与现实情境可切换的特点，将虚拟仿真与物理模型教学高度融合，为物理模型教学提供了一个有效途径。

关键词：PhET互动仿真模型平台;物理建模教学;核心素养

1    引   言

中华人民共和国教育部制定的《普通高中物理课程标准（2017年版）》中，关于课程目标提出，要求学生具有建构模型的意识和能力;能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论[1]。解决物理问题的过程是模型匹配、模型组合、模型解释的过程，物理仿真模型可以帮助学生培养其科学思维能力。

互动仿真模型平台可以激励学生在直观的、游戏化的环境中进行探索和发现。它以其生动、准确、互动的特点，将虚拟仿真与物理模型教学高度融合，弥补了传统教学的不足。PhET互动仿真模型平台将物理多个单元的知识点融合在一个模型中，帮助学生建立知识网络，在系统地学习理论知识的同时，将所构建的模型运用到实际生产、生活中，让学生在学习中探究，在探究中学习，是培养学生科学思维的沃土，完全符合《普通高中物理课程标准（2017年版）》中核心素养的培养要求。因此，本文对PhET互动仿真模型平台在高中物理建模教学中的应用进行了探讨。

2    互动仿真模型平台介绍

PhET （https：//phet.colorado.edu/）由诺贝尔奖获得者卡尔·威曼用其诺贝尔奖奖金于2002年创立。该计划由科罗拉多大学的团队专项运营，旨在创建免费的数学和科学互动程序[2]。PhET是一个非营利的、开源的平台，可帮助学生深入探究科学知识。该平台已被翻译成包括中文在内的93种语言，在 STEM 教育领域成绩斐然。至今，有2057名教师在此提交课程，美国已有1233个高中和276个高等学府使用PhET作为教学手段。PhET互动仿真模型平台无需注册与配置，其HTML5仿真可以直接在线操作，使教学过程更加便利。

本文主要探究PhET互动仿真模型平台在高中物理建模教学中的应用，按平台给出的学段划分，制成了如表1所示的仿真模型统计表。

3    PhET互动仿真模型平台与高中物理建模教学

3.1    物理建模教学的定义

人教版高中物理必修1中将物理模型定义为：在物理学中，通过突出问题的主要影响因素，忽略某些次要的影响因素，而建立的理想化的研究对象[3]。建模教学是一种科学和数学学科相结合的探究教学模式，是一种引导学生参与建立 、检验与应用自然规律概念模型的教学活动。物理建模教学提供了一種与科学家如何做研究相近的形式 ， 其课程围绕少量相关联且凸显了物理学特征的基本模型予以展开[4]。因此，基于科学思维的物理模型教学设计的基本环节应包括呈现问题情境、建立物理模型、分析物理模型、应用物理模型，其环节所对应的具体内容如图1所示。

3.2    案例说明PhET在物理建模教学中的应用

以单摆模型为例。单摆模型可以表述为，将一个可视为质点的小球拴在一条不可伸长的轻质细线下端，当不必考虑空气阻力的影响时，在摆角很小的情况下，可以看作简谐运动，其振动周期公式可导出为：T=2π。由此，在PhET中选择适当的仿真，辅助进行物理建模教学。

3.2.1    呈现问题情境环节

教师以形象、直观的“钟摆实验”仿真模型向学生展示问题情境，引导学生觉察问题，尝试以建立模型的思维去观察并猜想单摆的运动、受力情况与能量转换及其影响因素，这利于培养学生的科学思维，激发学生对情境的感性认识，提升学生对物理学科的兴趣。

在该仿真的入门单元中，涵盖了单摆模型的主要影响因素，包括摆长、摆重、摆角、摆高、重力加速度以及阻力。在问题情境的创设中，将抽象化的理想模型直观地展示出来，促使学生从科学思维的角度去处理问题。

3.2.2    建立物理模型环节

根据PhET互动仿真模型平台呈现的直观问题情境，学生可由此自主确立建模对象——轻绳与质点小球组成的单摆，对象所处外部环境——受重力与摩擦力，以及所经历过程——做简谐运动，通过仿真平台的互动性操作，学生可以通过实时的反馈体会各个影响因素的主次关系，能自主归纳得出模型中的主要影响因素与次要影响因素。

在该仿真的实验室单元中，有各种参数面板（如图2），包括摆长、摆重、摆角与起始高度等基本设置，通过设置可以观察到理想与现实情境的差距，如重力场可改变，摩擦力大小可调节。学生通过控制变量，可以对现实生活中不易观测的现象进行直接的观察。

3.2.3    分析物理模型环节

经历了物理模型的探究操作，学生已能初步判断单摆模型的影响因素的主次。为了从定性和定量两方面更深一步探究模型中的物理规律以及数学关系，准确而及时的反馈必不可少。实际操作中我们可以通过各种测量工具以及传感器得到反馈，而PhET互动仿真模型平台包含所需的虚拟测量仪器与传感器，更精确、方便地解决了这一问题。

该仿真的实验室单元中，在周期记录方面，提供了秒表与周期计时器;在运动情况方面，添加了尺子、速度与加速度的指示箭头;在能量转换方面，提供了柱状能量图（如图3）。学生可通过控制变量，自主设计理想状况下的各个参数变化统计表，由此探究不同变量之间的关系。

以探究单摆的摆长、质量与周期之间的关系为例（摩擦力设为0，重力加速度设为9.8）。学生可设计如表2所示的统计表。

通过对表2中的统计数据进行归纳、分析可知，当摆角足够小（5°）时，摆长与单摆的周期成正相关，而质量与周期无关。在这一过程中学生通过合作探究、收集数据、制作图表，来推理变量之间的关系。与此同时，教师进行适当的引导，帮助学生将公式与模型结合起来，这样不仅仅是记住公式，而是能将单摆周期与摆长的数学关系式T=2π中的每一项变量与物理模型进行一一对应。

在这样的探究过程中，学生能够意识到，对物理模型的理解不只是感性的认识，还需要用精确的数字与公式来表明其中的规律;物理公式也不仅是数字与符号的计算，还对应着各自的物理模型。

3.2.4    应用物理模型环节

通过条件参数的设置，PhET互动仿真模型平台可以模拟实际生活中模型的应用，以促使学生深入探究，拓宽思维。

在该仿真的实验室单元中，通过调节重力场与摩擦力这类在实际操作中难以调节的影响因素，将学生已建立的物理模型应用于各种现实情境中，帮助学生完成从现实构建理想，又从理想回归现实的探究过程，训练了学生的科学思维，帮助他们将所学知识运用到实际生产、生活中，探究不同条件下的应用，通过模型组合，解决不同环境下的现实问题。

4    结   语

随着教育与互联网+的接轨，对于中学物理教学中所包含的大量抽象概念以及较难理解的模型，学生可以通过虚拟仿真平台进行一系列物理模型学习，模拟科学家的科学探究活动，锻炼其科学思维，培养其物理建模能力。虚拟仿真平台辅助下的物理建模教学，将是未来物理教学的一个新的亮点。然而在实际教学中，仅仅是仿真模拟，并不能训练学生的动手能力，学生的动手操作必不可少。且仿真模拟的结果过于精确，忽略了实际操作中的误差，降低了学生对于误差的敏感度。因此，教师应将PhET互动仿真模型平台的演示与实物演示以及实验教学结合起来，让学生将模拟与现实进行对比，引导学生基于现实与虚拟的差异进行探究，让课程资源得到最大的利用，实现现代科技与教育理论的完美融合。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2]PhET[EB/OL].https：//phet.colorado.edu/zh_CN/.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 普通高中课程标准实验教科书物理2必修[M]. 北京：人民教育出版社，2010.

[4]ColleenMegowan-Romanowicz，许桂清.物理建模教学模式简介[J].物理教师，2011，32（8）：1-3.

（栏目编辑    张正严）