基于PhET的初中物理课堂教学设计——以“平衡探究实验”为例

黄春梅，叶晓波

(楚雄师范学院 国有资产与信息化管理处，云南 楚雄 675000)

生活中处处充满着物理现象，如力、光、热、电，这些物理现象大多数都可以用中学物理知识来解释，与生活密切相关的知识本可以激起学生对物理的兴趣[1]，但现实物理教学中，只是让学生死记概念、公式或者原理，从而导致学生对物理学习没有兴趣。如何才能让学生对物理产生兴趣，甚至爱上物理，是教育者不断研究和思考的课题。

随着互联网技术和信息技术的不断发展，物理教学中PhET随之诞生，目前已有很多PhET仿真程序，如何利用已有PhET程序来提高物理教学效果是物理教师关注的热点。

一、传统物理实验教学的优点与不足

1.实验教学的优点

物理是以实验为基础的一门课程，每本教材中都会安排几个实验，每章后也会有小实验，因此实验教学是物理课程中重要的一环，它不仅可以提高学生的学习兴趣、动手操作能力以及实践能力，还可以培养学生严谨科学的精神。而且很多物理公式、规律都是根据实验现象总结归纳出来的。

实验教学操作步骤简单，教材中每个实验都会有具体的操作步骤，只要按照步骤进行，任何人都可以操作，都可以探究发现此前科学家们已发现的物理现象，从而更能激起学生探索物理科学的兴趣。

2.实验教学的不足

一方面物理实验仪器和设备都是比较精密贵重的，稍不小心就可能被损坏；一套物理设备动辄几十万，所以这些设备更新换代极其慢。另一方面在真实的实验室中做实验时，常会用到电、火等危险物品，稍不小心就可能酿成大祸；做实验时，一般要进行分组合作完成，但学生学习水平、动手操作能力具有差异性，有些学生在实验中东瞧瞧西摸摸，不但对自己小组毫无帮助，还尽捣乱，拖小组后腿，这样就很难在规定的时间内完成实验内容，进而影响整节课的进度。

二、关于PhET

PhET是Physics Education Technology的简称，译为物理教育技术。是卡尔·威曼2002年在科罗拉多大学制作、运行的，旨在通过自由互动仿真程序，在世界范围内提高人们的科学教学素养[2]。

PhET网站(https://phet.colorado.edu[3])上已有很多互动仿真程序，而且这些仿真程序对全世界开放，可以免费下载学习和在线学习。

随着各学科PhET仿真程序的快速增加，PhET受到越来越多的研究人员和教师的青睐。目前，这些模拟仿真实验已涉及到生物、化学、地球科学、数学等学科，供全世界研究人员、爱好者、教师和学生免费使用。

早期开发PhET仿真程序主要利用Java和Flash技术，用这两项技术所开发的仿真实验与很多平台不兼容，不同的平台需要不同的技术来支持，对于不懂技术的教师和学生来说，要用这些仿真程序有点儿困难。

2013年，PhET开始使用HTML5技术来开发仿真程序。用HTML5开发设计的程序可以跨平台无缝对接，无论是windows xp、win7、win8、win10，甚至LINUX系统、Unix系统，只要安装有浏览器，仿真程序就可以运行了。

三、PhET的教学准备：“平衡探究实验”的教学分析

以下就“平衡探究实验”仿真软件进行教学设计分析，而教学设计需要考虑六个具有内在关联的复杂因素和环节[4—5]。

1.学习需求分析

学习需求主要是学生在学习相关知识前所具备的已有知识和相关经验。在学习本节课前，一方面，学生已经学习了力学中的一些基本概念和定律，并能将这些力学知识用于解释生活中的一些问题。而杠杆是力学知识的进一步拓展和应用，因此，学生在学习本节课的教学内容时，已经具备了相关的知识基础。另一方面，学生在生活中所用到的剪刀、钳子、天平、跷跷板等，都具有杠杆的特性，讲解起来更容易被接受，也更容易激起学生的学习兴趣。

2.学习内容分析

“杠杆”[6]是人教版八年级下册第12章“简单机械”中第1节的教学内容。在PhET网站中，“平衡探究实验”正好就是讲解杠杆的相关知识。所以，在讲解“杠杆”这节内容时，可以利用“平衡探究实验”来讲解。教学内容有：杠杆的概念、杠杆的相关名词术语、动力臂和阻力臂的画法、杠杆的平衡条件。教学重点是杠杆平衡条件的理解，以及利用平衡条件解决问题。教学难点是通过仿真实验推理出杠杆的平衡条件。

3.学习者分析

在学习本课前，学生已经学过三种性质的力，已掌握了相关的知识，为本节学习做好了准备。本节课的学习者是初二学生，该阶段学生的思维处于具体思维向抽象过渡阶段，抽象思维能力不强，还需要借助具体事物进行理解。初二学生容易接受新生事物，喜欢挑战，不喜欢全程“教师讲、学生听”的教学模式，因此，在讲解杠杆的内容时，让学生自己动手操作和在PhET中通过愉快的游戏来学习各知识点，更能训练学生的动手操作能力和归纳推理能力。

4.学习目标分析

知识与技能目标：理解杠杆定义，能从日常工具中辨认出杠杆部分；理解杠杆相关的名词术语：支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂等概念，并能绘制力臂，理解杠杆的平衡条件。

过程与方法目标：通过操作仿真实验，感知杠杆；在操作过程中，进一步理解杠杆的支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂的概念和平衡条件。

情感目标：让学生感受到杠杆在生活中有着重要的作用，乐于发现和分析生活中的杠杆，培养对物理的兴趣；在操作仿真实验过程中，让学生体验物理科学的魅力；培养学生认真观察、推理能力以及团结协作的精神。

5.教学方法的设计

在本节课中，主要使用仿真程序实验法、归纳法、讨论法、讲授法等。仿真实验法主要是培养学生的动手能力，归纳法用于归纳总结出杠杆的平衡条件，讨论法和讲授法穿插在整个教学过程中。

6.教学媒体的选择

本节课所需要的教学媒体主要是多媒体计算机和互联网，利用网络在线联接或者下载仿真实验程序到终端计算机上供学生使用。

四、PhET的教学应用：“平衡探究实验”的教学过程(1节课45分钟)

通过教学设计分析，研究者在楚雄市随机选择了5所初级中学，并从中随机选出10名初中物理教师在课堂上利用仿真实验“平衡探究实验”进行教学，取得了良好的教学效果。所有教师在实施教学过程中都惊喜地发现：这种仿真实验不但解决了在实验室可能会遇到的各种意外情况，而且更能激起学生的学习兴趣，特别是游戏阶段，每个学生都积极主动地操作并记录、思考。

结合课堂中所观察到的教学情境，整理出“平衡探究实验”的教学过程(1课时)，如表1所示。

五、反思与展望

上述教学设计分析及利用“平衡探究实验”学习“杠杆”知识的整个教学过程可以看出：PhET仿真程序能使教学寓教于乐、寓学于乐，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的积极性，从而提高教学效果，这也是PhET在全世界受到各学科教师青睐的原因。但在应用PhET时，还需要注意以下三点：

1.不是所有的知识点都适合PhET教学

其一，PhET网站中所提供的仿真程序已涉及到很多学科，如生物、化学、地球科学、数学，包含了小学、初中、高中、大学的课程，截至2019年8月9日共有仿真程序149个，但物理仿真程序只有几十个，而初中物理知识点上百个，显然PhET网站中仿真程序并没有包含所有的知识点。其二，物理课程中有很多定律、公式、法则等理论知识的介绍，这些知识只需要教师推理和讲解，学生跟着教师的思路学习就可以理解的，因而不需要借助仿真实验，当然也就不需要借助PhET来教学。

表1 教学过程

2.教师机要有可以监控学生电脑的电子教室等软件

在计算机网络教室中，每台电脑都可以上网，理想状态是所有学生都会好好地操作仿真程序。但每个班总有些学生不能专注于实验，常常趁老师不注意时做其他事情，如在线聊天、看影视剧等，仅靠教师在教室里走动去督促学生学习会很困难。如果教师机上安装可以监控学生机的软件，所有学生机会自动连接到教师机，教师坐在电脑前就可以知道学生是否在认真操作仿真程序，而且可以查看每个人的学习速度和进度，对操作不当的学生，可以进行一对一的指导与帮助。

3.教师需要有终身学习的理念

运用PhET进行教学，首先需要了解PhET是什么，PhET适合哪些课程哪些知识点，运用PhET教学时应如何设计教学方案，是否能控制课堂教学进度，是否能够提高学习效率等。这就需要教师树立终身学习的理念，不断学习、汲取新知识、掌握新技术，提高对课堂的宏观掌控能力，而且需要教师熟练掌握所教课程及各种教学方法，将所学知识及技能运用于教学实践，提高教学效果。

总之，将PhET运用于“平衡探究实验”中学习“杠杆”知识，可以提高教师的教学效率和学生的学习效果。在物理教学中，通过仿真实验让学生自己发现规律，更能激起学生的学习兴趣。因而，在物理教学中，要充分利用PhET网站中所提供的仿真程序不断提高教学效果。