基于PhET的PAD课堂教学设计——以“原子的构成”为例

罗滨会 陈 璐

（贵州师范大学化学与材料科学学院 贵州贵阳 550025）

21 世纪以来，信息技术不断推动着社会的变革和发展，将信息技术与教学相融合进行教学逐渐成为主流。由诺贝尔物理学奖获得者卡尔·威曼发起，在科罗拉大学制作运行的PhET（Physics Education Technology）仿真模拟平台因其资源开放、模块教学形式生动形象等特点，逐步将其镶嵌融合到不同学科、不同教学形式的课堂教学中［1］。具体的实践表明，作为一种新型的教学形式，PhET 互动仿真平台提供的模块化学习，能够强化关于“模型”观念的渗透，将微观过程进行可视化的处理。教师在兼顾团体的进度及个体的差异之间矛盾的同时学生能够自主分配独立学习和合作学习的时间，全面提高学生的科学素养［2］。

现阶段关于初中原子构成的教学，常是以原子结构模型演变历史过程为主线，从科学论证的维度出发设计原子结构的教学，注重原子模型的搭建，或是以微观动画的形式呈现原子结构的模型，直接告知原子空间构造，学生多处于一个被动学习的位置。周正翔等［3］以科学史为线，梳理原子结构模型的演变历史，提高学生兴趣的同时加深其对模型观念的理解，任宁生等［4］同样以原子结构的演变历史贯穿整个课堂，创设出具体的教学情境，极大地提高学生对科学文化的感知，但上述研究对于学生来说缺乏一个宏观角度与微观世界相结合的切入点；高慧等［5］开展的混合式课堂教学，引入3D MAX 多媒体技术制作原子结构类比模型，有助于学生理解抽象的原子空间结构，但依托于微观动画演示，探究性并不突出。

本次设计基于PhET 仿真模拟平台，融合PAD（Presentation-Assimilation-Discussion）课堂进行探究活动的教学，PAD对分课堂由讲授-独立探索-小组讨论三个环节组成，重视“研讨”的作用，强调学生学习的自主性和独立性，突出教师与学生、学生小组之间的互动性［6］。该种教学方式一方面可以升华以化学史为主线的单一教学过程，另一方面新课程背景下倡导促进学生学习方式的转变，化学课堂应该更为自主化、合作化，本次教学设计可以充分体现学生的独立性，整个教学过程充满探究的意味，旨在促进学生思维的灵活转换，提高其分析问题、解决问题的能力，以达到全面提高学生学科素养的课程宗旨，此外，本次设计在PAD课堂的基础环节之上，增添了游戏评价环节，有利于对学生学习情况进行实时反馈，以便教师根据实际情况调节整个课堂的教学进度。

一、利用PhET平台设计教学准备：原子的构成教学情境分析

1.教学内容分析

“原子的构成”内容选自人教版初中化学九年级上册第三单元课题2“原子的结构”。《义务教育化学课程标准（2022年版）》对该部分的教学建议为帮助建立模型认知，知道物质是由分子、原子等微观粒子构成的，认识原子是由原子核和核外电子构成的［7］。在学习课题1时，学生已具备了一个前概念认知——分子是可以再细分为原子的，在化学变化中原子是不可以再分的最小粒子，该节课是分子可分为原子内容的延伸，在脱离“化学反应”的条件约束下，原子也有其内部的结构，为了促进学生观念的转变，探究原子的可分性，学生需要充分理解原子的空间结构及各粒子所处的大致位置、原子核与核外电子之间的内在联系。在PhET平台的相关操作界面对于原子内部结构进行了空间模拟，增强学生直观的感性认知。

2.学习目标分析

（1）体验“提出问题—实验验证—建立模型—运用模型解决问题”的一般探究过程，深入了解原子的内部结构。

（2）通过多样化的活动类型从可视的宏观物质出发认识其微观结构，从而实现宏观辨识与微观探析在认知水平上的自由转换。

（3）通过化学史中原子结构探索的学习，国内原子弹研发过程的介绍，创设合理的学习情境，进而培养学生的爱国主义思想，逐步形成严谨求实的钻研精神。

3.教学平台分析

在PhET 相关“原子模型”中，共有三个不同的操作模块，每个模块对应着相应知识点，本次设计主要使用“建立原子”“比赛”两个模块，在建立原子模块中，可以自由选择模拟质子、中子和电子，当正确组合三者的数量形成原子后，会实时在左侧元素周期表中显示出该原子的位置，并且提供了电子模拟轨道、电子云轨道多种展现形式，便于使用者直观观察，当选择的质子数与电子数不匹配，使原子带有电性，右侧的电荷天平会出现偏转，选择不匹配的中子数，整个原子的内部会提示原子结构不稳定的字样。可以随意增添粒子数量的同时，会通过不同的形式让使用者明确正确的原子内粒子数量的关系，如图1所示。

图1 平台操作界面

二、基于PhET平台的PAD课堂教学流程

1.教学思路

“原子的构成”教学过程与PAD 对分课堂的三个环节讲授、独立探索、小组讨论逐次对应，额外增添了游戏评价环节，以自主学习、合作探究、师生双边互动相结合的形式开展教学，促进学生学习方式的转变，整个教学过程以问题导引的形式将课堂串联。在讲授环节，以国内第一颗原子弹的爆炸引入，以卢瑟福α粒子的散射实验为切入点，引导学生认识到脱离化学反应的条件约束下，原子也是可分的。独立探索环节主要有两个驱动型问题：（1）对构成原子微粒及其空间分布的探究；（2）原子核内粒子及其所带电荷，学生需要通过PhET 平台进行原子结构的模拟，自主得出结论。小组讨论环节主要是对原子内部各粒子之间存在的数量对应关系的一个讨论，通过该平台进行不同原子结构的模拟，记录各粒子数量变化及其对应关系，提高自身的分析归纳能力。而评价环节，区别于传统的随堂测试、口头分析的评价形式，以PhET平台的相应板块的游戏环节对学生进行系统评价，并且能更好地通过后台数据，关注到每个学生的游戏答题情况，调整教学进度。具体的教学设计见图2。

图2 教学流程设计思路

2.教学流程

2.1 讲授

［教师］

背景：1964 年10 月16 日，在新疆罗布泊，中国第一颗原子弹的爆炸。

问题：原子作为化学变化中最小的微粒，为何会有如此大的能量？其内部结构是怎样的？

讲授：通过卢瑟福的α粒子散射实验介绍原子的可再分性。

引入：PhET仿真模拟平台，介绍其相关操作。

设计意图：激发学习兴趣的同时增强学生的爱国主义情怀，结合分子可分为原子，原子是化学变化中最小粒子的概念，帮助学生跳出“化学变化”的条件限制，意识到原子同样有其结构，激发学生进一步探索的欲望。

2.2 独立探索

［学生活动］登录PhET平台探究构成原子的微粒以及各粒子的空间分布情况，对原子空间结构进行模拟。得出原子是由原子核及核外电子构成的。

［教师］电子在核外空间做高速运动，并且一个电子带一个单位负电荷，而原子显电中性，原子核内是否有微粒与核外电子电性相抵消？

［学生活动］使用PhET平台探究原子核内粒子及其所带电荷，得出原子核一般由质子与中子构成。以He原子为例，加入与之不匹配的电子，整个原子的电性发生改变，而加入与之不匹配的中子，原子的电性不变，学生操作见图3。

图3 模拟探究质子中子带电情况

结论：质子带正电，中子不带电。

［板书归纳］

设计意图：自主探究环节主要发展学生对问题的理解和分析的能力，教师只提供探究问题，具体的知识点讲解从教师的讲授过渡到学生的自主设计探究，学生参与到获取知识的过程，能对原子的可分性、原子内部微粒的排布、微粒所带电性有更加深入和清晰的认识。

2.3 小组讨论

［教师］原子内部的微粒是毫无联系的吗？各粒子在数量上存在何种关系？

［小组讨论］原子的核电核数、质子数、核外电子数之间存在一定的关系，上一环节中质子数与中子数在数值上相等是否存在偶然。

论证：再次利用PhET 平台模拟典型元素原子的内部结构，记录各微粒数的变化情况，生成表格，具体情况见表1。

表1 典型原子内部粒子数量变化情况记录表

归纳分析，得出结论：核电荷数=质子数=核外电子数。

设计意图：小组讨论环节，可以在一定程度上训练学生收集数据、分析归纳信息的能力，从个别的原子内部微粒数的变化推演到一般的总结性知识，通过与同伴不同思维的碰撞，发展发散性思维。

2.4 评价

［学生活动］选择PhET 平台的游戏模块，通过闯关积分的形式完成本堂课的检测，后台数据发送到教师端，游戏形式见图4。

图4 PhET平台提供的游戏评价形式

［游戏模块］

考查维度：

（1）构成粒子与其所属原子的对应关系。

（2）同一原子中已知其内部某一微粒任意数量，计算其他微粒数。

（3）原子的核电荷数判断。

［学生］以游戏比赛的形式，回顾本节课的探究环节，实际操作界面见图5。

图5 不同的游戏模块学生的操作界面

［教师］测试数据反馈到游戏后台，教师根据学生的得分情况进行易错点的分析总结，及时调整课堂进度。

设计意图：抛开传统的评价方式，以游戏的形式检测学生对本节课所学知识点掌握的情况，可极大提高学生的学习兴趣，形式多样的游戏形式，一方面可从多个维度了解学生的学习状况，另一方面便于教师对全班总体及个别同学的情况分析，更有利于因材施教，调整课堂的整体进度，关注到不同层次学生的发展。

三、教学反思

本次设计围绕“原子的构成”为中心内容，PhET仿真模拟平台结合PAD 对分课堂进行教学情境的创设，突出表现的优势：（1）极大地增强学生的感性认知，将难以想象的微观结构进行可视化的转换；（2）基于一系列的驱动性问题，学生可以全程参与到整个探索的环节，教学过程充满趣味性；（3）PhET 平台的使用可在电脑端、平板、手机客户端登录使用，不受空间与使用设备的限制，并且在具体教学中一定程度上培养学生小组合作探究的能力；（4）区别于传统的PAD课堂，增加了评价环节，利用平台提供的游戏模块对学生学习情况进行评估，转变了传统测验的评价方式，实现评价方式多样化、系统化，教师能及时观测到不同学生的游戏完成情况，进行多方位分析，及时调整课堂进度。

与此同时，结合该平台的教学形式也存在着一定的缺陷：一方面，PhET平台界面上插入了电子云运动状态、原子与元素周期表排列的关系等学生在现阶段不能完全理解的概念知识点，增加了探究的难度。另一方面，核外电子在绕原子核做高速运动时，并没有固定的运动轨道，仅是存在着常出现的运动范围，但是平台给出的既定轨道容易给初学本节的学生造成一定的思维误区。针对以上问题，教师在进行实际教学时可适当简单说明，还未涉及的特殊名词，可以作为课后作业，通过资料收集等方式让学生简单了解，并为之后的化学相关知识的学习奠定一定的基础，而电子运动轨道可以单独强调，平台的模拟过程只是为了方便理解而引入，随着知识储备的不断扩增，会逐渐明白核外电子的真正运动情况，激发学生学习化学热情的同时，培养其对“所谓真理”的批判性思维，帮助学生深入理解掌握原子的内部结构。