虚拟仿真程序辅助物理教学的实践探究

蔡世娟

《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出，教师要有效使用信息技术丰富教学途径与形式，充分发挥信息技术的优势，创新教学方式，提升教学的效果和效率。《教育信息化2.0行动计划》提出，要推动信息技术与教育教学融合，全面提升师生信息素养，为学生提供有效的学习工具和丰富的教育环境。在以往的物理教学中，由于缺乏合适的工具来演示一些抽象和复杂的科学概念、物理规律及动态变化过程，学生记忆和理解相关知识比较困难。例如，在“凸透镜成像的规律”新课教学中，大多数教师通过演示实验引导学生探究得出凸透镜的成像规律，还通过PPT演示、播放微课视频、用粉笔手绘光路图等方式来辅助教学，但是教学情境单一、刻板，教学互动性差，无法真正激发学生兴趣。学生接受传统教学获得的感性认识，难以透彻理解相关概念和成像规律，少数学生死记硬背凸透镜成像规律造成思维混乱，无法学以致用。如何丰富物理课堂教学途径、创新教学方式以提升教学效率和教学质量是教育工作者亟待解决的问题。笔者以人教版《义务教育教科书 物理 八年级 上册》中“凸透镜成像的规律”的教学为例，介绍虚拟仿真程序PhET辅助下的物理教学设计思路和实践方法，旨在将抽象且复杂的物理概念、成像规律，通过形象、直观的动态仿真图展现出来，深化學生对凸透镜成像规律的理解，提高教学效率。

一、PhET介绍

PhET是物理教育技术（Physics Education Technology）的英文简称，是一款教学资源丰富的开源互动虚拟仿真程序。它包含物理、化学、数学、地球科学、生物学五大学科，其中虚拟仿真程序均由具有专业背景的人员基于最新的科学研究和教学实践进行设计、开发、测试和评估，以确保仿真程序的科学性、有效性和实用性。PhET能将抽象复杂的科学概念、物理规律、微观事实可视化。教师借助PhET的游戏情境开展互动教学，能让学生沉浸在教学过程中，以达到寓教于乐的目的。PhET自发布以来已被翻译成90多种语言，超过200多个国家或地区的教师用其辅助学科教学，涌现出大量的优秀课例，正在被上亿用户免费使用。此外，PhET支持教师在教室电子屏幕上在线或离线操作，在增强演示性的同时提高课堂教学效率，也支持学生借助智能手机、平板电脑等移动设备随时、随地进行课后自主学习以弥补课堂学习的不足。

二、PhET辅助下的物理教学

（一）设定实验参数

在探究实验结束后，教师打开浏览器登录

PhET官网（https：//phet.colorado.edu/zh_CN/）；点击右上角“”中的仿真程序，依次选择“物理”“几何光学”“透镜”，进入PhET操作界面。

笔者从实验界面尺度、教师操作便捷度、学生观察便捷度的角度设定实验参数，从物体选项中选择“”（可根据学生喜好自由选择）；对于光线，选择“主要光线”，系统会呈现三条过凸透镜的光线；对于曲率半径，选择“80 cm”，改变曲率半径可改变凸透镜的焦距；对于折射率，选择“1.5”；对于直径，选择“120 cm”，改变直径可以改变凸透镜大小；勾选“焦点”，在主光轴上显示凸透镜的焦点位置；勾选“虚像”，当物距小于一倍焦距能显示虚像的成像原理图；勾选“标注”，系统能显示主光轴、物体、焦点（）、凸透镜、实像、虚像等物理概念。笔者用横放的“刻度尺”在凸透镜左、右两侧的主光轴上找到二倍焦距的位置并用“”加以标注。

笔者调节物体在主光轴上的高度，通过PhET界面显示三条特殊光线（如图1）：平行于主光轴的光、过光心的光、过焦点的光。按下左上角的锁定按钮“”使其变成“”，此时物体仅能在主光轴上左、右移动。

（二）辅助概念教学

概念是反映事物本质属性的思维产物，概念教学是帮助学生构建知识体系、培养核心素养的重要途径。笔者通过以往的教学实践发现，学生对实像、不成像、虚像等抽象概念的认知较浅，这不利于理解凸透镜成像规律。教师借助PhET辅助概念教学，对错综复杂的实际问题进行抽象化、简化处理，将实际光线转化成简洁、明了的三条特殊光线，进而得到反映事物本质特性的物理模型，让学生能直观地感受实像、不成像、虚像的形成过程和形成原理。这样，在锻炼学生“模型建构”思维的同时也为成像规律的教学奠定坚实基础。PhET辅助概念教学流程如图2所示。

教师按以下步骤教学。首先，向学生提问“平行于主光轴的光、过光心的光、过焦点的光经过凸透镜后各按什么路径传播”，然后用电子教鞭拖动物体使PhET界面上依次呈现实像、不成像、虚像（如图3、图4、图5）。学生通过观察PhET界面上三条特殊光线的传播径迹深刻理解了实像、不成像、虚像的形成原理：经过凸透镜的折射光线会聚成实像，即实像是由实际光线会聚而成；经过凸透镜的折射光线相互平行没有交点因此不成像；经过凸透镜的折射光线由于夹角过大无法在凸透镜右侧会聚，但折射光线的反向延长线可以在凸透镜左侧相交，人眼逆着出射光的方向看去，感到光是从虚像的位置发出的。

（三）辅助静态成像规律教学

初中生的思维正从形象思维向抽象思维过渡且以形象思维为主。以往，教师用传统实物实验，无法将实验过程、实验现象具象化。现在，教师借助PhET辅助静态成像规律教学，能对传统的探究实验过程、实验结果起到补充、完善和验证作用，将学生的抽象思维和形象思维融合起来以满足学生的个性化学习需求。此外，教师还引导学生思考凸透镜成像的规律在日常生活中的应用，进一步提高他们的物理学科核心素养。PhET辅助静态成像规律教学流程如图6所示。

教师借助PhET将物体置于二倍焦距以外的位置，向右缓慢拖动物体靠近透镜使物距依次为：>2、=2、2>>、=、<（如图7）。教师在目标位置上设置一系列有梯度的问题引导学生观察，让他们思考：物距和像距的范围各是多少？物距和像距谁大？成像特点是什么？在生活中有什么应用？学生通过观察PhET实验界面迅速、准确判断物、像的位置关系及像的性质。

教师将物体分别置于一倍焦距（=）和二倍焦距（=2）的位置，并分別在目标位置左、右两侧小幅度多次、缓慢地移动物体（如图8），引导学生观察、思考一倍焦距和二倍焦距左、右两侧成像特点有何区别。学生观察到一倍焦距是虚像和实像的分界点，二倍焦距是放大像和缩小像的分界点，并由此总结出“一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小”的静态成像规律。

（四）辅助动态成像规律教学

凸透镜的动态成像规律一直是教学难点，这一难点的突破不仅要求学生能透彻地理解凸透镜的静态成像规律，而且要求学生在头脑中清晰地建构起成像的动态变化模型。教师借助PhET能准确高效、直观生动、持续连贯地模拟物、像的动态变化规律，弥补了传统实验中成像光路图不可视、实验现象变化不明显、动态变化过程不连贯等诸多不足，将教学难点化难为易、化繁为简。此外，教师还通过师生一问一答、学生组内互助的形式，突出教师的引导作用，体现学生的主体地位。辅助动态成像规律教学流程如图9所示。

教师将物体置于一倍焦距以外的位置（>）并缓慢拖动物体依次靠近、远离焦点，引导学生观察、思考物体在靠近焦点的过程中像的位置和像的大小有何变化。学生直观地观察到随着物体逐渐靠近焦点入射光线会逐渐发散，两条折射光线也随之发散，夹角变大且延迟相交，即随着物体逐渐靠近焦点像逐渐远离透镜且逐渐变大（如图10）。反之，随着物体逐渐远离焦点像逐渐靠近透镜且逐渐变小。学生组内讨论后总结：当>时，物、像的动态变化呈现如下规律，即“物近（焦点）像远（透镜）像变大，物远（焦点）像近（透镜）像变小”。

教师将物体置于一倍焦距以内的位置（<）并缓慢拖动物体依次远离、靠近焦点。学生直观地观察到随着物体逐渐远离焦点，折射光线反向延长线的夹角逐渐变大且提前相交，即随着物体逐渐远离焦点虚像会逐渐靠近透镜且逐渐变小，但相对于物体本身来说像仍是放大的（如图11）。反之，物体在靠近焦点的过程中虚像会逐渐远离透镜且逐渐变大，学生组内讨论后总结：当<时，物、像的动态变化呈现如下规律，即“物近（焦点）像远（透镜）像变大，物远（焦点）像近（透镜）像变小”。

学生学完上述新课，发现不论物距大于一倍焦距还是小于一倍焦距，物、像的动态变化均有规律，即“物近（焦点）像远（透镜）像变大，物远（焦点）像近（透镜）像变小”。教师将上述动态成像规律在表格左右以“对联”的形式呈现（见表1），让学生补上“横批”，在增强知识趣味性的同时方便学生记忆。最后，教师让部分学生上台操作以增强体验感，进一步深化学生对动态成像规律的理解。

三、总结

实践证明，教师在教学过程中适时、恰当、合理地借助PhET来辅助物理教学能提高教学效率。但PhET也有局限性，如无法训练学生的动手操作能力、无法提供真实的实验情境、仿真结果过于理想化等。教师应精心设计教学活动将传统教学与虚拟仿真教学有效融合起来，使两者相互促进、相辅相成。虚拟仿真程序PhET辅助物理教学，可能成为物理教学的一个新亮点。

参考文献

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[2] 沈强.科学方法促进概念理解的教学设计——以苏科版八上“透镜”为例[J].中学物理，2021（14）：4.

[3] 倪志峰，周梁琴.对“物近，像远，像变大”的再研究[J].物理教学探讨，2017（3）：59-60.

（作者系天津师范大学滨海附属学校教师）

责任编辑：祝元志