利用PhET虚拟仿真程序改进“杠杆”实验

〔摘 要〕 杠杆实验是贯穿学生小学、初中阶段的重点实验项目，但在实际教学过程中仍存在诸多不足之处，例如实验内容简单化、学生参与度不高等。本文旨在探讨如何利用PhET虚拟仿真程序来改进小学科学课程中的杠杆实验，以及利用其提升小学生对杠杆实验的理解和学习效果的方法。

〔关键词〕 小学科学；PhET虚拟仿真程序；实验改进

〔中图分类号〕 G424 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674-6317 （2024） 19 067-069

小学教育阶段是培养学生科学素养和探究精神的重要时期，科学实验作为小学科学教育的核心组成部分，具有十分关键的作用。其中，作为一项贯穿小学、初中教学的重点实验项目——杠杆实验，对于培养学生的观察能力、动手能力以及科学思维发挥着举足轻重的作用。在中华人民共和国教育部制定的《义务教育科学课程标准（2022年版）》中，关于“杠杆”课程的概念目标提出，要求学生掌握以下三个问题：能够识别杠杆的三个作用点；能用简单的语言描述杠杆的原理；能判断省力杠杆还是费力杠杆。

然而，传统的实验教学往往受到时间、场地和设备的限制，难以让学生充分参与实际操作，这就导致学生很难真正理解相关知识。为了解决这个问题，虚拟仿真程序应运而生。PhET虚拟仿真程序是一种基于互联网的虚拟仿真实验平台，它通过模拟各种科学实验，为学生提供一个真实、方便、准确的实验环境，让学生在概念学习中进行科学探究，在科学探究中进行概念学习，从而加深学生对科学概念的理解，促进其科学思维的形成。因此，本文针对PhET虚拟仿真程序对小学科学“杠杆”实验教学的改进进行了探讨。

一、不同版本教材的“杠杆”实验设计的优缺点分析

在教科版和青岛版教材中，均设计了“利用杠杆尺研究杠杆的秘密”的实验活动。教材中，本实验采用控制变量法与等效替代法相结合的实验方法进行探究：首先调平杠杆尺，把挂在杠杆尺左边的钩码看作是阻力点，把挂在杠杆尺右边的钩码看作是用力点，接着通过改变两端挂钩码的位置和数量理解杠杆相关知识点。它的优点在于：现象清晰，方便记录；器材标准，安全性高。缺点在于：杠杆尺调平操作对小学生要求较高；实验现象与现实生活联系不大；器材老化容易出现误差导致实验失败。

此外，其他教材提到了“用小石块撬动大石块”的实验活动。教材中，本实验采用控制变量法与作图法相结合的实验方法进行探究：先用一小石块和木板将一大石块从A处撬到B处，同时学生需画一张A到B的测量图，以便测量搬运距离，接着则是侧重观察每一次小石块移动的距离，同时画出每一次撬动大石块时的杠杆装置，最后通过梳理例图帮助学生理解杠杆相关知识点。它的优点在于：材料简单，方便开展；原理清晰，容易理解。缺点在于：石块在木板上容易滑落；学生操作石块存在安全隐患；石块到支点的距离测量不准确。

在实际教学中，小学科学实验教学还存在着学生参与度低、学生实验兴趣不高、实验评价缺失等共性问题。诸如此类的问题也会导致实验教学效果不佳，这就亟须科学教育工作者提出完善与改进的策略。

二、PhET虚拟仿真程序特点

（一）情境趣味性

PhET虚拟仿真程序以娱乐性游戏为载体，以体验式情境为主要演示方式，帮助学生将学习环境建立在轻松愉悦的环境中。实验教学普遍难教的关键点在于学生刚接触新的科学模型时难以产生学习的兴趣。而应用PhET虚拟仿真程序就能很好地解决这一问题，学生在这样的学习氛围下更容易找到学习的乐趣，体会到获取知识的成就感。

（二）双向互动性

PhET虚拟仿真程序不同于一般的教学探究过程，传统的科学探究以学生的大量活动为中心，花费较多时间在搜集证据、验证评估等环节上，而PhET则是以教学内容为中心，学生不需要被复杂的仪器操作所困扰，更加有利于其与教师合作探究，从而实现双向互动。

（三）操作便捷性

PhET虚拟仿真程序采用人物图片、视频动画等方式呈现实验内容，教学内容清楚直观，器材摆放位置清晰，有明确的按钮提示和操作指示，学生对于自己想验证的实验可以自行设置变量、改变条件、总结规律，并且可以反复进行操作，全程操作简单无障碍，不仅方便教师进行巡视指导，更有利于锻炼学生的自主探究能力。

（四）资源开放性

PhET虚拟仿真程序所发布的全部虚拟仿真程序，均无需支付任何费用即可在线使用。利用其资源开放性的特点，学生在课堂上没有理解透彻的实验步骤，课后可借助手机、平板电脑等工具进行重复学习；教师可利用PhET平台布置相关作业，学生只需准备一部电子设备即可完成，完美地解决了传统实验教学中由于实验材料限制等问题带来的布置作业的困境。

三、利用PhET虚拟仿真程序改进“杠杆”实验

“杠杆”一节课的内容与PhET模拟仿真平台中的“平衡探究实验”板块相对应。该板块分为认识平衡、探究杠杆平衡原理、游戏三部分。实验改进从“结合PhET创设多种实验情境”“利用PhET逐级学习科学概念”“借助PhET有效检测学习效果”三方面展开。

（一）导入新课——结合PhET创设多种实验情境

PhET模拟仿真实验中的情境多是基于现实环境的背景之下的，教师可提前对相关实验板块进行了解，在课堂开始时通过相似的情境进行导入，为后续的实验开展做出准备，同时保证课堂的整体连贯性。“平衡探究实验”板块涉及的情境主要有：比较灭火器与垃圾桶的重量、比较两个物体的重量、推测未知物体的重量等，教师可将其相应转化成学生生活中会遇到的问题：消防员叔叔经常使用的灭火器与垃圾桶相比哪个比较重；××和××谁比较沉（可选择学生较为熟悉的卡通形象进行情境创设）；怎样判断商场里销售的盲盒的重量等。接着，先由学生自由表达观点，教师随后引出本节课要学习的内容并为后续所要进行的实验打下基础。

（二）知识新授——应用PhET逐级学习科学概念

“杠杆”一节对应的知识点由易到难分别为以下三点：识别杠杆的三个作用点，描述杠杆原理，判断省力，费力杠杆。下文详述PhET虚拟仿真程序与三级知识点的结合。

1.识别杠杆的三个作用点。教师指导学生打开“认识平衡”板块，通过观察在杠杆上放置不同数量的灭火器和垃圾桶产生的相应效果图，总结出动力点、阻力点、支点三者的定义，不同情境下三点对应位置如图。讲解完毕后由学生自行设计实验并讲解各点位置，以展示其学习效果。

2.描述杠杆原理。教师指导学生打开“探究杠杆平衡原理”板块，该板块有不同重量的砝码、人物、未知物体等实验材料供学生选择。学生首先可自行选择喜欢的材料设计实验，通过记录阻力点及动力点到支点的距离及各位置上物体的重量，填写实验记录单以总结杠杆平衡的原理。实验记录单见表1。其中“（）”为学生自己选择的实验材料。

3.判断省力、费力杠杆。教师首先向学生讲解省力杠杆、费力杠杆的特点，接着屏幕出示不同情况下杠杆的倾斜情况让学生判断是省力杠杆还是费力杠杆，同时可辅以对日常生活中常见杠杆的拓展。

（三）巩固评价——借助PhET有效检测学习效果

PhET模拟实验均提供游戏模块。游戏模块分为水平1，2，3，4四种难度，其难度依次增大，每个水平下都包括三类游戏方式，分别对应本节课中提到的三级知识点，对应情况见表2。教师可以选择其中的某个游戏用以检测学生的学习效果，接着指导学生进入游戏板块，并以个人或小组为单位开始游戏。操作界面左下角的“秒表”按钮用来计时，“喇叭”按钮用来控制声音。学生回答错误则游戏重新开始，回答正确则进行积分，学生通过记录并汇报游戏数据，巩固先前学过的概念的同时检测学习效果。

通过分析上述应用PhET虚拟仿真程序进行“杠杆”实验的教学过程可以发现：从教学设计上看，PhET仿真程序将学生对科学知识的学习与虚拟实验紧密联系了起来，从知识导入到评价复习，环环相扣，结构完整。大情境的运用不仅极大地提高了学生对科学实验的内在兴趣，而且也有助于学生对概念知识的系统理解。从技术应用上看，PhET仿真程序的应用打破了传统的教师单一灌输的教学模式，以互联网为载体，借助虚拟仿真技术交互性的特点，实现了课堂中教师与学生的双向互动，使教与学的质量有所提升。从学生自身学习方式上看，应用PhET仿真程序提供的便捷式探究环境，学生可以自主选择和进行实验，不受实验场地、材料等因素的影响，学生的参与度大大提高，同时也加深了学生的学习印象。

四、反思与启示

在PhET的实际应用中，还有以下两个方面需要引起教师和学生注意。其一，PhET网站提供了百余种仿真程序，在众多程序中，小学科学领域所涉及的仿真程序仅有几十个，显然没有包含全部的小学科学知识点，也就是说，仍然有大部分科学实验需要教师进行改进创新。因此，在实际的实验教学中教师不能过于依赖PhET仿真程序。其二，仿真模拟的数据过于精确，不利于学生建立误差概念。误差思想的建立是科学概念学习的重要目标之一，然而仿真模拟实验给出的过于“完美”的数据往往容易让学生忽略或者不理解误差的产生，进而对后续的学习产生不利的影响。

综上所述，PhET虚拟仿真程序为以“杠杆”实验为代表的科学实验教学提供了新的设计方向和理念，但在实践过程中仍然存在着些许问题，这也就要求科研工作者着力研究数字技术与实际教学的有效整合问题，在不同的案例中通过二者的优势互补来改进教学，以期达到最优效果，真正实现“以数字技术赋能教学”的教学理念。

参考文献

[1]李艳.小学科学实验教学中的问题与对策[J].华夏教师，2022（29）：88-90.

[2]李冬.融合PhET虚拟实验促进学生深度学习的实践研究：以小学自然《饮食与健康》一课教学为例[J].教育传播与技术，2022（4）：36-41.

[3]黄春梅，叶晓波.基于PhET的初中物理课堂教学设计：以“平衡探究实验”为例[J].林区教学，2020（6）：91-94.