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1、PhET互动式仿真模拟实验软件与初中物理教学论文摘要：PhET是一款来源美国科罗拉多大学的 PhET计划的互动式仿真模拟实 验软件，它有开源性好、直观性强、仿真性高和互动性佳的优点，很适合初中物 理教学使用。本文分别从物理的概念课、规律课、实验课及课外探究中选取典型 课例，分析PhET互动式仿真模拟实验软件在不同课型中使用。 最后，探讨了 PhET 与物理教学的整合。关键词：PhET初中物理教学20世纪90年代以后，随着计算机技术、多媒体技术、网络技术、通讯技术、 虚拟技术及数字技术等现代信息技术的发展成熟，现代教育技术在中小学教育中发挥着越来越重要的作用。正如联合国教科文组织国际21世纪教育
2、委员会所指出的：“新技术使人类进入了信息传播全球化的时代”；“这些新技术正在我们眼前引起一场真正的革命，这场革命既影响着与生产和工作相关的活动， 又影响 着与教学和培训有关的活动”。教育部基础教育改革司组织编写.走进新课程：与课程实施者对话M北京：北京师范大学，2002.9:138义务教育物理课程标准(2011版)(下文 称“课程标准”)也指出：“现代信息技术的迅猛发展和网络技术的广泛应用， 为丰富物理课程资源提供了技术条件。应鼓励开发和使用丰富的多媒体教学资 源，是物理课程的学习更生动、活泼、丰富多彩。”“在计算机多媒体软件的使用中，应提倡使用智能型软件。这些软件是按照物理规律制作而成的，
3、而不是简 单的模拟。这些教学软件可以丰富学生对于物理情境的感性认识，深化对于科学 规律的理解，同时也可以做一些中学实验室中不好完成或不能完成的实验。”中华人民共和国教育部制订.义务教育物理课程标准(2011版)M.北京：北京师范大学出版社，2012：48,49一、PhET互动式仿真模拟实验软件简介PhET互动式仿真模拟实验软件(下文简称为PhET来源于美国科罗拉多大 学的 PhET计戈U( Physics EducationTechnology project)，即物理教育科技计 划的简称，该计划通过建立互动式仿真模拟实验科学网站(/ )，提供物理
5、 Challenge award (2007).MERLOTClassics Award in Physics (2006).MERLOTEditors Choice Award (2006) (PhETon MERLOT).图1.网站首页截图图2.网站登录页面其中的互动模拟实验以Java语言和Flash多媒体软件开发，已有50多个国第1页共11页家和地区参与其中并进行软件的本地语言化，2010年发行中文安装包，使用者仅需相应的浏览器便可以执行选定的模拟实验，网站上的模拟实验属于公共授 权，使用者无须付费或特别取得授权即可直接使用，既可以在线运行，也可以下载好后使用，这一优势对那些贫穷的或者无
6、网络覆盖的地区尤为重要。该软件主要是研究仿真技术如何改进物理及化学、生物、地球科学、数学等学科教学，通过趣味互动的游戏方式，帮助小学、中学、高中、大学不同学段学 生理解本学段深涩难懂的概念以及蕴藏的数理关系，提高学生学习的兴趣；研究如何使用仿真软件更加有效，并听取各地师生的反馈不断改进。 因此，在同类软 件中更具优势。该软件特别适用于以下情况：（1）理解枯燥的抽象概念和规律（如运动学、抛物线、可逆反应等概念）；（2）观察极其微小的（如原子、电子）或极其巨大的对象（如太阳系、冰 河等）；（3）记录反应速度太快（如核反应）或太慢（如温室效应）的实验数据；（4）使用实验器材昂贵（如 MRI核磁共振成
7、像）或重复进行不同参数条件 的测试的实验（如热、化学反应速率等）；（5）具有危险性的实验（如触电、易燃性、放射性等实验）。该软件有以下特点：（1）开源性好：该模拟软件适用Java和Flash多媒体软件开发，授权模式 为公共授权，可以自由、免费使用。并且网站提供相关模拟实验的源代码，可供 教师和学生下载研究，通过自由平台可以进行再创作。（2）直观性强：该模拟实验工具采用动画、图片、表格等方式呈现学习内 容，使教学内容更加直观化，且在学习过程中，给予适当的帮助、提示和操作指 示，方便教师的实验指导，也有利于学生的自主学习。（3）仿真性高：该模拟实验工具能提供近似真实的实验情境，仿真的实验 器材，当
8、改变实验参数时，将发生精确的实验变化，产生真实的实验效果，便于 师生的实践操作。（4）互动性佳。该模拟实验工具克服了同类模拟实验工具仅能演示或者少 量互动操作的缺点，给师生提供更多地参与互动机会。 学生可以根据提示，操作 实验仪器，适用测量工具，改变实验参数，进行数据采集和整理，做到真正地理 解。由于具有以上优点，所以非常适合在初中物理教学中使用，通过人机互动， 在直观、游戏般的环境中，学生可以像科学家一样探索学习， 能够通过动态直观 地展示使隐形的东西显现出来，还能将科学的观点与现实世界中的现象联系起 来。二、PhET在初中物理教学中的应用。物理学是研究物质、相互作用和运动规律的自然科学。
9、中华人民共和国教育部制订义务教育物理课程标准（2011版）M.北京：北京师范大学出版社，2012： 1第2页共11页该部分的教学活动 一般以观察物体的性质和通过实验来了解物质和能量的变化规律。 PhET件有大 量设计成熟的程序可供“物质世界”的教学使用。笔者根据物理课型分别举例分 析：（一）物理概念课物理概念不仅是物理基础知识的重要组成部分，而且也是构成物理规律、建 立物理公式和完善物理理论的基础和前提，是进行物理实验的起因和结果。物理 学的概念很多，有些比较简单，如物体、运动、路程等，比较容易掌握；有些则 比较抽象、复杂，如力、惯性、速度、电势等，较难理解、掌握。因此，在物理教学过程中，学生
10、准确的理解物理基本概念是掌握物理知识的 前提，是进行正确推理和判断的基础。无论从掌握物理知识还是从发展能力来看， 都必须十分重视物理概念的教学，这样才能不断提高物理教学的质量。笔者以“摩擦力”为例，简介 PhET在概念课中的使用。“摩擦力”是人教版物理教材（2012版）八年级下册“运动与力”单元第 三课摩擦力的主要概念。摩擦力是学习了弹力、重力后的又一种重要而常见 的力，是力学的基础。 这不仅是二力平衡的应用，而且为后面的功和简单机械 的学习，甚至高中学习做好铺垫，在力学中具有承上启下的作用。通过本课的学 习，不但使学生学习到摩擦力的有关知识，而且是学生对探究、分析和解决问题 能力的升华，同时
11、也逐渐培养学生养成科学探究和重视知识应用的好习惯。教材对摩擦力的定义是“两个相互接触的物体，当它们做相对运动时，在接 触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力。”教材为了学生能 直观理解摩擦力的产生原因，配了“在显微镜下看，物体的表面不光滑” 一图（图 3）。不过静态图还是不够形象直观，PhET提供了一款微观展示摩擦力形成原因 的仿真软件（图4）。运行该软件时，只需要按住鼠标，按照软件中箭头指示的方向移动，既可以 看到宏观下的物体移动（软件中的物理、化学课本），也可以看到微观的物体表 面分子的相对运动，学生就能非常容易的理解摩擦力是由于相互接触的物体，表面凹凸不平而产生的。学生们还
12、可以看到当运动速度越来越快时， 接触面上的温 度也会提高，由力的形象演示拓展到摩擦生热的力、 热融合。通过这样最直观最形象的动态演示，学生们不仅很快理解摩擦力的概念，还能进行知识的拓展与深 化，一举两得。在课堂中可以设计这样的环节引入 PhETJ（图6.人教版物理九年级“内能”一课部分截图）教师可以利用各种情景（如足球在草地上滚动越来越慢， 最后停下来；矿泉 水的瓶盖上有许多竖纹；运动员赛跑时穿着带有铁钉的跑鞋；汽车在雪地上行走 艰难，而当轮胎上裹有铁链后就能前进自如了； 生锈的铁锁打不开，当加了几滴 油后就可以打开了等等）引导学生思考这些现象都与什么有关，然后带领学生体 验摩擦力的产生：先请
13、同学们把手平放在桌面上，手心朝下，一起来做几个小实 验。（1）手平放在桌面上，用力推或拉，使手在桌面上运动，感受有没有一个 阻碍手运动的力；（2）手平放在桌面上，用力推或拉，但保持手不动，感受有 没有一个阻碍手运动的力；（3）手平放在桌面上，保持手不动，也不用力推或 拉，感受有没有一个阻碍手运动的力。引导学生思考：（1）摩擦力是在什么情 况下产生的？ （ 2）摩擦力的作用点在哪里？ （ 3）摩擦力向什么方向？ （ 4）摩 擦力的作用是什么？在此基础上得出摩擦力的定义， 了解摩擦力的作用点在两个 物体的接触面上。摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。 接着教师可以抛出 话题：为什么会产生摩擦力呢
14、？两个物体的接触面有什么特点呢？通过连续的提 问，引发学生深入思考，接着教师就可以演示 PhET “摩擦力”，引导学生直观 形象地观察物理、化学课本的宏观摩擦和微观状态下分子间的运动，同时旁边的 温度计还能直观看到剧烈摩擦温度升高的现象， 教师可以适当拓展到九年级第十 三章内能的第二节“内能”中的“摩擦可以产生热”。课本截图如图6。I. bfl IlZJJiV1.康齡.和IM甲. t细气阵IMit空谄內iMKr UJt*.达JI *1化It朋点用42心乙内*上W” JiB眉卅曲气電極*鬪，pJ河的生直十址!1中.井刘外【评析】PhET在本课中既起到形象直观地展示摩擦力的作用，又可以进行 深入拓
15、展，一举两得。很好地发挥了互动模拟软件对课堂教学重难点的突破作用， 弥补了传统教学中图片的静态和语言的抽象，使摩擦力形成的微观原因清晰可 见，同时，形、画、声、光多感官的刺激，既有利于表象的形成，也有利于知识 的获取和巩固，加大了物理课堂的教学容量，从而有利于提高教学效率，进而提 高学生的科学素养。（二）物理规律课物理学是由物理概念和物理规律组成的严谨的、精密定量的理论体系。物理 规律具有以下特点：物理规律是观察、实验、思维、想象和数学推理相结合的产 物；是物理概念之间必然联系的反映；具有近似性和局限性。学习物理规律是一个复杂的认知过程，它是感性认识与理性认识、特殊认识与一般认识反复结合、相互
16、作用的发展过程。学生在学习物理规律时，首先要在第5页共11页具体感知的基础上，通过抽象概括、得出结论；然后将得出的结论运用于实际， 使知识从弄懂到会用。物理规律的教学过程就是帮助学生完成上述复杂的认知过 程。所以，物理规律课教学一般要经过提出问题、探索规律、讨论规律和运用规 律四个阶段。笔者以“串、并联电路中电流的规律”为例，简介 PhET在规律课中的使用。“探究串并联电路的电流规律”是人教版九年级物理第十五章“电流和 电路”中第五节内容，通过前面的学习，学生已知道串、并联电路的连接，学生 能够顺利连接串联电路，本节课中，学生将第一次经历完整的科学探究的七个环 节，找到串、并联电路电流的规律，
17、在这两个探究中，几个环节来到了前台，作 为程序性的知识正面交给了学生， 而且要学生体验科学探究，学习科学探究的方 法，养成良好的科学探究习惯。本课的实验又富有探究性、实践性，学生既要亲 自设计实验，画电路图，还要将电流表几次接入串联电路、并联电路的不同部位， 所以必须较熟悉地连接电路，并会正确使用电流表，因此本节课既是前面串、并 联电路、电路图、电流表学习的运用，也是前面所学知识扩展，更是后面其他章 节的学习基础，本节课学习重在过程，让每个学生都有亲身体验的机会， 获得成 功感，从而珍惜自己的劳动成果，掌握科学的探究方法，养成良好的学习习惯对 物理这门功课产生深厚兴趣。但部分学生对于并联电路的
18、连接不够熟练， 少数学 生对正确使用电流表有一定困难，大部分学生对科学探究方法有一定的认识， 但 根据实验的目的和要求设计实验方案，有一定的困难。基于以上分析，本课学习可以采用“ PhET模拟实验+动手实验”的方式进行 教学。本课可分两课时完成，第一课时主要设计实验并进行计算机模拟实验， 第 二课时以学生动手实验，搜集数据，探究规律。环节设计如下：【第一课时】1课前在黑板上挂上一大串节日彩灯，并使之发光，通过学生 猜想是串联还是并联，以及如何加以鉴别等创设问题情境， 激发兴趣，当学生找 到方法（拧去一只灯或断开某处线路）并确定是串联后，追问：“通过这些小彩灯的电流有什么关系？ ”激起学生探究欲
19、望，自然引出课题。2指导学生设计实验步骤，计算机模拟，学习科学探究的方法，体验科学 探究的环节。（1） 按图1进行演示，连接电路，然后让学生对 A、B、C三点电流的大 小关系，提出冋题，这就是第一个环节提出冋题。（2）让学生进行猜想或假设，并说出理由。（3）设计实验，包括设计实验电路图，实验器材的选取和数量，实验步 骤的确定和设计数据记录表格，让学生开动脑筋，自主设计，并通过小组成员合 作，补充完善，当各组完成设计后，让各组进行交流本组设计的电路图和实验方 案，及时给予指导和纠正。以此突出重点和突破难点，达到渗透过程与方法，情 感态度与价值观的目的。（4）模拟实验，通过学生在计算机上无成本、无
21、安培按照同样的流程，完成并联电路的连接及记录。如下图10-12及下表2表2并联电路各点的电流值A点B点C点并联电路3.60安培3.60安培7.19安培【第二课时】1.动手探究，搜集数据，发现电流规律。（1）实验前，启发学生注意仪器使用的规范性，以及电路连接时应注意的问题，特别要注意电流表的正确使用和读数，用多媒体展示电路图和实验步骤, 让学生按电路图连接实验电路进行实验，使学生在实验的过程中体验探究的乐 趣，提高探究能力，并把自己探究的电流值记在自己设计的表格中。（2）实验结束后，让各组派代表说出本组记录的数据，并分析归纳实验 结论，以此培养学生分析，归纳问题的能力。（3）评估与交流，探究结束
22、后各组学生对实验设计，实验操作、测量结第7页共11页果进行评估，并让各组代表上台就上述问题进行了交流。（4）师生交流，总结串并联电路中的电流规律：串联电路电流处处相等； 并联电路干路中的电流等于各支路中的电流之和。2. 实践应用，巩固所学。【评析】课程标准要求现代中学物理教学要突出两大基本特征：探究性和 建构性。本课教学通过PhET仿真模拟实验的模拟互动连接，学生不光又一次复 习了串、并联电路的不同连接方法和电流表在电路中的连接方法， 对于电路连接 时的注意事项进行了又一次的复习巩固， 为接下来动手连接电路， 建构实物电路 扫清了困难， 同时，通过观察串联电路和并联电路中不同位置的电流值， 学
23、生对 于串并联电路中电流规律有了粗浅的认识， 也为之后的数据搜集整理和探究方向 指明了方向。在课堂中加入PhET仿真模拟实验可以有效地帮助学生变革学习方式，不 仅可以激发学生学习兴趣，促进学生更加主动参与、乐于探究、勤于动手，培养 学生搜集、分析、处理信息的能力，提高学生的问题意识、合作意识，同时也改 变了教师的教育理念和教育行为，进一步深化了新课程改革。（三）物理实验课 物理实验是物理学的几乎，同时也是物理教学的基础。课程标准提出“要发 挥实验在物理教学中的重要作用。 实验教学是物理教学的重要组成部分， 是落实 物理课程目标， 全面提高学生科学素养的重要途径。 ”课程标准还明确提出列出 了学
24、生必做实验 20 个，要求“学校应充分利用已有的实验器材，努力开发适合 本校情况的实验课程资源，尽可能让学生自己动手多做实验”笔者以必做实验“探究凸透镜成像的规律”为例，简介 PhET在实验课中的 使用。本节是人教版八年级物理上册第五章透镜及其应用的第三节，本章是光 学部分的重点章， 探究凸透镜成像的规律是本章的重点知识， 教材以探究凸透镜 成像情况与物距（u）关系有关为主线，安排了学生猜想、设计实验、实验探究、 合作交流等教学过程，让学生经历产生兴趣、发现问题、激发矛盾、解决问题的 过程，很好地体现了课程标准的要求， 在体验知识的形成、 发展过程中培养了学 生主动获取知识的精神。 八年级学生
25、刚刚接触物理这门学科， 在知识方面， 懂得 少许浅显的物理道理， 知道一些较简单的物理现象， 了解了一些基本的物理规律； 在能力方面， 初步具备了一定的探究问题的意识和能力， 有一定的协调能力和合 作精神；在情感方面， 他们有较浓厚的学习兴趣和强烈的求知欲望。 而且在此之 前有过探究“平面镜成像特点”的经历，知道探究的一般过程，对积极主动地进 行探究活动有着较为浓厚的兴趣， 但本节探究课学生面临着诸多困难， 例如实验 探究涉及到的物理概念、名词多，如物距（u）、像距（v）、焦距、实像、虚像， 特别是要找到各种像应调整什么， 如何调整， 学生感到盲目； 从数据中要得出结 论也不易，因此老师必须重
26、视加强对学生探究过程的指导，同时， 培养学生收 集信息、整理资料、 分析问题、 解决问题等能力， 初步学会科学探究的一般方法。基于以上分析，本课学习可以采用“ PhET模拟实验+动手实验”的方式进行 教学。在实际操作之前，教师可以利用 PhET提供的“几何光学”仿真模拟试验 先让学生对实验操作走一次，对那些还不太熟悉的名词现在计算机上熟悉一下。 本课可分两课时完成， 第一课时主要设计实验并进行计算机模拟实验， 第二课时 以学生动手实验，搜集数据，探究规律。环节设计如下：【第一课时】一、创设情境，导入新课。老师向学生展示“自制照相机模型”（先把镜头拿下）再告诉学生，这是“照 相机模型”，学生不解
27、，再问学生：为什么看不到像，还差点什么？老师把镜头 凸透镜拿出来，装上去，让学生观察。接着引出课题：怎样才能做出一台“照 相机模型”呢？我们就要知道镜头凸透镜的有关成像的规律。提出猜想，设计实验。首先引导学生提出关注的问题：什么时候成正立放大的像？什么时候成倒立 缩小的像？什么时候又成倒立放大的像？接着，介绍物距（u）：物体到透镜的距离；像距（V）:像到透镜的距离；实像：能在光屏上呈现的像，它是由实际 光线会聚而成的。（也可用眼睛观察到）虚像：不能呈现在光屏上的像，只能用 眼睛观察到。然后，引导学生讨论、根据实验器材设计出实验方案：（1）测凸透镜焦距的方法；（2）本实验中得到各种不同像时的物距
28、、像距分别与焦距之 间的关系。（如图13）并强调调整透镜、光屏的高度，使凸透镜、光屏和 LED 板上F的中心大致在同一高度。（图13.探究凸透镜成像的规律的实验器材）第9页共11页说明：（1）用F形LED光源（替代蜡烛）。 在本学生实验中，该光源的位置始终固定在透镜的主光轴上，而且该光源 也不会受风的影响而晃动或改变大小，因而避免了由于蜡烛燃烧变短、烛焰晃动 等因素给实验带来的不利影响，使光屏上所形成的像更加清晰、稳定，从而减小 了实验误差； 使用蜡烛时，烛焰所成的像可以使学生非常直观地得出蜡烛成上下倒立的实像，但却不能观察所成的像也是左右倒立的特点。由于该光源为F形，从光屏上所成的像可以直观
30、总结出凸透镜成像的规律：先分小组讨论 一会儿，小组间互相交流；每小组推荐一位同学进行班级交流； 教师进行小结成 像的规律；3教师提问：如何来检验我们得出的结论是否正确？4.换另一焦距的凸透镜，重复上述实验，验证得出的规律与重复实验的结果 是否相符。5针对验证实验进行交流，实验中发现的新问题：凸透镜成实像与虚像的分 界点在哪儿？凸透镜成放大像与缩小像的分界点在哪儿？什么情况下，像与物在凸透镜两侧？什么情况下像与物在凸透镜同侧？当凸透镜成实像时，随着物距的减小，像距是怎样变化的？像距与焦距间有什么关系？讨论把凸透镜挡住一半， 像有无变化；像的亮暗有无变化等。6.展示教师归纳总结出的凸透镜成像规律，
31、见下表 3。表3.凸透镜成像规律物距像的性质物、像与 透镜的 位置像距光屏能否接收到备注u正立还是倒立放大还是缩小实像还是虚像vu2f倒立缩小实像异侧fv2f能u=2f倒立等大实像异侧v=2f能像放大 与缩小 的分界 占 八、fu2f能u=f不成像实像与 虚像的 分界点uu不能7.提冋：（1）通过今天的探究你知道照相机是利用的凸透镜成像的哪个规律吗?第#页共11页（2）你还能利用凸透镜成像的规律做出哪些光学器件来为我们大家服务吗？二、完成练习，拓展应用1如图A、E、C、D、E中成实像的点是（），成虚像的点是（）,成放大像的点是（），成缩小像的点是（），所成实像像距最远的点是（）。2、小明同学在
32、实验时，无论他怎么移动光屏，他都不能在光屏上看到烛焰 的像，你知道这是为什么吗？3、一凸透镜的焦距为10cm，把一物体放在其主光轴上，它离焦点的距离为 5cm，则物体的像是什么样的？4、思考：（1）在实验过程中，调出一个清晰的像，如果用不透明物体将凸透镜遮盖 做一部分，屏上的像有什么变化？（2）在实验过程中，调出一个清晰的像，如果把物体在与主光轴垂直的平 面内上、下或前后移动，屏上的像会怎样移动？【评析】使用这款PhET仿真虚拟实验软件，既降低了实验时的难度，也为 成像规律的顺利得出奠定了一定的基础。这款软件还可以改变凸透镜的曲率半 径、折射率和直径，以改变凸透镜的焦距；改变不同的物体；增加光点；使得结 论的得出更具有说服力。通过实验教学与 PhET的整合，使得抽象的光线变得形 象，通过自由调节物距，就可以看到不断变化的像，减轻了学生在实际实验时需 要不断调节三者距离的麻烦，起到了化难为易、化抽象为具体的重要作用；另一 方面，综合利用形、画，同时作用与学生感官，既有利于学生表象的形成，也有 利于知识的获取和巩固。（四）课后独立探究随着新的课程标准的颁布与实施，越来越体现出研究性学习在科学课程中的 重要性。研究性学习强调学生在真实情景中的主动探究， 但在实际教学中，由于 教学条件和学习时间、空间的限制，
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