夏 敏

(南京市天印高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 211100)

隨著新課改的深入，教育從過(guò)去注重知識(shí)技能的傳授轉(zhuǎn)變?yōu)檫_(dá)到知識(shí)與技能、過(guò)程與方法以及情感態(tài)度與價(jià)值觀的三維目標(biāo).物理課程學(xué)習(xí)的總目標(biāo)是全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，這就要求學(xué)生不僅僅掌握科學(xué)知識(shí)，還要掌握科學(xué)思想和方法[1～3].而這些教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要自主、探究、合作式的課堂.《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的最新版本包含了課程資源開(kāi)發(fā)與利用建議，其中就提出了發(fā)揮多媒體教學(xué)資源的優(yōu)勢(shì)，并且強(qiáng)調(diào)了多媒體軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.本文以PhET網(wǎng)站所提供的模擬程序?yàn)槔懻摿嗽摼W(wǎng)站的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)用于物理課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì).

1 PhET簡(jiǎn)介

這里介紹的PhET一詞是Physics Education Technology project的縮寫(xiě)，是美國(guó)科羅拉多大學(xué)(Colorado University)物理系所發(fā)展的互動(dòng)式教學(xué)主體的PhET計(jì)劃，即物理教育科技計(jì)劃的簡(jiǎn)稱(chēng).這一互動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)程序主要基于Java語(yǔ)言和Flash軟件開(kāi)發(fā)，涉及物理、化學(xué)、生物、地理以及數(shù)學(xué)等科目.PhET提供了免費(fèi)有趣的、互動(dòng)的、研究型物理現(xiàn)象的仿真程序.這樣的研究型方法能夠讓學(xué)生在真實(shí)生活現(xiàn)象與潛在的科學(xué)之間建立聯(lián)系，并可以加深他們對(duì)真實(shí)世界的理解和欣賞.模擬實(shí)驗(yàn)軟件則運(yùn)行也非常順暢.所有程序經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試和評(píng)估后發(fā)布在其官方網(wǎng)站(http://PhET.colorado.edu/)上.所提供的程序?qū)儆诠彩跈?quán)，使用者無(wú)須付費(fèi)或特別取得授權(quán)，即可連網(wǎng)直接點(diǎn)選使用或是下載儲(chǔ)存到硬盤(pán)上，同時(shí)也讓用戶(hù)可以下載程序原始碼進(jìn)行研究或改良.PhET在全球范圍展開(kāi)應(yīng)用推廣和教學(xué)效果研究，已有50余個(gè)國(guó)家和地區(qū)參與其中并進(jìn)行軟件的本地語(yǔ)言化.PhET網(wǎng)站現(xiàn)階段已經(jīng)有中文版，是模擬實(shí)驗(yàn)軟件共享的一個(gè)免費(fèi)網(wǎng)站，具有自身的團(tuán)隊(duì)，每一項(xiàng)軟件的質(zhì)量和運(yùn)行都有保障，和國(guó)內(nèi)的教學(xué)聯(lián)系緊密.

2 PhET的特點(diǎn)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)資源豐富

互動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)程序，基本包括了高中階段的主要知識(shí)，能系統(tǒng)地服務(wù)于物理教學(xué).PhET程序和使用者產(chǎn)生互動(dòng)，并充分利用多媒體影音的特性，將仿真程序運(yùn)用于課程教學(xué)上，特別適用在下列情況：抽象概念的詮釋上(如場(chǎng)、力、能量等概念)；要觀察的對(duì)象可能很微小(微小形變)或很巨觀(如行星運(yùn)動(dòng))；反應(yīng)速度太快(如核反應(yīng))或太慢(如冰河)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象；實(shí)驗(yàn)器材可能很昂貴(如MRI磁共振造影)或難以取得(如放射物質(zhì))；具有生命財(cái)產(chǎn)危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)(如觸電、易燃性、放射性等危險(xiǎn))；實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備很麻煩(如設(shè)備耗損、維護(hù)等問(wèn)題)；受時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的限制，難以重復(fù)進(jìn)行不同參數(shù)條件的測(cè)試.

2.2 與游戲融合 情境有利于提高學(xué)生的興趣

中學(xué)階段物理難學(xué)難教是普遍問(wèn)題.新時(shí)代的物理教學(xué)不僅是教育學(xué)生掌握知識(shí)、規(guī)律，更重要的是激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科本身的興趣，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的理念.著名的未來(lái)教育學(xué)家、教育哲學(xué)家、教育技術(shù)博士生導(dǎo)師桑新民教授說(shuō)過(guò),“游戲天地可能是孩子們生長(zhǎng)的最好環(huán)境.游戲里面有很多很多這種東西.所以我們要是能把這種東西拿來(lái)，放到我們教育里面，學(xué)習(xí)的動(dòng)力、學(xué)習(xí)的協(xié)作、學(xué)習(xí)的規(guī)范、學(xué)習(xí)的能力都可能自然的培養(yǎng)起來(lái).”P(pán)hET以具有趣味性、娛樂(lè)性的互動(dòng)游戲?yàn)橹R(shí)載體，以體驗(yàn)式學(xué)習(xí)為主要方式，幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)、訓(xùn)練思維、掌握思想方法.這樣學(xué)生在此過(guò)程中找到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣、體驗(yàn)到成就感，有利于科學(xué)素養(yǎng)的提高和學(xué)科學(xué)習(xí)的良性循環(huán).

2.3 互動(dòng)性強(qiáng) 可選擇變量開(kāi)展自主探究活動(dòng)

一般的教學(xué)探究都有大量的學(xué)生活動(dòng)，如進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集證據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作.而PhET互動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)程序在信息技術(shù)與物理課程整合中一直遵循了以教學(xué)內(nèi)容為中心的原則，只有幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鈕，學(xué)生改變變量，程序就會(huì)顯示效果，這樣就更加方便學(xué)生進(jìn)行自主探究，幫助學(xué)生搭建知識(shí)理解形成的模型.課堂上學(xué)生通過(guò)PhET探究實(shí)驗(yàn)，想要盡快地重現(xiàn)課本上已有的結(jié)論，而不是像科學(xué)家對(duì)待自己的研究性實(shí)驗(yàn)一樣，將其當(dāng)做是尋找基本科學(xué)知識(shí)的享受經(jīng)歷，或者是改變、糾正以及增加自己對(duì)世界是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的理解.PhET讓學(xué)生不需要擔(dān)心實(shí)驗(yàn)儀器的復(fù)雜性，而更多地關(guān)注基本科學(xué)概念，更好地進(jìn)行自主探究.

2.4 操作簡(jiǎn)易 為學(xué)生拓展探究學(xué)習(xí)提供可能

學(xué)生對(duì)于自己感興趣要探究的內(nèi)容，可以通過(guò)設(shè)置條件、改變變量、觀察現(xiàn)象，總結(jié)出規(guī)律,還可以結(jié)合閱讀文獻(xiàn)，加深理解.PhET為學(xué)生拓展學(xué)習(xí)提供了有利的環(huán)境，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力.

3 基于PhET的“探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律”教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 學(xué)情分析

本節(jié)內(nèi)容選自人教版高中《物理·必修2》第六章“曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)”中的第三節(jié)“探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”. 高一的學(xué)生已經(jīng)具備一定的抽象和邏輯思維，分析、綜合、概括、抽象能力都發(fā)展到一定高度，能夠分析較為復(fù)雜的物理情境下的問(wèn)題.在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)的合成與分解、自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，知道對(duì)于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該進(jìn)行分解.理解平拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程對(duì)于學(xué)生的空間想象能力是有一定要求的，因?yàn)槠綊佭\(yùn)動(dòng)的過(guò)程是瞬間的，利用技術(shù)使得過(guò)程再現(xiàn)，便于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力.

3.2 教學(xué)目標(biāo)

3.2.1 知識(shí)與技能

(1) 知道什么是拋體運(yùn)動(dòng),什么是平拋運(yùn)動(dòng)，能夠想象出平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡.

(2) 理解平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向與豎直方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

(3) 掌握顯示并描繪出平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)方法.

3.2.2 過(guò)程與方法

(1) 通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的觀察, 概括出平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生觀察、 分析能力.

(2) 初步學(xué)會(huì)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的思想研究曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的思維方法.

(3) 通過(guò)對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的研究, 領(lǐng)略提問(wèn)、 猜想、 計(jì)劃、 驗(yàn)證、 論證等物理研究方法.

3.2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

(1) 體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅.

(2)培養(yǎng)學(xué)生仔細(xì)觀察、 善于思考、 勤于探索、 勇于創(chuàng)新的科學(xué)素質(zhì).

3.3 教學(xué)環(huán)節(jié)

3.3.1 引入新課

(1)設(shè)計(jì)理念.激發(fā)學(xué)生的興趣，結(jié)合所學(xué)的知識(shí)去思考問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的觀察和思維能力.

(2)教師活動(dòng).多媒體演示游戲“命中得分”,如圖1所示.通過(guò)調(diào)整炮彈水平方向上的初速度，成功地使炮彈落在了靶上，通過(guò)觀察這樣的物理情境，引導(dǎo)學(xué)生描述所看到的現(xiàn)象，并思考由這個(gè)現(xiàn)象聯(lián)想到了哪些物理知識(shí)，以及存在著哪些疑惑.

圖1 “命中得分”游戲

(3)學(xué)生活動(dòng).觀察物理現(xiàn)象，描述所觀察到的現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象中的問(wèn)題.

3.3.2 形成概念

(1)設(shè)計(jì)理念

幫助學(xué)生復(fù)習(xí)已構(gòu)建的物理模型，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)分析物理現(xiàn)象；培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，引導(dǎo)學(xué)生思考并發(fā)掘現(xiàn)象中需要探究的物理問(wèn)題；利用軟件將瞬間現(xiàn)象記錄，便于學(xué)生觀察，引導(dǎo)學(xué)生歸納、總結(jié)物理概念.

(2) 教師活動(dòng)

1)提問(wèn)：將一個(gè)小球豎直向上拋起之后，小球做什么運(yùn)動(dòng)？你分析小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)考慮了哪些因素呢？學(xué)生可能回答：小球做的是勻減速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，分析時(shí)考慮了物體的初速度和受力情況.

2)演示實(shí)驗(yàn)：將放在講臺(tái)上的金屬小球迅速用木棍水平打出，金屬球以一定的初速度落地.讓學(xué)生觀察物理現(xiàn)象，并且向?qū)W生提問(wèn)：你們剛才觀察到什么現(xiàn)象了，小球在下落過(guò)程中做了什么運(yùn)動(dòng)？

3)什么是平拋運(yùn)動(dòng)？那么我們現(xiàn)在將剛才的現(xiàn)象用軟件展示出來(lái)，定義平拋運(yùn)動(dòng)概念.

(3)學(xué)生活動(dòng)

1)學(xué)生根據(jù)已有的物理現(xiàn)象，利用舊知分析物理問(wèn)題.

2)觀察并且描述物理現(xiàn)象，思考并且聯(lián)系之前所學(xué)知識(shí)，分析小球運(yùn)動(dòng)狀況.

3)學(xué)生思考、記錄平拋運(yùn)動(dòng)概念.

3.3.3 理論分析平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律

(1)設(shè)計(jì)理念

引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)分析和解決物理問(wèn)題的思路和方法；利用可視化的物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察物理現(xiàn)象的異同；學(xué)習(xí)等效代替法解決復(fù)雜的物理問(wèn)題.

(2)教師活動(dòng)

1)對(duì)金屬球的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，一是分析它的受力情況，二是分析初速度情況，三是分析它的運(yùn)動(dòng)軌跡.如果改變金屬球的初速度，運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生什么變化呢？

2)利用軟件展示不同初速度情況下金屬球的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2所示.比較運(yùn)動(dòng)軌跡之間的差異和相同點(diǎn)，進(jìn)而分析出應(yīng)該將運(yùn)動(dòng)分解成水平和豎直方向.并且通過(guò)對(duì)這兩個(gè)方向進(jìn)行受力分析，從而得出兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)情況.

圖2 不同初速度時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡

(3)學(xué)生活動(dòng)

1)學(xué)生思考，利用所學(xué)知識(shí)對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行猜想.

2)驗(yàn)證自己的猜想，觀察可視化后的物理現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)象總結(jié)、分析出將運(yùn)動(dòng)軌跡分解成豎直方向和水平方向.

3.3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律

(1)設(shè)計(jì)理念.引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)比較實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)會(huì)分析物理問(wèn)題.

(2)教師活動(dòng).教師向?qū)W生展示如圖3所示的平拋物體綜合演示儀.

圖3 平拋物體綜合演示儀

演示1：在儀器最高點(diǎn)將小球 A，B 同時(shí)釋放，則由現(xiàn)象可知， B球做近似勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng).

演示2：在儀器的最高點(diǎn)將A球釋放，在A金屬球即將到達(dá)斜槽時(shí)，釋放C金屬球，在這個(gè)過(guò)程中，A金屬球的運(yùn)動(dòng)形式是平拋運(yùn)動(dòng)，C金屬球的運(yùn)動(dòng)形式是自由落體運(yùn)動(dòng).通過(guò)綜合演示儀的對(duì)比演示，可以總結(jié)出，平拋運(yùn)動(dòng)的小球在豎直方向做的是自由落體運(yùn)動(dòng)，水平方向上做的是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng).

(3)學(xué)生活動(dòng).學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)，分別分析兩組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論分析進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證自己的猜想.

3.3．5 歸納總結(jié)

(1)設(shè)計(jì)理念.通過(guò)新舊知識(shí)之間的聯(lián)系，讓學(xué)生自主地建構(gòu)知識(shí)體系.

(2)教師活動(dòng).引導(dǎo)學(xué)生分析平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是勻變速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng),并給出如圖4所示的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖.

圖4 運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖

(3)學(xué)生活動(dòng).全班交流、討論并總結(jié)平拋運(yùn)動(dòng)和已學(xué)知識(shí)之間的聯(lián)系.

3.3.6新課小結(jié)

(1)設(shè)計(jì)理念.引導(dǎo)學(xué)生自己理順知識(shí)點(diǎn)，自主建構(gòu)知識(shí)體系.

(2)教師活動(dòng).讓學(xué)生總結(jié)通過(guò)今天的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)了哪些內(nèi)容.介紹課堂的仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件，讓學(xué)生回去總結(jié)“命中得分”游戲技巧.

(3)學(xué)生活動(dòng).學(xué)生回憶，其余學(xué)生補(bǔ)充，教師強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)、難點(diǎn).

4 結(jié)束語(yǔ)

PhET中豐富優(yōu)秀的教學(xué)資源為教學(xué)實(shí)踐的更好開(kāi)展提供了服務(wù)，但是我們也應(yīng)當(dāng)注意，如何更好地在教學(xué)中合理整合這些教學(xué)資源呢？這就要求教師費(fèi)心去設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、測(cè)試、發(fā)現(xiàn)，并統(tǒng)整所學(xué)進(jìn)行知識(shí)的建構(gòu).在課程開(kāi)始之前，教師要先擬定教學(xué)目標(biāo)，并根據(jù)此目標(biāo)尋找適用的仿真程序，并推演教學(xué)活動(dòng)如何進(jìn)行才順暢，進(jìn)而提出相關(guān)的教學(xué)計(jì)劃，必要時(shí)更可請(qǐng)求學(xué)校行政體系的支持，提供上機(jī)教學(xué)時(shí)所需要的支持.在課程進(jìn)行時(shí)，為了避免學(xué)生不知如何使用PhET來(lái)學(xué)習(xí)，依課程需要可分別提供學(xué)生實(shí)驗(yàn)手冊(cè)、學(xué)習(xí)單、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及課后作業(yè)等數(shù)據(jù)，讓學(xué)習(xí)行為的進(jìn)行有所依循.在完成課程單元之后，更可以進(jìn)行學(xué)生訪(fǎng)談及利用PhET進(jìn)行操作性評(píng)量，以了解學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)展或是針對(duì)觀念上的盲點(diǎn)進(jìn)行指導(dǎo).

當(dāng)然，需要注意的是PhET絕不可能替代動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)，只能作為補(bǔ)充，用于動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前幫助預(yù)習(xí)，或?qū)嶒?yàn)后加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解.而且PhET互動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)程序不同于一般的視頻動(dòng)畫(huà)，它的過(guò)程只有短短的2～3 s，而是通過(guò)標(biāo)記將運(yùn)動(dòng)的過(guò)程記錄下來(lái)，能夠更好地讓學(xué)生思考以及構(gòu)建模型，回家之后也可以在網(wǎng)站上進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)習(xí).這也就是說(shuō)PhET能夠有效地和講座、實(shí)驗(yàn)、家庭作業(yè)以及其他的非正式資源進(jìn)行整合教學(xué).

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