〔摘 要〕 杠桿實驗是貫穿學(xué)生小學(xué)、初中階段的重點實驗項目，但在實際教學(xué)過程中仍存在諸多不足之處，例如實驗內(nèi)容簡單化、學(xué)生參與度不高等。本文旨在探討如何利用PhET虛擬仿真程序來改進(jìn)小學(xué)科學(xué)課程中的杠桿實驗，以及利用其提升小學(xué)生對杠桿實驗的理解和學(xué)習(xí)效果的方法。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；PhET虛擬仿真程序；實驗改進(jìn)

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 19 067-069

小學(xué)教育階段是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和探究精神的重要時期，科學(xué)實驗作為小學(xué)科學(xué)教育的核心組成部分，具有十分關(guān)鍵的作用。其中，作為一項貫穿小學(xué)、初中教學(xué)的重點實驗項目——杠桿實驗，對于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力以及科學(xué)思維發(fā)揮著舉足輕重的作用。在中華人民共和國教育部制定的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，關(guān)于“杠桿”課程的概念目標(biāo)提出，要求學(xué)生掌握以下三個問題：能夠識別杠桿的三個作用點；能用簡單的語言描述杠桿的原理；能判斷省力杠桿還是費力杠桿。

然而，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)往往受到時間、場地和設(shè)備的限制，難以讓學(xué)生充分參與實際操作，這就導(dǎo)致學(xué)生很難真正理解相關(guān)知識。為了解決這個問題，虛擬仿真程序應(yīng)運而生。PhET虛擬仿真程序是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實驗平臺，它通過模擬各種科學(xué)實驗，為學(xué)生提供一個真實、方便、準(zhǔn)確的實驗環(huán)境，讓學(xué)生在概念學(xué)習(xí)中進(jìn)行科學(xué)探究，在科學(xué)探究中進(jìn)行概念學(xué)習(xí)，從而加深學(xué)生對科學(xué)概念的理解，促進(jìn)其科學(xué)思維的形成。因此，本文針對PhET虛擬仿真程序?qū)πW(xué)科學(xué)“杠桿”實驗教學(xué)的改進(jìn)進(jìn)行了探討。

一、不同版本教材的“杠桿”實驗設(shè)計的優(yōu)缺點分析

在教科版和青島版教材中，均設(shè)計了“利用杠桿尺研究杠桿的秘密”的實驗活動。教材中，本實驗采用控制變量法與等效替代法相結(jié)合的實驗方法進(jìn)行探究：首先調(diào)平杠桿尺，把掛在杠桿尺左邊的鉤碼看作是阻力點，把掛在杠桿尺右邊的鉤碼看作是用力點，接著通過改變兩端掛鉤碼的位置和數(shù)量理解杠桿相關(guān)知識點。它的優(yōu)點在于：現(xiàn)象清晰，方便記錄；器材標(biāo)準(zhǔn)，安全性高。缺點在于：杠桿尺調(diào)平操作對小學(xué)生要求較高；實驗現(xiàn)象與現(xiàn)實生活聯(lián)系不大；器材老化容易出現(xiàn)誤差導(dǎo)致實驗失敗。

此外，其他教材提到了“用小石塊撬動大石塊”的實驗活動。教材中，本實驗采用控制變量法與作圖法相結(jié)合的實驗方法進(jìn)行探究：先用一小石塊和木板將一大石塊從A處撬到B處，同時學(xué)生需畫一張A到B的測量圖，以便測量搬運距離，接著則是側(cè)重觀察每一次小石塊移動的距離，同時畫出每一次撬動大石塊時的杠桿裝置，最后通過梳理例圖幫助學(xué)生理解杠桿相關(guān)知識點。它的優(yōu)點在于：材料簡單，方便開展；原理清晰，容易理解。缺點在于：石塊在木板上容易滑落；學(xué)生操作石塊存在安全隱患；石塊到支點的距離測量不準(zhǔn)確。

在實際教學(xué)中，小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)還存在著學(xué)生參與度低、學(xué)生實驗興趣不高、實驗評價缺失等共性問題。諸如此類的問題也會導(dǎo)致實驗教學(xué)效果不佳，這就亟須科學(xué)教育工作者提出完善與改進(jìn)的策略。

二、PhET虛擬仿真程序特點

（一）情境趣味性

PhET虛擬仿真程序以娛樂性游戲為載體，以體驗式情境為主要演示方式，幫助學(xué)生將學(xué)習(xí)環(huán)境建立在輕松愉悅的環(huán)境中。實驗教學(xué)普遍難教的關(guān)鍵點在于學(xué)生剛接觸新的科學(xué)模型時難以產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣。而應(yīng)用PhET虛擬仿真程序就能很好地解決這一問題，學(xué)生在這樣的學(xué)習(xí)氛圍下更容易找到學(xué)習(xí)的樂趣，體會到獲取知識的成就感。

（二）雙向互動性

PhET虛擬仿真程序不同于一般的教學(xué)探究過程，傳統(tǒng)的科學(xué)探究以學(xué)生的大量活動為中心，花費較多時間在搜集證據(jù)、驗證評估等環(huán)節(jié)上，而PhET則是以教學(xué)內(nèi)容為中心，學(xué)生不需要被復(fù)雜的儀器操作所困擾，更加有利于其與教師合作探究，從而實現(xiàn)雙向互動。

（三）操作便捷性

PhET虛擬仿真程序采用人物圖片、視頻動畫等方式呈現(xiàn)實驗內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容清楚直觀，器材擺放位置清晰，有明確的按鈕提示和操作指示，學(xué)生對于自己想驗證的實驗可以自行設(shè)置變量、改變條件、總結(jié)規(guī)律，并且可以反復(fù)進(jìn)行操作，全程操作簡單無障礙，不僅方便教師進(jìn)行巡視指導(dǎo)，更有利于鍛煉學(xué)生的自主探究能力。

（四）資源開放性

PhET虛擬仿真程序所發(fā)布的全部虛擬仿真程序，均無需支付任何費用即可在線使用。利用其資源開放性的特點，學(xué)生在課堂上沒有理解透徹的實驗步驟，課后可借助手機、平板電腦等工具進(jìn)行重復(fù)學(xué)習(xí)；教師可利用PhET平臺布置相關(guān)作業(yè)，學(xué)生只需準(zhǔn)備一部電子設(shè)備即可完成，完美地解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中由于實驗材料限制等問題帶來的布置作業(yè)的困境。

三、利用PhET虛擬仿真程序改進(jìn)“杠桿”實驗

“杠桿”一節(jié)課的內(nèi)容與PhET模擬仿真平臺中的“平衡探究實驗”板塊相對應(yīng)。該板塊分為認(rèn)識平衡、探究杠桿平衡原理、游戲三部分。實驗改進(jìn)從“結(jié)合PhET創(chuàng)設(shè)多種實驗情境”“利用PhET逐級學(xué)習(xí)科學(xué)概念”“借助PhET有效檢測學(xué)習(xí)效果”三方面展開。

（一）導(dǎo)入新課——結(jié)合PhET創(chuàng)設(shè)多種實驗情境

PhET模擬仿真實驗中的情境多是基于現(xiàn)實環(huán)境的背景之下的，教師可提前對相關(guān)實驗板塊進(jìn)行了解，在課堂開始時通過相似的情境進(jìn)行導(dǎo)入，為后續(xù)的實驗開展做出準(zhǔn)備，同時保證課堂的整體連貫性。“平衡探究實驗”板塊涉及的情境主要有：比較滅火器與垃圾桶的重量、比較兩個物體的重量、推測未知物體的重量等，教師可將其相應(yīng)轉(zhuǎn)化成學(xué)生生活中會遇到的問題：消防員叔叔經(jīng)常使用的滅火器與垃圾桶相比哪個比較重；××和××誰比較沉（可選擇學(xué)生較為熟悉的卡通形象進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)）；怎樣判斷商場里銷售的盲盒的重量等。接著，先由學(xué)生自由表達(dá)觀點，教師隨后引出本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容并為后續(xù)所要進(jìn)行的實驗打下基礎(chǔ)。

（二）知識新授——應(yīng)用PhET逐級學(xué)習(xí)科學(xué)概念

“杠桿”一節(jié)對應(yīng)的知識點由易到難分別為以下三點：識別杠桿的三個作用點，描述杠桿原理，判斷省力，費力杠桿。下文詳述PhET虛擬仿真程序與三級知識點的結(jié)合。

1.識別杠桿的三個作用點。教師指導(dǎo)學(xué)生打開“認(rèn)識平衡”板塊，通過觀察在杠桿上放置不同數(shù)量的滅火器和垃圾桶產(chǎn)生的相應(yīng)效果圖，總結(jié)出動力點、阻力點、支點三者的定義，不同情境下三點對應(yīng)位置如圖。講解完畢后由學(xué)生自行設(shè)計實驗并講解各點位置，以展示其學(xué)習(xí)效果。

2.描述杠桿原理。教師指導(dǎo)學(xué)生打開“探究杠桿平衡原理”板塊，該板塊有不同重量的砝碼、人物、未知物體等實驗材料供學(xué)生選擇。學(xué)生首先可自行選擇喜歡的材料設(shè)計實驗，通過記錄阻力點及動力點到支點的距離及各位置上物體的重量，填寫實驗記錄單以總結(jié)杠桿平衡的原理。實驗記錄單見表1。其中“（）”為學(xué)生自己選擇的實驗材料。

3.判斷省力、費力杠桿。教師首先向?qū)W生講解省力杠桿、費力杠桿的特點，接著屏幕出示不同情況下杠桿的傾斜情況讓學(xué)生判斷是省力杠桿還是費力杠桿，同時可輔以對日常生活中常見杠桿的拓展。

（三）鞏固評價——借助PhET有效檢測學(xué)習(xí)效果

PhET模擬實驗均提供游戲模塊。游戲模塊分為水平1，2，3，4四種難度，其難度依次增大，每個水平下都包括三類游戲方式，分別對應(yīng)本節(jié)課中提到的三級知識點，對應(yīng)情況見表2。教師可以選擇其中的某個游戲用以檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，接著指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入游戲板塊，并以個人或小組為單位開始游戲。操作界面左下角的“秒表”按鈕用來計時，“喇叭”按鈕用來控制聲音。學(xué)生回答錯誤則游戲重新開始，回答正確則進(jìn)行積分，學(xué)生通過記錄并匯報游戲數(shù)據(jù)，鞏固先前學(xué)過的概念的同時檢測學(xué)習(xí)效果。

通過分析上述應(yīng)用PhET虛擬仿真程序進(jìn)行“杠桿”實驗的教學(xué)過程可以發(fā)現(xiàn)：從教學(xué)設(shè)計上看，PhET仿真程序?qū)W(xué)生對科學(xué)知識的學(xué)習(xí)與虛擬實驗緊密聯(lián)系了起來，從知識導(dǎo)入到評價復(fù)習(xí)，環(huán)環(huán)相扣，結(jié)構(gòu)完整。大情境的運用不僅極大地提高了學(xué)生對科學(xué)實驗的內(nèi)在興趣，而且也有助于學(xué)生對概念知識的系統(tǒng)理解。從技術(shù)應(yīng)用上看，PhET仿真程序的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的教師單一灌輸?shù)慕虒W(xué)模式，以互聯(lián)網(wǎng)為載體，借助虛擬仿真技術(shù)交互性的特點，實現(xiàn)了課堂中教師與學(xué)生的雙向互動，使教與學(xué)的質(zhì)量有所提升。從學(xué)生自身學(xué)習(xí)方式上看，應(yīng)用PhET仿真程序提供的便捷式探究環(huán)境，學(xué)生可以自主選擇和進(jìn)行實驗，不受實驗場地、材料等因素的影響，學(xué)生的參與度大大提高，同時也加深了學(xué)生的學(xué)習(xí)印象。

四、反思與啟示

在PhET的實際應(yīng)用中，還有以下兩個方面需要引起教師和學(xué)生注意。其一，PhET網(wǎng)站提供了百余種仿真程序，在眾多程序中，小學(xué)科學(xué)領(lǐng)域所涉及的仿真程序僅有幾十個，顯然沒有包含全部的小學(xué)科學(xué)知識點，也就是說，仍然有大部分科學(xué)實驗需要教師進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。因此，在實際的實驗教學(xué)中教師不能過于依賴PhET仿真程序。其二，仿真模擬的數(shù)據(jù)過于精確，不利于學(xué)生建立誤差概念。誤差思想的建立是科學(xué)概念學(xué)習(xí)的重要目標(biāo)之一，然而仿真模擬實驗給出的過于“完美”的數(shù)據(jù)往往容易讓學(xué)生忽略或者不理解誤差的產(chǎn)生，進(jìn)而對后續(xù)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生不利的影響。

綜上所述，PhET虛擬仿真程序為以“杠桿”實驗為代表的科學(xué)實驗教學(xué)提供了新的設(shè)計方向和理念，但在實踐過程中仍然存在著些許問題，這也就要求科研工作者著力研究數(shù)字技術(shù)與實際教學(xué)的有效整合問題，在不同的案例中通過二者的優(yōu)勢互補來改進(jìn)教學(xué)，以期達(dá)到最優(yōu)效果，真正實現(xiàn)“以數(shù)字技術(shù)賦能教學(xué)”的教學(xué)理念。

參考文獻(xiàn)

[1]李艷.小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中的問題與對策[J].華夏教師，2022（29）：88-90.

[2]李冬.融合PhET虛擬實驗促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的實踐研究：以小學(xué)自然《飲食與健康》一課教學(xué)為例[J].教育傳播與技術(shù)，2022（4）：36-41.

[3]黃春梅，葉曉波.基于PhET的初中物理課堂教學(xué)設(shè)計：以“平衡探究實驗”為例[J].林區(qū)教學(xué)，2020（6）：91-94.