摘要：PhET是PhET的縮寫，譯為物理教育技術(shù)。 基于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)以及PhET的介紹，提出將PhET模擬程序應(yīng)用于物理課堂教學(xué)，并以“平衡探究實(shí)驗(yàn)”為例講解教學(xué)內(nèi)容的“杠桿”。 根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)的一般要素進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)分析，并將其運(yùn)用到物理課堂教學(xué)中，提高教學(xué)效果，有助于物理教師在教學(xué)中應(yīng)用PhET模擬程序，掌握相應(yīng)的教學(xué)策略和思路。
關(guān)鍵詞：PhET； 模擬程序； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 初中物理； 教學(xué)策略； 教學(xué)設(shè)計(jì)
生命充滿了物理現(xiàn)象，例如力、光、熱和電。 這些物理現(xiàn)象大部分都可以用中學(xué)物理知識來解釋。 與生活密切相關(guān)的知識可以引起學(xué)生對物理的興趣[1]，但在現(xiàn)實(shí)的物理教學(xué)中，只要求學(xué)生記住概念、公式或原理初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生對物理學(xué)習(xí)沒有興趣。 如何讓學(xué)生對物理產(chǎn)生興趣，甚至愛上物理，是教育工作者不斷研究和思考的課題。 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，PhET在物理教學(xué)中誕生。 目前，有很多 PhET 模擬程序。 如何利用現(xiàn)有的PhET項(xiàng)目來提高物理教學(xué)效果是物理教師關(guān)注的熱點(diǎn)話題。
一、傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)
1、實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢
物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程。 每本教材中都安排了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，每章后還配有小實(shí)驗(yàn)。 因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課程的重要組成部分。 不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手操作能力和實(shí)踐能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。 而且，許多物理公式和定律都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出來的。 實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作步驟簡單。 教材中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)都會有具體的操作步驟。 只要按照步驟操作，任何人都可以操作它，探索和發(fā)現(xiàn)科學(xué)家以前發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，從而激發(fā)學(xué)生對物理的探索。 科學(xué)興趣。
2、實(shí)驗(yàn)教學(xué)不足
一方面，物理實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備相對精密、昂貴，一不小心就可能損壞； 一套物理裝備往往要花費(fèi)幾十萬，所以這些裝備的更新?lián)Q代速度極其緩慢。 另一方面，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會用到電、火等危險(xiǎn)物品，稍有不慎就可能釀成大禍； 做實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般需要分組完成，但學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和動(dòng)手操作能力存在差異。 有的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中東張西望，不但對自己組沒有幫助，反而還制造麻煩，拖后組的后腿。 這使得很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而影響整個(gè)小組。 每節(jié)課的進(jìn)度。
2. 關(guān)于PhET
PhET是物理教育技術(shù)的縮寫。 它由科羅拉多大學(xué)卡爾·維曼于2002年制作并運(yùn)行，旨在通過免費(fèi)的交互式模擬程序提高全世界人們的科學(xué)教學(xué)素養(yǎng)[2]。 PhET網(wǎng)站（..edu[3]）上有很多交互式模擬程序初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)，這些模擬程序向全世界開放，可以免費(fèi)下載并在線學(xué)習(xí)。 隨著PhET模擬項(xiàng)目在各學(xué)科領(lǐng)域的快速增加，PhET受到越來越多研究者和教師的青睞。 目前，這些模擬實(shí)驗(yàn)已涉及生物學(xué)、化學(xué)、地球科學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，可供世界各地的研究人員、愛好者、教師和學(xué)生免費(fèi)使用。 早期PhET模擬程序的開發(fā)主要采用Java和Flash技術(shù)。 使用這兩種技術(shù)開發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)與許多平臺不兼容。 不同的平臺需要不同的技術(shù)來支持。 對于不懂技術(shù)的老師和學(xué)生來說，要使用這些模擬器有點(diǎn)困難。 2013年，PhET開始使用HTML5技術(shù)開發(fā)模擬程序。 使用HTML5開發(fā)設(shè)計(jì)的程序可以跨平臺無縫連接。 無論是win7、win8、win10，甚至是LINUX系統(tǒng)或Unix系統(tǒng)，只要安裝了瀏覽器，模擬程序就可以運(yùn)行。
3. PhET教學(xué)準(zhǔn)備：《平衡探究實(shí)驗(yàn)》教學(xué)分析
下面對《平衡探究實(shí)驗(yàn)》模擬軟件的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，教學(xué)設(shè)計(jì)需要考慮六個(gè)內(nèi)在相關(guān)的復(fù)雜因素和環(huán)節(jié)[4-5]。
1.學(xué)習(xí)需求分析
學(xué)習(xí)需求主要是指學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識之前所具備的現(xiàn)有知識和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。 在學(xué)習(xí)本課之前，一方面，學(xué)生已經(jīng)了解了力學(xué)中的一些基本概念和規(guī)律，并且可以利用這些力學(xué)知識來解釋生活中的一些問題。 杠桿是機(jī)械知識的進(jìn)一步拓展和應(yīng)用。 因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)本課的教學(xué)內(nèi)容時(shí)已經(jīng)具備了相關(guān)的知識基礎(chǔ)。 另一方面，學(xué)生在日常生活中使用的剪刀、鉗子、秤、蹺蹺板等都具有杠桿的特性，這樣在講解時(shí)更容易被接受，也更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2.學(xué)習(xí)內(nèi)容分析
《杠桿》[6]是人民教育出版社八年級下冊第十二章《簡單機(jī)械》第一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。 PhET網(wǎng)站上的“平衡探索實(shí)驗(yàn)”只是講解了杠桿的相關(guān)知識。 因此，在講解“杠桿”部分時(shí)，可以用“平衡探究實(shí)驗(yàn)”來講解。 教學(xué)內(nèi)容包括：杠桿的概念、杠桿的相關(guān)術(shù)語、力臂和阻力臂的畫法、杠桿的平衡條件。 教學(xué)重點(diǎn)是理解杠桿均衡條件以及利用均衡條件解決問題。 教學(xué)的難點(diǎn)在于通過模擬實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出杠桿的平衡條件。
3. 學(xué)習(xí)者分析
在學(xué)習(xí)本課之前，學(xué)生已經(jīng)了解了力的三種性質(zhì)，掌握了相關(guān)知識，為本課做好了準(zhǔn)備。 這個(gè)班的學(xué)習(xí)者是二年級的學(xué)生。 這一階段，學(xué)生的思維處于從具體思維向抽象思維過渡的階段。 他們的抽象思維能力不強(qiáng)，需要用具體的事物來理解。 初二學(xué)生容易接受新事物，喜歡挑戰(zhàn)，不喜歡全程“老師講、學(xué)生聽”的教學(xué)模式。 因此，在講解杠桿的內(nèi)容時(shí)，讓學(xué)生自己操作，通過PhET中有趣的游戲來學(xué)習(xí)各個(gè)方面。 知識點(diǎn)可以更好地訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手操作能力和歸納推理能力。
4.學(xué)習(xí)目標(biāo)分析
知識技能目標(biāo)：了解杠桿的定義，能夠從日常工具中識別杠桿部分； 了解杠桿相關(guān)術(shù)語：支點(diǎn)、力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂等概念，并能畫出力臂，了解杠桿的平衡狀態(tài)。 過程和方法目標(biāo)：通過操作模擬實(shí)驗(yàn)，感知杠桿； 在操作過程中，進(jìn)一步了解杠桿的支點(diǎn)、力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂的概念和平衡條件。 情感目標(biāo)：讓學(xué)生感受到杠桿在生活中的重要作用，樂于發(fā)現(xiàn)和分析生活中的杠桿，培養(yǎng)對物理的興趣； 讓學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)的操作中體驗(yàn)物理科學(xué)的魅力； 培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心觀察、推理能力和團(tuán)結(jié)合作精神。
5、教學(xué)方法設(shè)計(jì)
本課主要采用模擬程序?qū)嶒?yàn)法、歸納法、討論法、講授法等。 模擬實(shí)驗(yàn)方法主要是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，歸納法用于總結(jié)杠桿的平衡條件，討論法和講授法穿插在整個(gè)教學(xué)過程中。
6、教學(xué)媒體的選擇
本課所需的教學(xué)媒體主要是多媒體計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)。 利用網(wǎng)絡(luò)連接在線或?qū)⒎抡鎸?shí)驗(yàn)程序下載到終端計(jì)算機(jī)上供學(xué)生使用。
4. PhET教學(xué)應(yīng)用：《平衡探究實(shí)驗(yàn)》教學(xué)流程（1節(jié)課，45分鐘）
通過教學(xué)設(shè)計(jì)分析，研究者隨機(jī)選取楚雄市5所初中，隨機(jī)選取10名初中物理教師采用模擬實(shí)驗(yàn)“平衡探究實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行課堂教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。 教學(xué)過程中，全體老師驚喜地發(fā)現(xiàn)：這種模擬實(shí)驗(yàn)不僅解決了實(shí)驗(yàn)室中可能遇到的各種意外情況，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，尤其是在游戲階段。 他們都在積極地運(yùn)作、記錄和思考。 根據(jù)課堂觀察的教學(xué)情況，整理出《平衡探究實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)流程（1學(xué)時(shí)），如表1所示。
五、反思與展望
從以上教學(xué)設(shè)計(jì)分析以及利用“平衡探究實(shí)驗(yàn)”學(xué)習(xí)“杠桿”知識的整個(gè)教學(xué)過程可以看出，PhET模擬程序可以讓教與學(xué)變得有趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。 這也是PhET受到全球各學(xué)科教師青睞的原因。 但在應(yīng)用PhET時(shí)，需要注意以下三點(diǎn)：
1.并非所有知識點(diǎn)都適合PhET教學(xué)
首先，PhET網(wǎng)站提供的模擬課程涵蓋了生物、化學(xué)、地球科學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，包括小學(xué)、初中、高中、大學(xué)課程。 截至2019年8月9日，共有149個(gè)模擬項(xiàng)目。 然而，物理模擬程序只有幾十個(gè)，而初中物理知識點(diǎn)卻有數(shù)百個(gè)。 顯然，PhET網(wǎng)站上的模擬程序并沒有包含所有的知識點(diǎn)。 其次，物理課程中介紹了很多定律、公式、定律等理論知識。 這些知識只需要老師的推理和解釋，學(xué)生按照老師的思路就能理解。 因此，不需要借助模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然也不需要PhET來進(jìn)行教學(xué)。
2、教師必須有可以監(jiān)控學(xué)生電腦的電子教室軟件。
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室里，每臺計(jì)算機(jī)都可以接入互聯(lián)網(wǎng)。 最理想的情況是所有學(xué)生都能很好地操作模擬程序。 然而，每個(gè)班總有一些學(xué)生無法集中精力做實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常趁老師不注意的時(shí)候做其他事情，比如上網(wǎng)聊天、看電影電視劇等，老師很難做到這一點(diǎn)。在教室里走動(dòng)，監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)。 如果老師的電腦上安裝了可以監(jiān)控學(xué)生電腦的軟件，那么所有學(xué)生都會自動(dòng)連接到老師的電腦上。 老師坐在電腦前，可以知道學(xué)生是否認(rèn)真操作模擬程序，并可以檢查每個(gè)人的學(xué)習(xí)速度和進(jìn)度，并糾正不適當(dāng)?shù)牟僮鳌?學(xué)生可以獲得一對一的指導(dǎo)和幫助。
3、教師要有終身學(xué)習(xí)的理念
使用PhET進(jìn)行教學(xué)，首先需要了解什么是PhET，哪些課程和知識點(diǎn)適合PhET，使用PhET教學(xué)時(shí)如何設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)劃，課堂教學(xué)進(jìn)度是否可控，能否提高學(xué)習(xí)效果這就要求教師樹立終身學(xué)習(xí)的理念，不斷學(xué)習(xí)，獲取新知識，掌握新技術(shù)，提高課堂宏觀調(diào)控能力。 它還要求教師精通所教授的課程和各種教學(xué)方法，并能運(yùn)用所學(xué)的知識和技能。 在教學(xué)實(shí)踐中，提高教學(xué)效果。 總之，應(yīng)用PhET在“平衡探究實(shí)驗(yàn)”中學(xué)習(xí)“杠桿”知識，可以提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。 在物理教學(xué)中，讓學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)自己發(fā)現(xiàn)規(guī)律，可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 因此，在物理教學(xué)中，需要充分利用PhET網(wǎng)站提供的模擬程序，不斷提高教學(xué)效果。