PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)在高中物理建模教學(xué)中的應(yīng)用

韓薇 楊曉梅

摘? ?要：高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，物理核心素養(yǎng)占重要地位，物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力對(duì)于物理建模教學(xué)尤為重要。PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)具有互動(dòng)及時(shí)反饋、仿真數(shù)據(jù)可調(diào)節(jié)、理想與現(xiàn)實(shí)情境可切換的特點(diǎn)，將虛擬仿真與物理模型教學(xué)高度融合，為物理模型教學(xué)提供了一個(gè)有效途徑。

關(guān)鍵詞：PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái);物理建模教學(xué);核心素養(yǎng)

1? ? 引? ?言

中華人民共和國(guó)教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，關(guān)于課程目標(biāo)提出，要求學(xué)生具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力;能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論[1]。解決物理問題的過程是模型匹配、模型組合、模型解釋的過程，物理仿真模型可以幫助學(xué)生培養(yǎng)其科學(xué)思維能力。

互動(dòng)仿真模型平臺(tái)可以激勵(lì)學(xué)生在直觀的、游戲化的環(huán)境中進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。它以其生動(dòng)、準(zhǔn)確、互動(dòng)的特點(diǎn)，將虛擬仿真與物理模型教學(xué)高度融合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足。PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)將物理多個(gè)單元的知識(shí)點(diǎn)融合在一個(gè)模型中，幫助學(xué)生建立知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)地學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，將所構(gòu)建的模型運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)、生活中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中探究，在探究中學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的沃土，完全符合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。因此，本文對(duì)PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)在高中物理建模教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

2? ? 互動(dòng)仿真模型平臺(tái)介紹

PhET （https：//phet.colorado.edu/）由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者卡爾·威曼用其諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)金于2002年創(chuàng)立。該計(jì)劃由科羅拉多大學(xué)的團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)運(yùn)營(yíng)，旨在創(chuàng)建免費(fèi)的數(shù)學(xué)和科學(xué)互動(dòng)程序[2]。PhET是一個(gè)非營(yíng)利的、開源的平臺(tái)，可幫助學(xué)生深入探究科學(xué)知識(shí)。該平臺(tái)已被翻譯成包括中文在內(nèi)的93種語言，在 STEM 教育領(lǐng)域成績(jī)斐然。至今，有2057名教師在此提交課程，美國(guó)已有1233個(gè)高中和276個(gè)高等學(xué)府使用PhET作為教學(xué)手段。PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)無需注冊(cè)與配置，其HTML5仿真可以直接在線操作，使教學(xué)過程更加便利。

本文主要探究PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)在高中物理建模教學(xué)中的應(yīng)用，按平臺(tái)給出的學(xué)段劃分，制成了如表1所示的仿真模型統(tǒng)計(jì)表。

3? ? PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)與高中物理建模教學(xué)

3.1? ? 物理建模教學(xué)的定義

人教版高中物理必修1中將物理模型定義為：在物理學(xué)中，通過突出問題的主要影響因素，忽略某些次要的影響因素，而建立的理想化的研究對(duì)象[3]。建模教學(xué)是一種科學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)科相結(jié)合的探究教學(xué)模式，是一種引導(dǎo)學(xué)生參與建立 、檢驗(yàn)與應(yīng)用自然規(guī)律概念模型的教學(xué)活動(dòng)。物理建模教學(xué)提供了一種與科學(xué)家如何做研究相近的形式 ， 其課程圍繞少量相關(guān)聯(lián)且凸顯了物理學(xué)特征的基本模型予以展開[4]。因此，基于科學(xué)思維的物理模型教學(xué)設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)應(yīng)包括呈現(xiàn)問題情境、建立物理模型、分析物理模型、應(yīng)用物理模型，其環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的具體內(nèi)容如圖1所示。

3.2? ? 案例說明PhET在物理建模教學(xué)中的應(yīng)用

以單擺模型為例。單擺模型可以表述為，將一個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的小球拴在一條不可伸長(zhǎng)的輕質(zhì)細(xì)線下端，當(dāng)不必考慮空氣阻力的影響時(shí)，在擺角很小的情況下，可以看作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)周期公式可導(dǎo)出為：T=2π。由此，在PhET中選擇適當(dāng)?shù)姆抡?，輔助進(jìn)行物理建模教學(xué)。

3.2.1? ? 呈現(xiàn)問題情境環(huán)節(jié)

教師以形象、直觀的“鐘擺實(shí)驗(yàn)”仿真模型向?qū)W生展示問題情境，引導(dǎo)學(xué)生覺察問題，嘗試以建立模型的思維去觀察并猜想單擺的運(yùn)動(dòng)、受力情況與能量轉(zhuǎn)換及其影響因素，這利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，激發(fā)學(xué)生對(duì)情境的感性認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的興趣。

在該仿真的入門單元中，涵蓋了單擺模型的主要影響因素，包括擺長(zhǎng)、擺重、擺角、擺高、重力加速度以及阻力。在問題情境的創(chuàng)設(shè)中，將抽象化的理想模型直觀地展示出來，促使學(xué)生從科學(xué)思維的角度去處理問題。

3.2.2? ? 建立物理模型環(huán)節(jié)

根據(jù)PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)呈現(xiàn)的直觀問題情境，學(xué)生可由此自主確立建模對(duì)象——輕繩與質(zhì)點(diǎn)小球組成的單擺，對(duì)象所處外部環(huán)境——受重力與摩擦力，以及所經(jīng)歷過程——做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，通過仿真平臺(tái)的互動(dòng)性操作，學(xué)生可以通過實(shí)時(shí)的反饋體會(huì)各個(gè)影響因素的主次關(guān)系，能自主歸納得出模型中的主要影響因素與次要影響因素。

在該仿真的實(shí)驗(yàn)室單元中，有各種參數(shù)面板（如圖2），包括擺長(zhǎng)、擺重、擺角與起始高度等基本設(shè)置，通過設(shè)置可以觀察到理想與現(xiàn)實(shí)情境的差距，如重力場(chǎng)可改變，摩擦力大小可調(diào)節(jié)。學(xué)生通過控制變量，可以對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中不易觀測(cè)的現(xiàn)象進(jìn)行直接的觀察。

3.2.3? ? 分析物理模型環(huán)節(jié)

經(jīng)歷了物理模型的探究操作，學(xué)生已能初步判斷單擺模型的影響因素的主次。為了從定性和定量?jī)煞矫娓钜徊教骄磕Ｐ椭械奈锢硪?guī)律以及數(shù)學(xué)關(guān)系，準(zhǔn)確而及時(shí)的反饋必不可少。實(shí)際操作中我們可以通過各種測(cè)量工具以及傳感器得到反饋，而PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)包含所需的虛擬測(cè)量?jī)x器與傳感器，更精確、方便地解決了這一問題。

該仿真的實(shí)驗(yàn)室單元中，在周期記錄方面，提供了秒表與周期計(jì)時(shí)器;在運(yùn)動(dòng)情況方面，添加了尺子、速度與加速度的指示箭頭;在能量轉(zhuǎn)換方面，提供了柱狀能量圖（如圖3）。學(xué)生可通過控制變量，自主設(shè)計(jì)理想狀況下的各個(gè)參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)表，由此探究不同變量之間的關(guān)系。

以探究單擺的擺長(zhǎng)、質(zhì)量與周期之間的關(guān)系為例（摩擦力設(shè)為0，重力加速度設(shè)為9.8）。學(xué)生可設(shè)計(jì)如表2所示的統(tǒng)計(jì)表。

通過對(duì)表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、分析可知，當(dāng)擺角足夠?。?°）時(shí)，擺長(zhǎng)與單擺的周期成正相關(guān)，而質(zhì)量與周期無關(guān)。在這一過程中學(xué)生通過合作探究、收集數(shù)據(jù)、制作圖表，來推理變量之間的關(guān)系。與此同時(shí)，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，幫助學(xué)生將公式與模型結(jié)合起來，這樣不僅僅是記住公式，而是能將單擺周期與擺長(zhǎng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式T=2π中的每一項(xiàng)變量與物理模型進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。

在這樣的探究過程中，學(xué)生能夠意識(shí)到，對(duì)物理模型的理解不只是感性的認(rèn)識(shí)，還需要用精確的數(shù)字與公式來表明其中的規(guī)律;物理公式也不僅是數(shù)字與符號(hào)的計(jì)算，還對(duì)應(yīng)著各自的物理模型。

3.2.4? ? 應(yīng)用物理模型環(huán)節(jié)

通過條件參數(shù)的設(shè)置，PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)可以模擬實(shí)際生活中模型的應(yīng)用，以促使學(xué)生深入探究，拓寬思維。

在該仿真的實(shí)驗(yàn)室單元中，通過調(diào)節(jié)重力場(chǎng)與摩擦力這類在實(shí)際操作中難以調(diào)節(jié)的影響因素，將學(xué)生已建立的物理模型應(yīng)用于各種現(xiàn)實(shí)情境中，幫助學(xué)生完成從現(xiàn)實(shí)構(gòu)建理想，又從理想回歸現(xiàn)實(shí)的探究過程，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維，幫助他們將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)、生活中，探究不同條件下的應(yīng)用，通過模型組合，解決不同環(huán)境下的現(xiàn)實(shí)問題。

4? ? 結(jié)? ?語

隨著教育與互聯(lián)網(wǎng)+的接軌，對(duì)于中學(xué)物理教學(xué)中所包含的大量抽象概念以及較難理解的模型，學(xué)生可以通過虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行一系列物理模型學(xué)習(xí)，模擬科學(xué)家的科學(xué)探究活動(dòng)，鍛煉其科學(xué)思維，培養(yǎng)其物理建模能力。虛擬仿真平臺(tái)輔助下的物理建模教學(xué)，將是未來物理教學(xué)的一個(gè)新的亮點(diǎn)。然而在實(shí)際教學(xué)中，僅僅是仿真模擬，并不能訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)生的動(dòng)手操作必不可少。且仿真模擬的結(jié)果過于精確，忽略了實(shí)際操作中的誤差，降低了學(xué)生對(duì)于誤差的敏感度。因此，教師應(yīng)將PhET互動(dòng)仿真模型平臺(tái)的演示與實(shí)物演示以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，讓學(xué)生將模擬與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生基于現(xiàn)實(shí)與虛擬的差異進(jìn)行探究，讓課程資源得到最大的利用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代科技與教育理論的完美融合。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2]PhET[EB/OL].https：//phet.colorado.edu/zh_CN/.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2必修[M]. 北京：人民教育出版社，2010.

[4]ColleenMegowan-Romanowicz，許桂清.物理建模教學(xué)模式簡(jiǎn)介[J].物理教師，2011，32（8）：1-3.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）