PhET互动式仿真模拟实验软件的应用初探

沈德强

摘要：模拟型软件是科学教育教学中使用最广泛、最能发挥计算机先进技术的教育性软件，有压缩和放大时间、变不可能为可能及提高综合能力的优点。PhET互动式仿真模拟实验软件有开源性好、直观性强、仿真性高和互动性佳的优点，很适合小学科学“物质世界”教学使用。本文从教师演示科学实验、学生动手实验之前先模拟、自主体验实验过程及推动学生的自主探究几个角度分别进行举例分析。

关键词：模拟软件；“物质世界”教学

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2015）13/14-0146-04

● 模拟型软件在科学教育中的意义与价值

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”。《科学（3～6年级）课程标准（实验稿）》也指出，“要引导学生利用广泛存在于学校、家庭、社会、大自然、网络和各种媒体中的多种资源进行科学学习，将学生的科学学习置于广阔的背景之中”，“各种计算机辅助教学软件、文字处理软件、数据库软件、画图软件、教学评价软件、甚至包括某些智力游戏，都是很好的教学资源或工具”。

计算机教学软件从类型上划分主要包括练习软件、辅导软件、模拟软件及通用软件等。其中，模拟型软件（Simulation software）是科学教育教学中使用最广泛、最能发挥计算机先进技术的教育性软件。尤其对于一些自然景观的观察及科学实验过程的操作，由于各种原因，学生不能在学习中产生“身临其境”之感，而模拟型软件则提供了一个很好的学习情境。其主要有如下优点：

①压缩和放大时间。模拟型软件“压缩”和“放慢”的功能对学生进一步理解科学知识是十分有益的，其更大的优点是学生可以控制实验进程，可随时重复、放慢（加快）某一环节，这在传统实验中是不可想象的。

②变不可能为可能。模拟型软件能把过去在课堂上不太可能或根本不可能做的实验搬进课堂。在整个操作过程中，学生不仅可以调节实验的进度还可以随着实验的进展排除故障，回答软件中预先设计好的问题，并对下一实验步骤做出选择，学生不单单是信息的接受者，更是科学实验积极的参与者。

③综合能力的提高。模拟型软件能通过游戏、科学实验及不同形式创设一种情境去锻炼学生的综合思维能力和解决问题的能力。

模拟型科学实验虽然不能完全替代真正的课堂实验，但对于一些不适合在课堂上做的，或是由于资源及种种原因不能让学生亲自动手的课堂实验和活动实在是一个很好的替代。 PhET互动式仿真模拟实验软件就是其中一例。

● PhET互动式仿真模拟实验软件的发展与特点、功能

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计划（Physics Education Technology 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（http：//phet.colorado.edu/），提供物理、化学、生物、数学及地球科学等模拟实验，所有软件经严格测试和评估后发布，供教师示范、学生作业以及代替实验操作。其中的互动模拟实验以Java语言和Flash多媒体软件开发为主，已有50多个国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，使用者无需付费或特别取得授权即可直接使用，可以在线运行，也可以下载后使用，这一优势对物质水平较低的或者无网络覆盖的地区尤为重要。

PhET主要是研究仿真技术，以改进物理及其他理科教学，通过趣味互动的游戏方式，帮助学生理解生涩难懂的概念以及蕴藏的数理关系，提高学生学习的兴趣。该软件适用于以下情况：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核磁共振造影）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）。

PhET的特点为：①开源性好。采用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。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。能提供近似真实的实验情境、仿真的实验器材，当改变实验参数时，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。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，给师生提供更多的参与互动机会。学生可以根据提示，操作实验仪器，使用测量工具，改变实验参数，进行数据采集和整理，做到真正的理解。

● PhET在小学科学教学中的应用

“物质世界”是小学科学中关于物质和能量的本质及变化的教学内容。包括力和运动、热和物质状态、声音、光、电和磁、物理变化和化学变化。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有大量设计成熟的程序可供“物质世界”的教学使用。

1.教师利用软件演示科学实验

演示实验即创设特定条件，重现大自然某些自然现象，并配合教学内容由教师操作的示范实验。在“物质世界”的学习中大量的客观事实无法用语言或平面图来解释。因而，教师可以通过合理设计、选择和利用模拟软件，化抽象为具体，化枯燥为生动，把要研究的科学现象清楚地展示在学生面前，引导学生观察并进行思考，配合讲解帮助学生认识科学现象和规律，建构科学概念，实现传统媒体无法实现的教育功能。

例如，PhET的“声音仿真实验”可以将无形的声波以直观形象的方式呈现出来，通过调整声音产生频率或振幅，你可以看到和听到波的变化。移动周围的听众，你可以听到他所听到的声音有什么变化。教师可以把声波直观、清楚地展示在学生面前，通过改变频率或振幅引导学生观察并思考频率或振幅与声音的关系，建构声波的科学概念（如图1）。该实验还可以清楚地看到和听到空气压力的变化对声音传播的影响（如图2）。

2.学生动手实验前先利用软件模拟

在小学科学中有一部分实验由于器材组装复杂或学生动手能力不足，导致学生独立实验不容易成功，这时可利用该软件的高仿真性特点，由学生在模拟程序中先进行模拟实验，之后再来组装实验器材，会使学生的动手实验变得容易一些。

例如，PhET的“直流电路”组装套件中所有元件和仪器都与实际非常接近，在连接上也可随意摆放，元件还可以在实际图形和图符之间转换。学生利用各种元件组装好电路后，即可查看电路的运行情况，只要各元件连接正确，电路便可接通，学生可以看到电在电路中的运行，除了有实物图，还可以转化成电路图，利于学生完整、清晰且准确地建构电路的模型（如图3）。如果学生连接错误，发生短路，在现实中，我们只能看到小灯泡被烧毁的一瞬间景象，而在PhET中，学生可以看到电路燃起熊熊大火的景象（如图4），非常形象直观。正如网站原文所说的那样“An electronics kit in your computer！（一套电路元件在你的计算机里！）”通过仿真模拟实验的先期经验积累，学生在实际动手组装电路时就变得相对容易一些。学生会有意识地将导线接在小灯泡的两个点上，还会仔细检查电路，以防出现电路短路。

3.借助模拟软件，学生自主体验实验过程

在科学学科的学习中有大量的客观事实是无法用语言或平面图进行解释的。教师可以通过合理设计、选择和利用模拟软件，帮助学生理解。

例如，PhET的“能量的形式和转化仿真实验”主要由能量介绍和构建自己的能量转换系统两个实验组成。能量介绍实验主要探讨在加热和冷却铁块、砖块和水时，能量的增加和减少的情况以及能量如何在这些物体间转移的（如图5）。在“构建自己的能量转换系统”实验中，你可以改变能量的来源（如水能、太阳能、蒸汽能、机械能）、能量的改变者（如发电机涡轮、太阳能电池板）和能量的使用者（如水、白炽灯、节能灯），跟踪和可视化能量通过系统如何流动和变化。该模拟实验为学生提供了从物体的内部进行观察能量流动的机会，软件开发者将无形的能量用这一符号形象地表现出来，学生通过观察能量的流动，就可以直观地了解能量的流动过程（如图6）。在“构建自己的能量转换系统”实验中，学生完全可以根据自己的想法来构建自己的独特的能量转化系统，并体验不同的能量系统中不同能量（软件开发者在这一实验中用不同颜色的E表示不同的能量形式）的转换和流动的过程。

4.借助模拟软件，推动学生的自主探究

随着新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境中的主动探究，但在实际教学中，由于教学条件和学习时间、空间的限制，完全在现实场景中实施研究性学习是不太现实的。信息技术为研究性学习的顺利实施创设了良好的条件。计算机网络以其便捷性、交互性和超越时空性等优势，创建了一个开发式的学习环境，网络资源和多媒体网络环境成为实施研究性学习的重要物质条件。

例如，在“简单电路”的学习后，教师可以引导学生通过与实际完全相同的电压表、电流表等仪器精确测量不同电路（如下页图7、图8所示）中的电压、电流变化情况。当学生使用电压表发现串联电路和并联电路电压的不同时，对串联电路和并联电路的认识就会更深一层。

小学科学的内容只能使用PhET中很少的一部分软件，但即使是很少的软件，也可能由于受到小学生知识的限制，而不能完全发挥它的作用，如“简单电路”中电流表、电压表的使用，“声音”中波的干涉现象，“斜面”中能量、功的变化及测量等都是绝大多数小学生还不会使用的功能。但由于该软件具有自由、免费使用的特点，学生无论在学校还是在家，都可以随时登录网站，下载软件研究学习，所以，教师可让那些学有余力或者有探究欲望的学生回家后继续探究，为学生科学素养的提升留下广阔的空间。

● 结语

VREL实验室（“Virtual Reality and Education Laboratory”的简称）的发起人之一Veronice Pantelidis博士认为，在教育领域中应用虚拟现实技术的原因有：①激发学习动机。②可以比其他手段更精确地演示某些特征、过程等。③允许在很近的地方考察一个对象。④允许从很远的距离进行观察。⑤使残疾人能够进行他们原本无法完成的实验或学习机会。⑥提供从物体的内部进行观察的机会。⑦允许学习者根据自己的节奏来完成体验。⑧允许学习者在一个很宽的时间内完成体验，而不必按照课程表的规定。⑨通过实际使用获得对新技术的体验。⑩提供很好的交互性，鼓励实验者积极参与。

不过《科学（3～6年级）课程标准（实验稿）》也指出：“（现代教育技术）是教学过程与方式的有机成分，只能在必要的时候采用恰当的形式进行，千万不要滥用。尤其对于小学学习科学而言，亲历探究过程、获取第一手经验是极为重要的，不能用高新技术代替一切。”

正如课标所言，模拟实验纵有千般好，也不能用它完全代替学生的亲自动手，毕竟模拟软件不同于实物，学生在动手组装实物的过程中不仅学到了知识、建构了概念，还可以获得动手实践的机会，体验小组合作的快乐，收获成功与失败的情感体验等，这些都是模拟实验所无法给予的。

参考文献：

[1]根据网站原文“This simulation lets you see sound waves. Adjust the frequency or volume and you can see and hear how the wave changes. Move the listener around and hear what she hears.”翻译.

[2]根据网站原文“Explore how heating and cooling iron， brick， and water adds or removes energy. See how energy is transferred between objects. Build your own system， with energy sources， changers， and users. Track and visualize how energy flows and changes through your system.”翻译并整理.

[3]教育部基础教育司组织编写.走进新课程：与课程实施者对话[M].北京：北京师范大学出版社，2002：9，138.

[4]中华人民共和国教育部制订.科学（3～6年级）课程标准（实验稿）[M].北京：北京师范大学出版社，2001：2，37-38.

[5]陈华彬，梁玲.小学科学教育概论[M].北京：高等教育出版社，2003：10，284，285-290.

[6]邓艳红.课程与教学论[M].北京：首都师范大学出版社，2007：1，269-270，276，278-279.

[7]徐敬标.小学科学教学技能[M].上海：华东师范大学出版社，2010，11，9.

[8]金鑫，王朋娇，朱丽泽.高中数理化学习的解铃人[J].中小学电教，2011（1、2）.

[9]肖美霖.PhET互动仿真软件与科学实验教学[J].中国信息技术教育，2010（11）.

[10]汪诗林，吴泉源.开展虚拟实验系统的研究与应用[J].计算机工程与科学，2000：22（2）.

[11]关于PhET：免费的在线物理、化学、生物、地理及数学仿真程序http：//phet.colorado.edu/zh_CN/about2015-05-12.