李大為

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)館，北京 100012）

0 引言

PhET（Physics Education Technology）互動(dòng)仿真程序是美國(guó)科羅拉多大學(xué)的一個(gè)非營(yíng)利性開放教育資源項(xiàng)目，它由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者卡爾·維曼于2002年創(chuàng)立。PhET是一套基于研究的交互式計(jì)算機(jī)仿真程序，在物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物和其他學(xué)科領(lǐng)域中用于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)[1]。目前，PhET互動(dòng)仿真平臺(tái)中關(guān)于物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地球科學(xué)與生物五個(gè)科學(xué)學(xué)科的仿真程序共159個(gè)，提供95種翻譯語(yǔ)言，2863件課程案例，其中覆蓋的學(xué)段包含小學(xué)、初中、高中到大學(xué)。

1 PhET資源的特點(diǎn)

1.1 代碼開源、開頁(yè)即用

PhET互動(dòng)仿真平臺(tái)提供的仿真程序是基于Java和HTML5語(yǔ)言編寫，并且各個(gè)仿真程序相對(duì)獨(dú)立，可以基于Java語(yǔ)言和HTML超文本標(biāo)記語(yǔ)言進(jìn)行整合封裝。所有PhET資源遵循MIT開源許可協(xié)議，使用者既可以登錄其官方網(wǎng)站直接使用，也可以下載到項(xiàng)目源代碼，進(jìn)行本地化改造、部署應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)、工作中。

1.2 注重互動(dòng)、趣味性強(qiáng)

PhET互動(dòng)仿真程序不僅僅是動(dòng)畫模擬實(shí)驗(yàn)，它提供一個(gè)交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以直接、即時(shí)地響應(yīng)用戶的輸入，進(jìn)行模擬交互實(shí)驗(yàn)。例如，在物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以抓取如電池、燈泡、磁鐵、手柄和開關(guān)等，而不只是滑塊或文本框與程序進(jìn)行交互，極大地增強(qiáng)了真實(shí)性、趣味性。

1.3 迭代設(shè)計(jì)、內(nèi)容精良

互動(dòng)仿真程序是通過(guò)迭代設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的。對(duì)于每一個(gè)互動(dòng)仿真程序，都會(huì)有一個(gè)由3～5名專家組成的團(tuán)隊(duì)，其中包括一名專業(yè)技術(shù)開發(fā)人員、一名科學(xué)內(nèi)容專家、一名教師和一名用戶界面設(shè)計(jì)專家。其研發(fā)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)階段：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容列出學(xué)習(xí)目標(biāo)清單—完成初步頁(yè)面設(shè)計(jì)—專業(yè)技術(shù)人員開發(fā)操作界面—學(xué)生模擬使用調(diào)查反饋—重新設(shè)計(jì)功能優(yōu)化—通過(guò)課堂環(huán)境進(jìn)一步測(cè)試—最終版本在平臺(tái)發(fā)布。研究人員通過(guò)對(duì)參與實(shí)踐的教師與學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，及時(shí)獲悉應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)仿真程序的操作細(xì)節(jié)、難度以及與教學(xué)目標(biāo)的貼合度等方面進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化[2]。

2 PhET資源的應(yīng)用場(chǎng)景

PhET資源基于靈活性設(shè)計(jì)，可以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，概括如下：

2.1 在課堂中應(yīng)用PhET

PhET資源可以用于日常課堂的演示教學(xué)，必須的硬件設(shè)備要求有一臺(tái)電腦和投影儀。如果教室里沒有互聯(lián)網(wǎng)接入，可以下載整套PhET資源或單獨(dú)的仿真程序供離線使用。為了確保顯示的適配性，建議將計(jì)算機(jī)上的屏幕分辨率設(shè)置為1 024×768。

PhET資源可以用來(lái)代替或補(bǔ)充演示教學(xué)中需要的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，使用PhET資源的優(yōu)點(diǎn)是，學(xué)生可以更容易地在課堂上看到演示效果，實(shí)驗(yàn)參數(shù)支持現(xiàn)場(chǎng)修改，以便學(xué)生更直觀地觀察改變參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。例如，在橫波作用于弦上的典型實(shí)驗(yàn)中，弦的運(yùn)動(dòng)速度太快，學(xué)生看不到波動(dòng)是由弦上的每個(gè)點(diǎn)上下移動(dòng)引起的，但這種行為在模擬實(shí)驗(yàn)中可以更好地展示出來(lái)。

2.2 在家庭作業(yè)中應(yīng)用PhET

如果學(xué)生在家或者在學(xué)校能夠使用計(jì)算機(jī)，可以將PhET布置到家庭作業(yè)中，用于課后復(fù)習(xí)課上知識(shí)點(diǎn)或提前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容，讓學(xué)生自己操作模擬程序，并回答有關(guān)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。對(duì)于學(xué)生而言，PhET互動(dòng)仿真程序與游戲相融合，能夠提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性，培養(yǎng)學(xué)生由被動(dòng)獲取知識(shí)向主動(dòng)積極地探索科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)變。

2.3 在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用PhET

在實(shí)驗(yàn)室中引入PhET互動(dòng)仿真程序，可以直接代替部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)，保障實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，減少實(shí)驗(yàn)耗材的浪費(fèi)以及避免學(xué)生接觸較危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。另外，還可以把PhET模擬程序作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)環(huán)節(jié)，補(bǔ)充對(duì)抽象概念的理解，將真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓看不見的東西變得可視化。

3 PhET資源典型案例

下面以PhET互動(dòng)仿真平臺(tái)中具有代表性的程序——“力和運(yùn)動(dòng)”（Forces and Motion）為例，介紹PhET資源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。“力和運(yùn)動(dòng)”這一仿真程序主要用于輔助物理力學(xué)的教學(xué)，涉及的知識(shí)點(diǎn)包括二力平衡、摩擦力、加速度等，仿真程序把抽象的知識(shí)點(diǎn)具體可視化，讓學(xué)生對(duì)力產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)[3]。

該仿真程序包括“合力”“運(yùn)動(dòng)”“摩擦力”“加速度”四個(gè)操作模塊。在“合力”模塊，如圖1所示，通過(guò)類似小人拔河的實(shí)驗(yàn)，解釋合力的作用。學(xué)生操作時(shí)，可以向左側(cè)添加藍(lán)色小人，向右側(cè)添加紅色小人，根據(jù)人數(shù)不同和人物大小作用力的不同，頁(yè)面上直觀地展示出作用力之和的大小和方向。

圖1 合力

在“運(yùn)動(dòng)”模塊，如圖2所示，設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境在無(wú)摩擦狀態(tài)下，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)使小人推動(dòng)箱體滑動(dòng)?？梢杂^察到，當(dāng)保持一個(gè)恒力推動(dòng)時(shí)，箱體滑動(dòng)速度越來(lái)越快；推力越大，箱體滑動(dòng)速度增加越快；當(dāng)手松開后，箱體保持一個(gè)恒定速度不斷前進(jìn)。

圖2 運(yùn)動(dòng)

如圖3所示，在“摩擦力”模塊中，在原實(shí)驗(yàn)環(huán)境中引入摩擦力，當(dāng)小人推動(dòng)箱體時(shí)，可以結(jié)合“合力”模塊知識(shí)，使用推力、摩擦力計(jì)算作用力之和。通過(guò)這種分解知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)方法，展示物理現(xiàn)象背后的實(shí)際原理，讓學(xué)生更容易理解，記憶更深。

圖3 摩擦力

如圖4所示，在“加速度”模塊中，通過(guò)測(cè)量值的直觀顯示，進(jìn)一步說(shuō)明了當(dāng)作用力為一個(gè)恒力時(shí)，箱體運(yùn)動(dòng)越來(lái)越快的原因：加速度的作用。學(xué)生在操作中通過(guò)仿真程序的實(shí)時(shí)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)與程序的交互。通過(guò)操作界面的層層遞進(jìn)，進(jìn)行類似于游戲的探索，巧妙地完成了從具體到抽象的過(guò)渡。

圖4 加速度

4 結(jié)語(yǔ)

PhET資源因其開源易用、內(nèi)容豐富、活潑有趣等特點(diǎn)正被越來(lái)越多的教師、科普工作者所了解和使用。在信息科技高速發(fā)展的時(shí)代背景下，PhET資源為科普教育與信息科技的融合提供了一條新思路。如何在教學(xué)和科普中使用好這些學(xué)習(xí)資源，如何利用信息技術(shù)開發(fā)更好的科普教育資源成為廣大教師和科普工作者值得研究和探討的一個(gè)新方向。