中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

物理觀念的形成與發(fā)展離不開概念和規(guī)律的學習與應用[1。幫助學生實現(xiàn)從前概念到科學概念的有效轉變是物理教育的重要內容與任務之一[2]?？茖W探究在促進學生概念轉變的過程中發(fā)揮著重要作用，而實驗作為科學探究過程中的關鍵一環(huán)，不僅是驗證和發(fā)展科學概念的重要手段，更是培育學生物理學科核心素養(yǎng)的關鍵途徑。然而，受制于物質條件和教師水平等因素，當前實驗探究教學仍面臨諸多挑戰(zhàn)：部分復雜實驗難以有效開展；可用于實驗教與學環(huán)節(jié)的時間有限；傳統(tǒng)的“教師講解、學生模仿\"教學模式過于程式化，難以充分發(fā)揮學生的主觀能動性[3]。同時，在傳統(tǒng)實驗教學中，學生往往被動地接受實驗結論，缺乏對實驗現(xiàn)象主動觀察與解釋的機會，也很少經歷完整的探究過程，難以形成對科學概念的深層理解。由于缺少對前概念的喚醒、認知沖突的激發(fā)與科學解釋的建構支持，學生容易停留在表層模仿與機械記憶上，難以實現(xiàn)概念的真正轉變。因此，有必要探索新的實驗教學模式，以促進學生概念轉變的發(fā)展。

隨著信息技術在教育領域的廣泛滲透，將其文章編號：1003-6148（2025）6-0086-8有效整合進物理教學，特別是實驗探究環(huán)節(jié)，已成為教學創(chuàng)新的重要方向。仿真實驗憑借其便捷性、廣泛性、安全性、經濟性和即時性等獨特優(yōu)勢，為克服傳統(tǒng)實驗探究教學中的困難提供了創(chuàng)新性解決方案的可能。然而，現(xiàn)有研究多聚焦仿真實驗的技術功能介紹，仍缺少以仿真實驗促進概念轉變的教學模式研究。因此，本文將探討如何基于仿真實驗設計促進概念轉變的探究教學，并結合PhET以“波的傳播”為例闡述其具體應用，旨在為仿真實驗在高中物理教學中的應用提供可行的實踐路徑。

1促進概念轉變的仿真實驗探究教學模式構建

Posner等人提出的經典概念轉變模型指出，學生在經歷“對舊概念產生不滿意一理解新概念一感知新概念的合理性與有效性”這一系列心理過程后，才能完成科學意義上的概念轉變[4]?？梢?，經典的概念轉變模型強調認知沖突的重要性，要求教學能夠促使學生意識到原有知識框架的局限性，同時提供明確、合理、可驗證的新認知結構。因此，指向概念轉變的教學需引發(fā)學生對前概念的反思與挑戰(zhàn)，并提供認知腳手架以幫助其完成重構與遷移。

讓學生經歷完整的科學探究過程（通常包含“問題一證據—解釋—交流”四個要素1，能夠有效地幫助學生完成正確的概念轉變。仿真實驗具備可視化、可交互、可重復等多種優(yōu)勢[3，因此在科學探究中融入虛擬仿真技術，可以有效地在問題提出過程中激活認知沖突；在證據收集和解釋建構過程中，提供認知腳手架，逐步重建科學理解和深化對微觀機制和動態(tài)變化的理解；在交流評估中強化對新概念的理解和遷移[5]?？梢姡瑢⒎抡鎸嶒炄诤嫌诳茖W探究教學，不僅能夠保留探究活動中的主體性、問題性和開放性，還能夠借助技術手段優(yōu)化認知過程，構建“技術賦能概念轉變\"的教學新范式。

基于上述分析，結合已有研究關于交互仿真實驗的教學策略[6]，本研究構建了促進概念轉變的仿真實驗探究教學模式（圖1）。該模式以“問題驅動一證據收集—解釋建構—交流評估”四個探究環(huán)節(jié)為教學流程主線，依托虛擬仿真實驗的技術優(yōu)勢，構建支持學生概念轉變的教學環(huán)境。

要素 仿真實驗的支持 教師活動 促進概念轉變的功能·整合動態(tài)圖像、聲音提示、數據 創(chuàng)設情境，引導學生提出問題 ·激活前概念

問題驅動 等多模態(tài)輸出提供情境沉浸感強 與生成預測 ·引發(fā)對已有理解的懷疑的可視化模擬環(huán)境 ·建立認知不協(xié)調的基礎·支持變量設置與預測任務提供多樣化實驗操作體驗 指導學生主動操作仿真實 ·動搖前概念

證據收集 ·具備高度可控性與多次重復性 驗，調整參數、記錄數據、對 ·強化認知沖突比預測 ·促使學生意識到原有知識框架的局限·支持學生將感性觀察上升為·具備可調參性與交互式反饋功能 運用模型推演、逐幀觀察、軌跡理性概念

解釋建構 ·輔助學生構建抽象模型和因果 分析等仿真功能支持學生建構·完成科學概念的初步建構與關系 科學解釋合理化·支持實驗過程截圖、回放與可 設計概念遷移任務，引導學 ·推動新概念的內化與遷移應

交流評估 視化成果展示 生展示成果，開展互評反思 用·增強概念的穩(wěn)定性與適用性

1.1 問題驅動：激活前概念，喚醒認知參與

在本環(huán)節(jié)中，教師可以借助虛擬仿真實驗技術的動態(tài)圖像、聲音提示、參數設置及數值變化等功能，創(chuàng)設貼近真實生活的“多模態(tài)\"物理情境，以引導學生基于已有經驗對物理現(xiàn)象進行預測，進而暴露其錯誤的前概念[]。在該環(huán)節(jié)中，教師可借助仿真實驗技術實現(xiàn)物理情境動態(tài)描述、慢動作播放及自變量自由改變等操作。而后教師再結合適當的話語引導，使學生能夠更清晰地“發(fā)現(xiàn)問題”提出問題”，甚至是“預測現(xiàn)象”。經歷問題的提出和現(xiàn)象的預測等環(huán)節(jié)后，學生開始反思自身的認知結構，并在后續(xù)驗證中迎來認知沖突的觸發(fā)，為概念轉變路徑中的“認知不協(xié)調\"環(huán)節(jié)創(chuàng)造條件。

1.2 證據收集：實驗操作，驅動認知失調

本環(huán)節(jié)強調教師要用好仿真實驗平臺“活動多樣”與“真實體驗\"的特點，引導學生通過操作仿真實驗平臺對物理現(xiàn)象進行系統(tǒng)性觀察與證據收集。教師針對前一環(huán)節(jié)中學生所暴露的錯誤前概念開展教學，利用虛擬仿真實驗平臺中的交互界面，突出實驗結果與現(xiàn)象預測之間的認知沖突部分，從而動搖學生錯誤前概念，驅動其認知失調。在本環(huán)節(jié)中，教師通過使用虛擬仿真平臺降低了學生實驗技能的門檻和認知負荷[8]，使學生的認知資源集中于現(xiàn)象理解和邏輯推理。

1.3 解釋建構：多模態(tài)支撐，建構科學概念

在解釋建構階段，教師需通過仿真實驗具備的“可調參性”與“交互式反饋\"功能，引導學生整合先前探究活動中的觀察結果與科學原理，形成對核心概念的深層理解。使用“逐幀分析”“模型演繹”“軌跡追蹤”等功能，幫助學生細致觀察微觀交互過程，將原先模糊的經驗類解釋轉換為符合邏輯的科學解釋，初步實現(xiàn)從前概念到科學概念的轉變。因此，在本環(huán)節(jié)強調使用仿真實驗交互式反饋技術（如視覺動態(tài)圖像、位移軌跡、幀間比較等）幫助學生將感性認知整合為理性認知，并結合教師的言語引導建構科學解釋，形成屬于學生自身的科學知識結構。

1.4 交流評估：遷移應用，促進概念鞏固

在本環(huán)節(jié)中，強調教師利用仿真平臺引導學生進行自評、互評和他評，以強化學生對新概念進行遷移、反思與應用。交流評估環(huán)節(jié)體現(xiàn)評價與課程標準、教學目標及學生活動的一致性[9]。具體而言，教師可利用仿真實驗的記錄工具（如屏幕截圖、實驗日志導出等）對學生探究過程進行實時觀察和過程性診斷。同時，還可以指導學生借助線上平臺共享界面進行同伴互評，討論實驗設計與解釋路徑的差異，從而在認知比較與矛盾碰撞中加深理解。此外，教師可結合仿真實驗環(huán)節(jié)設計形成性評價，引導學生完成概念圖重建、問題解決任務、模擬應用等綜合性產出，強化學生對科學概念的掌握與遷移能力。通過這一環(huán)節(jié)的“反思一交流一重構\"過程，學生完成了對新概念的內化與應用，鞏固了概念轉變的效果，最終達成知識建構與能力發(fā)展的雙重目標。

2仿真實驗支持下“波的形成\"的探究教學案例

“波的形成”是高中物理選擇性必修一的內容，涉及質點振動、波的傳播等概念。在傳統(tǒng)教學中，借助繩和水波演示難以直觀呈現(xiàn)的波形成的微觀過程，利用橫波演示器則無法展示質點間的相互作用關系。Flash動畫雖具有一定的直觀性，但學生只能作為被動觀察者，缺乏動手操作與實施反饋的探究體驗。相比之下，PhET仿真實驗平臺為學生提供了一個交互性強、參數可調、可重復操作的實驗環(huán)境，為“促進概念轉變的仿真實驗探究教學模式\"提供了技術實現(xiàn)路徑。

本研究圍繞學生在該主題學習中常見的迷思概念—“波會推動質點向前運動\"開展教學設計，結合案例具體闡述“促進概念轉變的仿真實驗探究教學模式”。在學習波的傳播機制時，學生常產生“波會推動介質中的質點向前運動”“波形的上下對應質點的運動方向\"的迷思概念[10]。這一類比性錯誤往往源于日常經驗（如“海浪推人\"“水波沖擊\"），學生將宏觀觀察直接類化為微觀解釋，難以區(qū)分“波的傳播”與“介質粒子的運動\"之間的本質差異。因此，在教學中需通過激活前概念、制造認知沖突，并引導學生借助真實證據逐步建立科學概念。

2.1 基于多模態(tài)仿真問題驅動的前概念激活

本環(huán)節(jié)旨在通過虛擬仿真實驗創(chuàng)設多模態(tài)學習情境，引導學生調動原有經驗主動參與思考，在任務設問中喚醒和表達出迷思概念，為后續(xù)認知沖突的觸發(fā)創(chuàng)造條件。本環(huán)節(jié)依托PhET仿真實驗平臺，共分為“情境導入一問題引導一學生預測”三個部分。

【情境導入】教師借助PhET平臺中的繩波（wave-on-a-string）程序（圖2），動態(tài)演示機械振動如何在繩中傳播，引導學生聚焦“機械擾動如何引起連續(xù)波形”的核心現(xiàn)象。學生可通過交互按鈕調節(jié)波源頻率、振幅與繩張力等變量，并使用尺子、計時器等工具進行測量，真實體驗波形變化與物理量之間的關系。同時，教師利用波動入門（Waves_Intro）程序展示水波、聲波與光波等現(xiàn)象（圖3），營造具備視覺、聽覺、操作感知的多模態(tài)學習環(huán)境，增強情境的沉浸感與物理真實感。

【問題引導】在多模態(tài)情境的基礎上，教師引導學生觀察繩波的產生和傳播現(xiàn)象，并回答問題：“在繩波傳播過程中，繩子上的各點究竟是如何運動的”。同時，教師在繩上設置 _A，B 兩個可視標記點，如圖4（a）所示，要求學生作圖預測 A 、B 兩點將要向什么方向振動，“是會隨著波向繩的另一端移動，還是留在原地上下振動？它們下一刻將朝哪個方向運動？\"教師鼓勵學生結合生活經驗生成預測（如海浪、麥浪等）。此類設問意在激發(fā)學生調動經驗，形成直覺判斷，并為后續(xù)認知沖突埋下邏輯伏筆。

【學生預測】學生通過小組討論形成以下三類主要預測：

預測a：標記會像海浪推動沖浪者一樣“隨波前行”，沿波的傳播方向運動，如圖4（b）所示。

預測b：A點在波形“下坡”位置，會向下運動； B 點在波形“上坡\"位置，會向上運動，如圖4（c）所示。

預測 c：A、B 點會被靠近波源的點帶動著振動，如果相鄰位置靠近波源的點在上方，那么后方的質點會跟著向上運動，反之亦然，如圖4（d）所示。

本環(huán)節(jié)中，PhET仿真實驗平臺所提供的多模態(tài)可視化支持與交互功能，使學生在沉浸式情境中形成“對問題的真實感知”，有效激活學生已有的波動經驗與認知結構。學生以小組為單位對問題進行假設性預測，不僅凸顯了學生在探究過程中的主體地位，也通過分歧觀點的形成為后續(xù)的認知沖突與科學概念重構搭建了認知準備。整體上，充分體現(xiàn)了“問題驅動\"階段的目標與路徑。

2.2 實驗操作收集證據，驅動認知失調

本環(huán)節(jié)旨在通過組織學生開展仿真實驗操作，觀察關鍵變量變化過程（如頻率、振幅等），獲取經驗一預測的偏差證據，從而引發(fā)認知失調。為后續(xù)概念重構打下基礎。具體活動包含“實驗操作一觀察記錄一對比判斷\"三個子流程。

【實驗操作】教師引導學生進入繩波仿真程序的“自動模式”，要求學生觀察波動的產生與傳播（圖5）。為便于觀察關鍵細節(jié)，建議學生開啟“慢動作\"功能逐幀觀察。在操作過程中，學生發(fā)現(xiàn)：盡管波形整體向右傳播，但已被設置綠色標記的質點始終圍繞其平衡位置上下振動，未產生“隨波前行”的現(xiàn)象，這與部分學生先前的預測形成直接沖突（預測a、預測b）。

【觀察記錄】教師提供觀察任務表（表1），引導學生進入繩波仿真程序的“自動模式”，設置合適參數（如頻率 1.5Hz ，張力中等，阻尼最小），以小組為單位，借助軌跡截圖、標尺測距、計時器分析等仿真平臺的工具，對關鍵質點 在多個時間節(jié)點的運動狀態(tài)進行記錄。學生以屏幕截圖、速寫圖示、表格填寫等多種形式完成信息整理，并在小組內部就“是否存在前移”“是否與波形上下有關”等焦點問題進行初步對照討論。

【對比判斷】在實驗結束后，教師組織學生對仿真實驗結果與先前的三類預測進行系統(tǒng)對比。引導學生聚焦以下核心問題：

標記質點是否整體隨波前移？（否，證偽預 測a）

質點的振動方向是否與波形的“上/下\"有關？ （否，證偽預測b）

哪類預測更能解釋所見現(xiàn)象？（預測c初 步合理）

在分析過程中，學生普遍意識到：質點在波動中并不隨波傳播，而是原地振動，由相鄰質點的相互作用“帶動”產生了波形，將振動延續(xù)下去。這一觀察結果直接動搖了先前基于日常生活經驗形成的前概念，觸發(fā)強烈的認知不協(xié)調體驗。

“證據收集”階段教師通過組織學生親歷實驗操作，挑戰(zhàn)其持有的“質點隨波前移\"等迷思概念；同時，借助多種交互工具支持多角度數據呈現(xiàn)，廣泛收集證據。通過數據與預測的對比，學生在仿真實驗中經歷原有經驗和認知圖式破裂、啟動新認知結構建立的關鍵轉折，標志著第一輪深層次的認知失調已經形成，為后續(xù)建構科學概念打下堅實基礎。

2.3 模型觀察與科學解釋建構

本環(huán)節(jié)旨在引導學生基于認知沖突基礎進一步對數據進行深入分析，借助仿真實驗平臺的交互式反饋支持，對觀察結果進行因果機制推理，并完成從感性認知到理性概念的過渡與建構。通過“建構模型一深度觀察一完善解釋\"三個子活動，進一步落實概念轉變過程中的新概念的三個核心生態(tài)指標一可理解性、合理性、有效性。

【建構模型】教師首先引導學生圍繞關鍵問題展開思考：“既然質點不隨波遷移，為何振動仍能前向傳播”，借助PhET繩波仿真程序，教師指導學生設定理想實驗參數（如開啟“無邊界”，設置阻尼為“無”，開啟“慢速度”并點擊“逐幀前進”），構建一個高度可控的理想化的波的形成與傳播的情境。該情境將為學生提供清晰的波形動態(tài)圖像和相鄰質點的運動特征，為新概念的建構形成必需的感知支架。

【深度觀察】學生在逐幀操作中重點追蹤P₀，P₁，P₂ …等質點的運動軌跡（圖6）。如在 時刻， P₀ 到達最高點后開始下落時， P₁ 開始向上振動； 時， P₀ 回到平衡位置時， P₁ 到達最高點，同時 P₂ 開始振動…學生逐步發(fā)現(xiàn)：每個質點并未隨波整體移動，而是“模仿” P₀ （波源）的運動，即各質點的起振方向、周期和振幅與波源一致。

【完善解釋】在觀察的基礎上，教師引導學生回顧力學知識，結合觀察結果歸納出波動傳播的科學解釋：“各質點間存在相互作用，后方質點被前方（靠近波源的）相鄰質點依次帶動振動，時間上由近及遠相應滯后，從而將波源的振動形式在介質中傳播出去，同時也將波源的能量傳遞出去?！贝藭r，學生已能用“相互作用一振動依次延遲一振動向前傳播”的因果機制推理解釋波的形成。

隨后，教師進一步引導學生應用該邏輯于“質點振動方向的判斷”。以先前情境中的 A∨B 質點為例：若波向右傳播，則 _A，B 質點的振動方向應由其左側相鄰質點決定一即“帶動法”。此外，教師還可以補充介紹“微平移法\"（圖7）作為另一種判斷策略，用截圖工具“定格”某一時刻的波形，數秒后再次定格，比較 _A，B 兩點的垂直位移趨勢，即可判斷其振動方向。兩種方法均從“振動延遲傳播”機制出發(fā)，突破了傳統(tǒng)“上下坡法”“同側法\"類口訣式教學的局限，幫助學生基于理解而非記憶作出判斷[10]。

本環(huán)節(jié)借助仿真實驗的交互式反饋（視覺動態(tài)圖像、位移軌跡、幀間比較等），幫助學生將感性認知整合為理性認知。學生的解釋建構水平由原先的“是什么\"發(fā)展至如今的“為什么”，在此過程中完成從“現(xiàn)象感知\"向“機制建構”的科學概念轉變。該過程凸顯了仿真實驗在支撐科學概念“可理解性、合理性、有效性\"方面的價值。

2.4 交流評估促進遷移應用和概念鞏固

本環(huán)節(jié)進一步聚焦新概念的“合理化一內化一遷移”，旨在通過多元化的評價機制和情境遷移任務，引導學生鞏固新建構的科學概念。教學設計遵循“過程回顧一同伴互評一遷移應用”三步邏輯，借助仿真實驗的記錄功能，實現(xiàn)形成性、個性化、可視化的全流程評價支持。

【過程回顧】教師引導學生借助屏幕錄制，屏幕共享回顧實驗探究過程，聚焦于“預測一驗證一解釋\"之間的關鍵轉折點。以代表性小組為例，教師組織全班共同觀看他們的實驗記錄，圍繞“預測與證據的差異”“概念轉變的路徑”等展開評議。此過程不僅幫助學生覺察概念轉變的路徑，也為仍持前概念的學生提供參照。

【同伴互評】借助仿真實驗平臺的截圖功能，學生以小組為單位在釘釘、Canvas等在線學習管理平臺展示實驗成果和解釋路徑，開展同伴互評。用問題清單（如“振動方向是否判斷正確”“解釋是否基于因果邏輯”“是否體現(xiàn)對波動機制的理解”）引導學生進行交流。通過多角度思辨與語言表達，學生不僅深化了自身理解，也在集體討論中不斷修正并強化科學概念的認知結構。

【遷移應用】為了檢驗學生對科學概念的理解深度與應用廣度，教師引導學生開展基于概念遷移的仿真實驗任務。例如，讓學生觀察波源在一個周期內的振動圖像（圖8），預測該振動將如何在繩上“制造\"出波形；隨后，在“手動模式”下，依照該振動圖像操作扳手，創(chuàng)造一段完整波形（圖9）。在實操體驗中，學生實現(xiàn)了科學概念向新情境的遷移應用。

本階段是新的科學概念由“合理化”向“內化\"和“遷移\"轉變的關鍵通道。借助仿真實驗工具的實操反饋與截圖記錄功能，教師可實現(xiàn)對學生認知變化的過程性追蹤。通過多層次的交流、互評與應用任務，學生能夠檢驗并拓展對科學概念的掌握。

3結語

本文以科學探究為主線，結合概念轉變模型、交互仿真教學策略以及仿真實驗的技術優(yōu)勢，構建了“促進概念轉變的仿真實驗探究教學模式”。該模式強調學生主體性的激活、認知沖突的制造與科學概念的逐步建構，并通過四個探究環(huán)節(jié)（問題驅動、證據收集、解釋建構與交流評估）構建概念轉變的支持路徑。虛擬仿真實驗技術融入教學，為科學探究提供了更高質量的實驗支架，彌補了傳統(tǒng)實驗教學中因資源、時間和技能限制所帶來的教學困境，為學生的概念轉變發(fā)展提供了支撐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]任虎虎，潘蘇東.指向深度學習的高中物理概念轉變教學研究[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2025：1-7.

[3]劉佳，袁杰.基于智能平臺的高中物理實驗教學策略以《電容器與電容》教學為例[J].物理教學，2024，46（11）：25-28，21.

[4]PosnerGJ，StrikeKA，HewsonPW，etal.Accommo-dation of a Scientific Conception：Towarda TheoryofConceptual Change[J].ScienceEducation，1982，66（2）：211-227.

[5]HuangK，GeX，EseryelD.Metaconceptually-EnhancedSimulation-Based Inquiry：Effects on Eighth Grade Stu-dents’Conceptual Changeand ScienceEpistemicBeliefs[J]Educational TechnologyResearch and Development，2016：65.

[6]Fan X，Geelan D，GilliesR.Evaluatinga Novel Instruc-tional Sequence for Conceptual Change in Physics UsingInteractive Simulations[J].Education Sciences，Multidisci-plinaryDigitalPublishingInstitute，2018，8（1）：29.

[7]楊倩，喬翠蘭.基于跨學科實踐的概念轉變模式構建與案例設計[J].物理教師，2024，45（11）：31-34，39.

[8]王志鵬.虛擬仿真實驗在高中物理教學中的應用研究[D].重慶：西南大學，2023.

[9]王艷芳，李正福.指向核心素養(yǎng)的物理實驗教學策略研究———以《浮力》實驗教學為例[J].物理教學探討，2024，42（9）：1-4，9.

[10]徐學.中學物理波動概念的教學研究[D].蘇州：蘇州大學，2008.

（欄目編輯 李富強）