基于PhET的PAD課堂教學設計
——以“原子的構成”為例

羅濱會 陳 璐

（貴州師范大學化學與材料科學學院 貴州貴陽 550025）

21 世紀以來，信息技術不斷推動著社會的變革和發展，將信息技術與教學相融合進行教學逐漸成為主流。由諾貝爾物理學獎獲得者卡爾·威曼發起，在科羅拉大學制作運行的PhET（Physics Education Technology）仿真模擬平臺因其資源開放、模塊教學形式生動形象等特點，逐步將其鑲嵌融合到不同學科、不同教學形式的課堂教學中［1］。具體的實踐表明，作為一種新型的教學形式，PhET 互動仿真平臺提供的模塊化學習，能夠強化關于“模型”觀念的滲透，將微觀過程進行可視化的處理。教師在兼顧團體的進度及個體的差異之間矛盾的同時學生能夠自主分配獨立學習和合作學習的時間，全面提高學生的科學素養［2］。

現階段關于初中原子構成的教學，常是以原子結構模型演變歷史過程為主線，從科學論證的維度出發設計原子結構的教學，注重原子模型的搭建，或是以微觀動畫的形式呈現原子結構的模型，直接告知原子空間構造，學生多處于一個被動學習的位置。周正翔等［3］以科學史為線，梳理原子結構模型的演變歷史，提高學生興趣的同時加深其對模型觀念的理解，任寧生等［4］同樣以原子結構的演變歷史貫穿整個課堂，創設出具體的教學情境，極大地提高學生對科學文化的感知，但上述研究對于學生來說缺乏一個宏觀角度與微觀世界相結合的切入點；高慧等［5］開展的混合式課堂教學，引入3D MAX 多媒體技術制作原子結構類比模型，有助于學生理解抽象的原子空間結構，但依托于微觀動畫演示，探究性并不突出。

本次設計基于PhET 仿真模擬平臺，融合PAD（Presentation-Assimilation-Discussion）課堂進行探究活動的教學，PAD對分課堂由講授-獨立探索-小組討論三個環節組成，重視“研討”的作用，強調學生學習的自主性和獨立性，突出教師與學生、學生小組之間的互動性［6］。該種教學方式一方面可以升華以化學史為主線的單一教學過程，另一方面新課程背景下倡導促進學生學習方式的轉變，化學課堂應該更為自主化、合作化，本次教學設計可以充分體現學生的獨立性，整個教學過程充滿探究的意味，旨在促進學生思維的靈活轉換，提高其分析問題、解決問題的能力，以達到全面提高學生學科素養的課程宗旨，此外，本次設計在PAD課堂的基礎環節之上，增添了游戲評價環節，有利于對學生學習情況進行實時反饋，以便教師根據實際情況調節整個課堂的教學進度。

一、利用PhET平臺設計教學準備：原子的構成教學情境分析

1.教學內容分析

“原子的構成”內容選自人教版初中化學九年級上冊第三單元課題2“原子的結構”?！读x務教育化學課程標準（2022年版）》對該部分的教學建議為幫助建立模型認知，知道物質是由分子、原子等微觀粒子構成的，認識原子是由原子核和核外電子構成的［7］。在學習課題1時，學生已具備了一個前概念認知——分子是可以再細分為原子的，在化學變化中原子是不可以再分的最小粒子，該節課是分子可分為原子內容的延伸，在脫離“化學反應”的條件約束下，原子也有其內部的結構，為了促進學生觀念的轉變，探究原子的可分性，學生需要充分理解原子的空間結構及各粒子所處的大致位置、原子核與核外電子之間的內在聯系。在PhET平臺的相關操作界面對于原子內部結構進行了空間模擬，增強學生直觀的感性認知。

2.學習目標分析

（1）體驗“提出問題—實驗驗證—建立模型—運用模型解決問題”的一般探究過程，深入了解原子的內部結構。

（2）通過多樣化的活動類型從可視的宏觀物質出發認識其微觀結構，從而實現宏觀辨識與微觀探析在認知水平上的自由轉換。

（3）通過化學史中原子結構探索的學習，國內原子彈研發過程的介紹，創設合理的學習情境，進而培養學生的愛國主義思想，逐步形成嚴謹求實的鉆研精神。

3.教學平臺分析

在PhET 相關“原子模型”中，共有三個不同的操作模塊，每個模塊對應著相應知識點，本次設計主要使用“建立原子”“比賽”兩個模塊，在建立原子模塊中，可以自由選擇模擬質子、中子和電子，當正確組合三者的數量形成原子后，會實時在左側元素周期表中顯示出該原子的位置，并且提供了電子模擬軌道、電子云軌道多種展現形式，便于使用者直觀觀察，當選擇的質子數與電子數不匹配，使原子帶有電性，右側的電荷天平會出現偏轉，選擇不匹配的中子數，整個原子的內部會提示原子結構不穩定的字樣?？梢噪S意增添粒子數量的同時，會通過不同的形式讓使用者明確正確的原子內粒子數量的關系，如圖1所示。

圖1 平臺操作界面

二、基于PhET平臺的PAD課堂教學流程

1.教學思路

“原子的構成”教學過程與PAD 對分課堂的三個環節講授、獨立探索、小組討論逐次對應，額外增添了游戲評價環節，以自主學習、合作探究、師生雙邊互動相結合的形式開展教學，促進學生學習方式的轉變，整個教學過程以問題導引的形式將課堂串聯。在講授環節，以國內第一顆原子彈的爆炸引入，以盧瑟福α粒子的散射實驗為切入點，引導學生認識到脫離化學反應的條件約束下，原子也是可分的。獨立探索環節主要有兩個驅動型問題：（1）對構成原子微粒及其空間分布的探究；（2）原子核內粒子及其所帶電荷，學生需要通過PhET 平臺進行原子結構的模擬，自主得出結論。小組討論環節主要是對原子內部各粒子之間存在的數量對應關系的一個討論，通過該平臺進行不同原子結構的模擬，記錄各粒子數量變化及其對應關系，提高自身的分析歸納能力。而評價環節，區別于傳統的隨堂測試、口頭分析的評價形式，以PhET平臺的相應板塊的游戲環節對學生進行系統評價，并且能更好地通過后臺數據，關注到每個學生的游戲答題情況，調整教學進度。具體的教學設計見圖2。

圖2 教學流程設計思路

2.教學流程

2.1 講授

［教師］

背景：1964 年10 月16 日，在新疆羅布泊，中國第一顆原子彈的爆炸。

問題：原子作為化學變化中最小的微粒，為何會有如此大的能量？其內部結構是怎樣的？

講授：通過盧瑟福的α粒子散射實驗介紹原子的可再分性。

引入：PhET仿真模擬平臺，介紹其相關操作。

設計意圖：激發學習興趣的同時增強學生的愛國主義情懷，結合分子可分為原子，原子是化學變化中最小粒子的概念，幫助學生跳出“化學變化”的條件限制，意識到原子同樣有其結構，激發學生進一步探索的欲望。

2.2 獨立探索

［學生活動］登錄PhET平臺探究構成原子的微粒以及各粒子的空間分布情況，對原子空間結構進行模擬。得出原子是由原子核及核外電子構成的。

［教師］電子在核外空間做高速運動，并且一個電子帶一個單位負電荷，而原子顯電中性，原子核內是否有微粒與核外電子電性相抵消？

［學生活動］使用PhET平臺探究原子核內粒子及其所帶電荷，得出原子核一般由質子與中子構成。以He原子為例，加入與之不匹配的電子，整個原子的電性發生改變，而加入與之不匹配的中子，原子的電性不變，學生操作見圖3。

圖3 模擬探究質子中子帶電情況

結論：質子帶正電，中子不帶電。

［板書歸納］

設計意圖：自主探究環節主要發展學生對問題的理解和分析的能力，教師只提供探究問題，具體的知識點講解從教師的講授過渡到學生的自主設計探究，學生參與到獲取知識的過程，能對原子的可分性、原子內部微粒的排布、微粒所帶電性有更加深入和清晰的認識。

2.3 小組討論

［教師］原子內部的微粒是毫無聯系的嗎？各粒子在數量上存在何種關系？

［小組討論］原子的核電核數、質子數、核外電子數之間存在一定的關系，上一環節中質子數與中子數在數值上相等是否存在偶然。

論證：再次利用PhET 平臺模擬典型元素原子的內部結構，記錄各微粒數的變化情況，生成表格，具體情況見表1。

表1 典型原子內部粒子數量變化情況記錄表

歸納分析，得出結論：核電荷數=質子數=核外電子數。

設計意圖：小組討論環節，可以在一定程度上訓練學生收集數據、分析歸納信息的能力，從個別的原子內部微粒數的變化推演到一般的總結性知識，通過與同伴不同思維的碰撞，發展發散性思維。

2.4 評價

［學生活動］選擇PhET 平臺的游戲模塊，通過闖關積分的形式完成本堂課的檢測，后臺數據發送到教師端，游戲形式見圖4。

圖4 PhET平臺提供的游戲評價形式

［游戲模塊］

考查維度：

（1）構成粒子與其所屬原子的對應關系。

（2）同一原子中已知其內部某一微粒任意數量，計算其他微粒數。

（3）原子的核電荷數判斷。

［學生］以游戲比賽的形式，回顧本節課的探究環節，實際操作界面見圖5。

圖5 不同的游戲模塊學生的操作界面

［教師］測試數據反饋到游戲后臺，教師根據學生的得分情況進行易錯點的分析總結，及時調整課堂進度。

設計意圖：拋開傳統的評價方式，以游戲的形式檢測學生對本節課所學知識點掌握的情況，可極大提高學生的學習興趣，形式多樣的游戲形式，一方面可從多個維度了解學生的學習狀況，另一方面便于教師對全班總體及個別同學的情況分析，更有利于因材施教，調整課堂的整體進度，關注到不同層次學生的發展。

三、教學反思

本次設計圍繞“原子的構成”為中心內容，PhET仿真模擬平臺結合PAD 對分課堂進行教學情境的創設，突出表現的優勢：（1）極大地增強學生的感性認知，將難以想象的微觀結構進行可視化的轉換；（2）基于一系列的驅動性問題，學生可以全程參與到整個探索的環節，教學過程充滿趣味性；（3）PhET 平臺的使用可在電腦端、平板、手機客戶端登錄使用，不受空間與使用設備的限制，并且在具體教學中一定程度上培養學生小組合作探究的能力；（4）區別于傳統的PAD課堂，增加了評價環節，利用平臺提供的游戲模塊對學生學習情況進行評估，轉變了傳統測驗的評價方式，實現評價方式多樣化、系統化，教師能及時觀測到不同學生的游戲完成情況，進行多方位分析，及時調整課堂進度。

與此同時，結合該平臺的教學形式也存在著一定的缺陷：一方面，PhET平臺界面上插入了電子云運動狀態、原子與元素周期表排列的關系等學生在現階段不能完全理解的概念知識點，增加了探究的難度。另一方面，核外電子在繞原子核做高速運動時，并沒有固定的運動軌道，僅是存在著常出現的運動范圍，但是平臺給出的既定軌道容易給初學本節的學生造成一定的思維誤區。針對以上問題，教師在進行實際教學時可適當簡單說明，還未涉及的特殊名詞，可以作為課后作業，通過資料收集等方式讓學生簡單了解，并為之后的化學相關知識的學習奠定一定的基礎，而電子運動軌道可以單獨強調，平臺的模擬過程只是為了方便理解而引入，隨著知識儲備的不斷擴增，會逐漸明白核外電子的真正運動情況，激發學生學習化學熱情的同時，培養其對“所謂真理”的批判性思維，幫助學生深入理解掌握原子的內部結構。