PhET助力《自然選擇》模擬實驗

〔摘""要〕"PhET交互式模擬實驗系統(tǒng)，是卡爾·威曼于2012年推出的一款面向世界各地中小學(xué)和大學(xué)的交互式STEM教學(xué)系統(tǒng)。PhET交互式模擬實驗技術(shù)與課程的結(jié)合和應(yīng)用，使學(xué)生能夠更好地掌握知識，同時促進對抽象知識的理解、內(nèi)化和應(yīng)用，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下堅實的基礎(chǔ)。本文詳細介紹了利用PhET對小學(xué)科學(xué)課程《自然選擇》的實驗教學(xué)設(shè)計流程，包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、實驗過程和教學(xué)分析，以及它促進學(xué)生對于達爾文生物進化論的理解過程?！碴P(guān)鍵詞〕"小學(xué)科學(xué)；PhET；“自然選擇”實驗；概念理解在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代教育技術(shù)已逐漸走進了小學(xué)科學(xué)課堂，并引起了一場深刻的變革。2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準》提出，要把現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，使其成為教學(xué)過程和方法中的一個重要組成部分。科學(xué)課是一門以探索性研究為中心的科學(xué)啟蒙課，主張讓學(xué)生在實踐中去了解世界。但由于學(xué)生實踐技能和科研設(shè)備的缺乏，使許多觀測項目或?qū)嶋H操作實驗很難實現(xiàn)，有些甚至不能進行。針對上述問題，卡爾·威曼于2012年開發(fā)了一套基于PhET的交互仿真實驗軟件，使很多問題得以解決。一、PhET互動式仿真實驗應(yīng)用的特點第一，PhET具備多個變量的可控性和可調(diào)節(jié)性，并能用圖形展示變量之間的關(guān)系，提供多種量化指標(biāo)的優(yōu)勢。該系統(tǒng)是由Java與Flash兩種媒體語言編寫而成，具有很好的操作系統(tǒng)適應(yīng)性，顯示了良好的開放源碼性能。第二，PhET可以將微觀現(xiàn)象形象化，運用多種形式對抽象概念進行表達，注重對事實的簡化，便于學(xué)生理解。它可以創(chuàng)造出虛擬的實驗場景，并引入大量的可視化圖形和動畫等，來幫助學(xué)生更好地理解這些概念。在學(xué)習(xí)的同時，可以為學(xué)生提供適時的幫助、清晰的提示以及動態(tài)的動作說明。第三，PhET具有較高的仿真精度。該系統(tǒng)可以為學(xué)生提供更貼近實際的實驗環(huán)境，模擬實驗所需的實驗設(shè)備和測試手段。通過改變實驗參數(shù)，可使實驗結(jié)果更加準確，更加逼真。比如，教師在講授“自然選擇”時，可以調(diào)整不同的參量，將“PhET”計劃中的調(diào)控參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)椤白宰兞俊保瑢ⅰ坝^察指標(biāo)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙蜃兞俊?。第四，PhET具有強烈的交互性。在教學(xué)中，學(xué)生可以按照教學(xué)指導(dǎo)的要求，自己動手操作實驗裝置、使用測試工具、修改實驗參數(shù)、收集整理實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生能夠根據(jù)自己的實際需要，通過實驗研究總結(jié)，真正了解實驗原理。教師可以將學(xué)生置身于科學(xué)探究的游戲情境中，讓學(xué)生積極地參與到實驗活動中去，掌握科學(xué)概念，并利用問題串來引導(dǎo)學(xué)生思考，實現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。第五，PhET互動模擬實驗技術(shù)與科學(xué)課程的結(jié)合，在教師講授、家庭作業(yè)、課堂小組活動和實驗等方面，都有很好的應(yīng)用。在主題的引入、概念的學(xué)習(xí)與鞏固、技巧的掌握、反省與評估上，都可以起到獨特的效果。二、《自然選擇》實驗教學(xué)的設(shè)計流程本文以小學(xué)科學(xué)粵教版六年級上冊第四單元第21課《自然選擇》為例，利用PhET生物模塊下的“自然選擇”實驗室進行模擬實驗，將動物漫長的自然演化進程大幅度縮短，讓學(xué)生能夠在短時間內(nèi)觀察到具體的變化過程。同時也讓他們明白，生態(tài)環(huán)保是多么重要。在此過程中，學(xué)生體會到團隊合作的快樂，并形成正確的生活觀。（一）"過度繁殖實驗實驗?zāi)康模和ㄟ^模擬觀察，驗證自然選擇的前提條件是過度繁殖。實驗步驟：在界面中點擊“添加配偶”選項，兔子開始世代繁殖。當(dāng)繁殖到第五代時，通過右下角的“人口”選項，可以觀察到兔群在理想環(huán)境中數(shù)量不斷增長的動態(tài)過程。若在自然環(huán)境中不加以控制，兔子的數(shù)量將爆炸式增長。在界面的右側(cè)“多個環(huán)境因素”選項中選擇“有限的食物”條件后，觀察顯示兔子的總數(shù)顯著減少。隨著兔群逐代繁衍，其數(shù)量經(jīng)歷了急劇增加后又迅速減少的周期性變化，形成一種動態(tài)的平衡態(tài)勢。這種狀況與先前假設(shè)的在理想條件下所預(yù)期的指數(shù)式增長形成鮮明對比。實驗結(jié)論：通過模擬觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)種群數(shù)量較少時，繁殖率較高，種群數(shù)量呈指數(shù)式快速增長。而當(dāng)種群數(shù)量較多時，即使繁殖率較高，種群數(shù)量也不會快速增長，甚至可能出現(xiàn)下降的情況。這是因為一開始當(dāng)種群中的個體數(shù)量較少時，隨機因素對種群數(shù)量的影響較大。此時食物還算比較充足，因而兔子數(shù)量可以得到快速增長。而當(dāng)種群中的個體數(shù)量較多時，兔子種群內(nèi)部的資源競爭加劇，如有限的食物、生存空間等，兔子個體之間的競爭壓力增大，導(dǎo)致兔子數(shù)量的增長受到限制，不再呈指數(shù)式增長，而是處于激增—驟減的動態(tài)平衡之中。因此，自然選擇的前提條件是過度繁殖。只有在種群數(shù)量過多、資源競爭激烈的情況下，才會出現(xiàn)自然選擇的過程。（二）"遺傳變異及生存斗爭實驗實驗?zāi)康模和ㄟ^模擬觀察，驗證自然選擇是基于遺傳變異進行的。遺傳變異為自然選擇過程提供了豐富的候選材料，是自然選擇的根基。自然選擇的動力是生存斗爭。實驗步驟：在界面中，點擊“添加配偶”按鈕，并在界面右上角“添加多個突變型”中“牙齒”選項那里，添加兔子的長牙基因突變。隨著世代的繁殖，發(fā)現(xiàn)短牙兔子的后代中開始出現(xiàn)具有長牙的個體。隨著這些兔子繼續(xù)繁殖，長牙和短牙兔子的數(shù)量都逐漸增加，最終兩者的比例達到一個平衡狀態(tài)。到了第五代時，通過選擇“多個環(huán)境因素”中的“難吃的食物”選項，實驗中的植物被替換成難以咀嚼的種類。在這一變化下，短牙兔子的數(shù)量逐漸減少，而長牙兔子的數(shù)量卻顯著增加。當(dāng)兔群繁衍至第九代時，統(tǒng)計顯示長牙兔子與短牙兔子數(shù)量之間的比例趨于穩(wěn)定狀態(tài)，接近9：1。實驗結(jié)論：通過模擬觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)，在添加了長牙基因突變后，模擬器中的種群數(shù)量逐漸涌現(xiàn)出擁有長牙的兔子后代。伴隨著繁殖代數(shù)的不斷累積，這兩種（短牙與長牙）兔子的數(shù)量均有所增長，并最終達到一個相對穩(wěn)定的比例。這表明遺傳變異為自然選擇提供了選擇的材料，是選擇的基礎(chǔ)。在難吃的食物環(huán)境下，我們可以看到短牙兔越來越少，而長牙兔越來越多。這是因為長牙兔具有更好的適應(yīng)性，可以更好地適應(yīng)難吃的食物環(huán)境。這表明自然選擇的動力是生存斗爭。因此，遺傳變異在自然選擇過程中所扮演的關(guān)鍵角色——它不僅為選擇過程提供了豐富的基因素材，更奠定了選擇發(fā)生的堅實基礎(chǔ)。自然選擇的動力是生存斗爭。（三）"適者生存實驗實驗?zāi)康模和ㄟ^模擬觀察，證明自然選擇的結(jié)果是適者生存。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時，那些攜帶有利變異的個體在激烈的生存競爭中，展現(xiàn)出更強的適應(yīng)力，因而更有可能存活下來，并將這些優(yōu)勢變異傳遞給其后代。相反，那些擁有不利變異的個體則難以適應(yīng)新環(huán)境，最終面臨被淘汰的命運。實驗步驟：在界面上選取“添加配偶”功能，并在右側(cè)頂部選擇“添加多個突變型”，在其中的“毛皮”分類下引入棕色毛皮的基因變異。隨后，觀察到實驗中的白色兔子后代開始展現(xiàn)出基因變異，出現(xiàn)了棕色毛發(fā)的個體。隨著兔子的連續(xù)繁殖，攜帶棕色和白色毛皮的兔子群體均逐漸壯大。到了第五代時，選擇右側(cè)“多個環(huán)境因素”中的“狼”條件，使兔子的自然捕食者——狼被引入實驗環(huán)境中。隨著時間的推移和世代的更替，白色毛皮兔子的數(shù)量逐步降低，而棕色毛皮兔子不僅數(shù)量增加，其在整個兔群中的比例也顯著提高。當(dāng)兔群繁衍至第五代時，通過選中右側(cè)“多個環(huán)境因素”菜單下的“雪地”選項。隨著時間推移及代際更替，棕色毛皮兔子的數(shù)量逐漸減少，而白色毛皮兔子不僅數(shù)量增多，其在兔群中所占的比例也顯著上升。實驗結(jié)論：通過模擬觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)，在添加棕色毛皮的兔子后，模擬器中的種群中逐漸出現(xiàn)棕毛兔的后代。隨著繁殖代數(shù)的增加，白毛兔和棕毛兔的數(shù)量均有所增長，且二者的比例趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象揭示了在生存斗爭中，攜帶有利變異（如棕色毛皮可能在普通陸地條件下提供的偽裝優(yōu)勢）的個體更有可能存活下來，并將這些優(yōu)勢特征傳遞給其后代；相反，那些具有不利變異的個體則可能因不適應(yīng)環(huán)境而被淘汰。并且，在不同環(huán)境條件下的有利變異是不同的，具有有利變異的個體在適應(yīng)環(huán)境的過程中，具有更好的生存機會。在狼出現(xiàn)后，陸地上白毛兔的數(shù)量逐漸減少，而棕毛兔的數(shù)量逐漸增加。這表明在陸地環(huán)境中，棕毛兔具有更好的適應(yīng)能力。因為它們的毛色更接近環(huán)境的顏色，可以更好地躲避狼的襲擊。而在雪地條件下，棕毛兔的數(shù)量逐漸減少，白毛兔的數(shù)量卻逐漸增加。這表明在雪地里白色毛發(fā)更有利于兔子隱藏自己，以躲避天敵狼的捕食。通過PhET輔助下的模擬實驗，學(xué)生可以直觀地觀察到不同特征生物在特定環(huán)境下的生存情況，從而深刻理解自然選擇的原理和規(guī)律。這種實驗方式不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，還培養(yǎng)了他們的科學(xué)探究能力和團隊協(xié)作能力，促進了學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成和問題的解決。值得注意的是，在學(xué)生動手操作的各個階段，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的反饋和實驗結(jié)果進行適時的引導(dǎo)和解釋，確保學(xué)生操作無誤，得到正確的實驗結(jié)論。三、運用互動式PhET模擬仿真實驗教學(xué)的啟示第一，虛擬與仿真軟件和教學(xué)課件在功能上沒有絕對的分界。模擬實驗軟件通常是以圖形、圖像等形式出現(xiàn)的，它更多的是一種介于現(xiàn)實世界與抽象知識之間的“模型”。第二，在理科教學(xué)中，為了取得較好的教學(xué)效果，一般采用虛擬模擬和真實感實驗相結(jié)合的方法。在具體的運用上，模擬性實驗，由學(xué)生在電腦室進行操作；演示性模擬性實驗，由教師作為主要操作者，在科學(xué)室進行。第三，模型是對現(xiàn)實世界的一種簡化。無論它多么完美，都只能作為一種教學(xué)方法，而不能完全取代科學(xué)實驗。所以，在重視虛實相結(jié)合的前提下，應(yīng)避免對虛擬模擬實驗的過度運用