整合物理教育技术模拟软件对学生物理概念理解的影响：一项文献综述

一、文献概述

文献以PhET 物理教育技术模拟软件对学生物理概念理解的影响为研究的焦点，围绕两大研究问题：

• PhET 模拟软件在多大程度上提升学生的物理概念理解？
• 使用 PhET 模拟软件促进物理概念理解的最佳方式是什么？

通过文章的综述显示，已有研究提供了充分证据，证明 PhET 模拟软件能够显著提升学生的物理概念理解，并可融入多种主动教学情境。

二、相关概念

1、概念理解

• 麦克德莫特将概念理解定义为：在已有知识以外的情境中，功能性运用知识、具备逻辑迁移能力。
• 巴尔卡等人也指出，概念理解是学生在需要审慎运用概念、描述、关系或表征的情境中推理的能力。
• 概念理解要求学生整合已有知识、迁移至新情境。
• 学生物理概念理解的核心，是能灵活调用零散知识、用已知概念解决新问题的能力

2、培养学生物理概念理解的重要性

• 念理解帮助学生建立物理知识间的关联，避免事实与操作碎片化，通过概念图、思维导图和反思整合新旧知识，促进深度学习；
• 概念理解是元认知发展的基础—— 元认知是高阶思维，主动调控学习过程，涉及记忆监控与自我调节，要求学生将事实与理论框架关联、应用并验证；
• 概念理解助力知识迁移，将物理概念应用于真实情境，培养创新能力

3、PhET简介

科罗拉多大学博尔德分校开发的PhET 物理教育技术模拟软件为非营利开放资源，免费向全球提供交互式模拟，助力科学教与学。PhET 模拟软件以灵活性、免费性、交互性、真实性、意义性、研究性著称，通过可视化动态现象、实时数据，激发高阶思维，助力学生探索、理解科学。

三、研究问题

1、PhET 模拟软件在多大程度上提升学生的物理概念理解？

2、使用 PhET 模拟软件促进物理概念理解的最佳方式是什么？

四、研究方法

通过数据库检索和筛选，设定纳入和排除标准最终确定了31项研究。

筛选流程：
初检 6049 篇→去重 2753 篇→初筛 3296 篇→剔除无关 1788 篇→全文筛选 1508 篇→剔除不符合 279 篇→最终纳入31 项研究。

五、研究结果

1、PhET 模拟软件对物理概念理解的提升效果

研究证据一致表明，PhET 模拟软件是可视化认知工具，助力抽象概念学习、实时呈现动态现象、激发高阶思维：

• Park（2019）：PhET 提升学生科学预测与现象解释能力，可视化触发认知冲突、促进概念转变；
• Maulidah & Prima（2018）：PhET 组概念理解与动机显著优于传统组；
• Salameh & Aldhamit（2014）：PhET 可视化微观过程，实验组电磁学理解显著提升（p=0.000）；
• Taşlıdere（2013）：PhET 纠正直流电路迷思，实验组显著优于对照组；
• Haryadi & Pujiastuti（2019）：热学学习归一化增益达 37%；
• Lin（2019）：PhET 助力数学与物理联结、直觉构建、元认知发展；
• Gani 等（2019）：振动波概念理解显著提升；
• Rehman 等（2020）：实验组概念理解显著优于传统组（p=0.00）；
• Yunzal & Casinillo（2020）：实验组提升显著（p=0.045）。

综上，PhET 模拟软件能有效纠正迷思、构建直觉、促进深度学习，是提升物理概念理解的重要工具。

2、使用 PhET 模拟软件促进概念理解的最佳方式

（1）探究式学习

引出迷思→预测→模拟验证→讲解联结→元认知反思

• Fan 等（2018）：PhET + 探究式学习显著提升概念理解、探究技能、学习信心；
• Husnaini & Chen（2019）：虚拟探究对复杂概念优于实体实验；
• Srisawasdi & Kroothkeaw（2014）：促进概念转变；
• Srisawasdi & Panjaburee（2015）：融入形成性评价效果更佳；
• Şenyiğit 等（2019）：实验组显著优于对照组（p=0.006）

（2）问题式学习

提出问题→资料分析→假设→模拟验证→结论

• Rahmawati 等（2020）：PhET + 问题式学习显著提升动量守恒概念；
• Doloksaribu & Triwiyono（2021）：实验组显著优于对照组（p=0.001）。

（3）虚拟实验

利用PhET替代，补充实体实验及可视化微观过程：

• Faour 等（2017）：可视化电子运动，实验组电流理解显著提升；
• Farrokhnia & Esmailpour（2010）：虚拟 + 实体效果最优（p=0.021）；
• Ajredini 等（2014）：虚拟与实体效果相当；
• Supurwoko 等（2017）：光电效应理解显著提升；
• Rahmatullah 等（2020）：移动端虚拟实验适配疫情学习；
• Bumbacher 等（2017）：不同主题适配不同实验方式。

（4）支架式学习

教师通过示范、引导、概念图搭建认知支架：

• Eveline 等（2019）：支架式 + PhET 促进正确概念；
• Ardiyati 等（2018）：效果显著；
• Utami 等（2019）：效果显著；
• Mahtari 等（2020）：中等增益（0.48）；
• Moser 等（2017）：无显著差异（样本小）。

六、结论

1、PhET 模拟软件显著提升学生物理概念理解，覆盖力学、电磁、热学、波动等主题。

2、最佳应用模式：探究式、问题式、虚拟实验、支架式学习。

3、可视化、交互性、实时反馈是核心优势，助力抽象概念具象化、纠正迷思、激发高阶思维。

建议：物理教学中系统引入 PhET 模拟软件，适配 21 世纪数字学习者；未来需补充协作学习、认知投入相关研究。

七、启示

文献在引言中介绍了概念理解的定义以及培养学生物理概念的重要性，为本人后续培养学生物理概念理解为载体的研究提供了理论依据。之后介绍的PhET模拟软件也为探究式学习的教学设计提供了一种新的教学方法。

该综述文章中的综述研究方法中纳入标准和排除标准的制定值得借鉴学习，在之后论文综述写作中可以参考使用。

本文献最值得注意的在于其结果与讨论。其一是PhET模拟软件对物理概念理解的提升效果，从该文献综述的汇总可以看到，PhET作为一款可视化的认知工具对抽象概念、实时动态现象的展示以及高阶思维的培养有着积极的作用。鉴于当下的实际情况，开展真实的物理实验存在一定的困难，在之后的动量守恒定律的复习课设计中遇到如：流体的动量问题、人船模型、反冲现象、小球碰撞等问题时可以考虑使用PhET模拟软件。但是该网站的使用也存在一定的缺陷，由于是国外网站因此在打开的过程中加载的较慢；且网站中有关动量的实验仅有一个“碰撞实验室”，因此对于动量中除碰撞外的模拟演示可以考虑借助人工智能生成模拟动画进行虚拟仿真探究。

碰撞实验室网址链接：

https://phet.colorado.edu/zh_CN/simulations/collision-lab

其二是使用 PhET 模拟软件促进概念理解的最佳方式。文章中明确提到了适合使用PhET仿真模拟的教学模式，其中便包含探究式学习。因此在之后探究式学习的教学设计中可以考虑使用仿真模拟的探究模式设计探究活动，这也为真实的实验探究开展困难提供了更加便捷的解决途径。但虚拟仿真终究不是真实的实验操作，授课过程中也有以下一些弊端：学生在课堂上不能亲手操作实验；物理实验缺乏真实感和参与感；过多的模拟可能会导致学生兴趣逐渐丧失；限于当下的实际情况学生不能人人动手参与模拟等。因此在使用模拟演示的时候也应当适时适度，不能在课堂上过分的依赖模拟演示。在之前西北师大举行的教学技能创新大赛的评课中评委老师也曾提到过一下一些实验设计的要点

• 课堂实验的设计要考虑一个关键的问题：实验能否充分说明本节课的内容？
• 相同的验证性实验不要在课堂上过度重复。
• 实验设计要有趣、要贴近生活、要简单快捷。
• 可以运用AI辅助，能真则真，模拟要真实且使用模拟实验要慎重。
• 实验不要分散学生的注意力
• 设计实验的优先级：尽量自己做→自己录视频→网上搜视频→模拟仿真

因此在探究式课堂的设计中如果要使用模拟软件来进行授课一定要谨慎考虑，确保仿真结果的真实性。可以将仿真模拟作为探究活动的一种保底设计方案，在一些真实情况难以复现的情况下，例如习题中的物理情景中尝试使用AI制作模拟仿真动画实施教学。

附文献原文：