TPACK視角下的高中物理教學案例分析與思考
——以“學習包—電磁波”的教學為例

郭雅潔

(上海市浦東教育發(fā)展研究院,上海 200127)

2018年1月22日,教育部教師工作司發(fā)布了關(guān)于印發(fā)《教育部教師工作司2018年工作要點》(以下簡稱《要點》)的通知,《要點》中強調(diào)要大力提升教師新技術(shù)應用能力,推動新技術(shù)與教師專業(yè)發(fā)展有機融合．2017年底出臺的《普通高中物理課程標準》倡導物理教師通過多樣化的教學方式,利用現(xiàn)代信息技術(shù),來引導學生理解物理學的本質(zhì),增強學生的探究能力和解決實際問題的能力．[1]由此看來,信息技術(shù)的變革給教育教學帶來了重大的影響,利用信息技術(shù)開展教育教學的能力將成為信息時代下中學物理教師專業(yè)能力中的一項重要能力．

1 TPACK框架與內(nèi)涵

2009年美國密西根州立大學學者Koehler和Mishra就曾在《What Is Technological Pedagogical Content Knowledge?》一文中提出了整合技術(shù)的學科教學知識(TPACK),首次將技術(shù)知識納入教師知識結(jié)構(gòu)．這一理論的提出,不僅詮釋了學科知識、教學知識和技術(shù)知識三者之間復雜交疊的關(guān)系,也為信息技術(shù)時代下技術(shù)與學科教學的融合提供了理論依據(jù)．

TPACK包含3種核心知識元素:學科知識(Content Knowledge,簡稱CK)、教學知識(Pedagogical Knowledge,簡稱PK)和技術(shù)知識(Technological Knowledge,簡稱TK)．其中,學科知識(CK)包括教師要教的知識和教師對知識的理解;教學知識(PK)指關(guān)于所有教與學過程、實踐或方法相關(guān)的知識;技術(shù)知識(TK)是指關(guān)于技術(shù)特點和應用的知識,對具體技術(shù)的操作和適應以及學習新技術(shù)的能力．

由于這3種核心元素的交叉融合,又衍生了4種復合要素:學科教學知識(PCK)、整合技術(shù)的學科知識(TCK)、整合技術(shù)的教學知識(TPK)和整合技術(shù)的學科教學知識(TPACK)等．學科教學知識指關(guān)于如何選用不同的教學法來促進某門學科教學的知識,即具體學科知識的“教學轉(zhuǎn)化”;整合技術(shù)的學科知識指關(guān)于如何整合技術(shù)來呈現(xiàn)該學科內(nèi)容的知識;整合技術(shù)的教學知識指如何使用技術(shù)來支持教學的知識;整合技術(shù)的學科教學知識指關(guān)于技術(shù)的產(chǎn)生如何影響學科內(nèi)容的組織和教學法選擇的知識．[2]

2 TPACK視角下的高中物理教學案例

本文以上海科學技術(shù)出版社高中二年級第2學期物理教材的第11章“學習包—電磁波”的教學為例,以TPACK的視角進行教學分析,并給出相應的教學設計．

2.1 基于TPACK的“學習包—電磁波”的教學分析

學科內(nèi)容分析：本節(jié)學習包的內(nèi)容主要涉及電磁波的概念,電磁波的產(chǎn)生、傳播和接收,電磁波譜,以及電磁波的特點、性質(zhì)及其簡單應用,是本章前兩節(jié)電磁感應和感應電流相關(guān)知識的延伸和應用．電磁波的概念較為抽象,在教學過程中只作定性介紹,不作深刻的理論分析．

教學重點: (1) 麥克斯韋電磁場理論; (2) 電磁波譜．

教學難點:麥克斯韋電磁場理論．

教學法分析： 學生在初中階段已經(jīng)接觸到有關(guān)電磁波的知識,但是對電磁波的產(chǎn)生原理、電磁波譜以及不同波段的電磁波的性質(zhì)和應用卻并不熟悉．因此本節(jié)課通過演示實驗激發(fā)學生的學習熱情和求知欲,將電磁波的概念和產(chǎn)生原理闡釋清楚,同時通過學生實驗激發(fā)學生的學習興趣和探究熱情,也讓學生感受到物理知識與實際生產(chǎn)生活的緊密聯(lián)系．高中生已經(jīng)具備了較強的自主學習的能力,所以本節(jié)課提供給學生“學習包”的平臺,讓學生自主學習,了解電磁波的特點和應用．

技術(shù)分析： 本節(jié)課將技術(shù)與教學相結(jié)合,通過技術(shù)來輔助解決傳統(tǒng)課堂中難以解決的問題、無法呈現(xiàn)的效果,這在一定程度上豐富了學生的學習體驗,提升了教學有效性,促進教學目標的有效達成．

2.2 基于TPACK的“學習包—電磁波”的教學設計

環(huán)節(jié)1:情境引入.

演示“氖燈發(fā)光”實驗,學生觀察實驗現(xiàn)象,思考氖燈發(fā)光的原因．(實驗如圖1所示)

提問1:回憶電路中的知識,要使燈發(fā)光,需要什么能量?

提問2:氖燈與高壓發(fā)生器之間并無導線連接,能量是通過什么傳遞的呢?

由此引入本節(jié)課題——電磁波．

圖1 高壓發(fā)生器激發(fā)氖燈發(fā)光實驗圖

設計意圖： 此處通過演示實驗激發(fā)學生學習興趣,并通過兩次追問引發(fā)學生思考．學生對氖燈發(fā)光的原理并不知曉,但是學生已經(jīng)有了第9章“電路”的基礎,知道用電器工作必須要有電能,所以對“電能”的來源產(chǎn)生疑問．

實現(xiàn)方式： 本實驗作為本節(jié)課的導入環(huán)節(jié)的演示實驗,必然要使得全班學生能夠清晰看到完整的實驗現(xiàn)象．然而實驗中使用的氖泡很小,即使發(fā)光明亮也很難確保全班學生都能看清．因此在此環(huán)節(jié)中,筆者使用了蘋果手機的錄屏功能，啟動錄屏軟件,確保手機和教室中的計算機在同一網(wǎng)絡環(huán)境中,讓手機和錄屏設備相連接．打開手機攝像頭,讓手機攝像頭對準實驗裝置,將實驗現(xiàn)象投射到教室的顯示屏上,放大實驗現(xiàn)象．

環(huán)節(jié)2:新課講授.

由演示實驗引出“電磁波”的概念,那么什么是電磁波呢?教師從學生已有的知識基礎出發(fā),引導學生回顧“電磁感應現(xiàn)象”和“電流的磁效應”,讓學生思考一段時間后由學生自己描述．

教師補充:在變化的磁場中放一個閉合電路,電路里將會產(chǎn)生感應電流,這就是電磁感應現(xiàn)象．麥克斯韋從場的觀點解釋,電路里之所以會產(chǎn)生感應電流,實際上是因為這個變化的磁場產(chǎn)生了電場,電荷在電場的作用下定向移動形成了感應電流．既然變化的磁場能產(chǎn)生電場,那變化的電場是否也能產(chǎn)生磁場呢?研究表明，變化的電場也能產(chǎn)生變化的磁場，這種變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生,從而形成了一個不可分割的統(tǒng)一體——電磁場．電磁場從發(fā)生區(qū)域向空間傳播,就形成了電磁波．電磁波傳播過程中同時伴隨著能量的傳遞．

學生對電磁波產(chǎn)生原理有了初步的認識,教師此時可以向?qū)W生解釋本節(jié)課開始時候的演示實驗的原理:高壓發(fā)生器發(fā)射出電磁波信號,氖燈接收到通過電磁波傳遞的電能,所以發(fā)光．1887年德國物理學家赫茲以實驗證實電磁波的存在,與這一演示實驗的原理相似．

設計意圖： 這部分內(nèi)容是本節(jié)課的重點,也是難點．2017年新頒布的《普通高中物理課程標準》中對“電磁波”這部分內(nèi)容提出了明確的要求“初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想;初步了解場的統(tǒng)一性與多樣性,體會物理學對統(tǒng)一性的追求．”《上海市高中物理學科教學基本要求》中對這部分內(nèi)容的學習水平要求為A,即學生僅需要“知道”電磁場的概念以及麥克斯韋電磁場理論的基本思想．[3]所以本節(jié)課沒有對此進行深刻探討．

實現(xiàn)方式： 通過PPT回顧“電磁感應現(xiàn)象”和“電流的磁效應”等重要規(guī)律,呈現(xiàn)電磁、磁場相互激發(fā)的原理圖,幫助學生理解電磁波形成和傳播的基本原理．

環(huán)節(jié)3:實驗探究.

通過DIS微電流實驗探測電磁波,了解電磁波的特性．

實驗器材:DIS6.0實驗系統(tǒng)、微電流傳感器、干電池、鋁箔紙、手機(自帶)．

(1) 讓學生舉例說說他們知道的電磁波發(fā)射源．

學生回答:手機、電動剃須刀、半導體收音機、音箱、微波爐等等．

(2) 學生分組實驗.通過DIS實驗檢測電磁波的發(fā)射、接收與屏蔽，并完成“學習卡”上的相關(guān)要求．

操作步驟:

a. 手機靜止在感應線圈附近,不做任何操作,觀察波形變化;b. 手機靜止在感應線圈附近時,撥打電話,再一次觀察波形變化;c. 當撥打電話的手機距離感應線圈較遠時,觀察波形變化;d. 用金屬鋁箔紙包住手機,看是否能夠接收到來電信號．

(3) 學生交流觀察到的實驗現(xiàn)象,并得出相關(guān)結(jié)論．

設計意圖： 讓學生利用DIS微電流傳感器以及電磁波信號源檢測電磁波接收、發(fā)射與屏蔽的效果，以此來激發(fā)學生興趣,感受生活中的電磁波,讓學生切身體會到“電磁波無處不在”．

實現(xiàn)方式： 將“實驗器材”、“實驗原理”、“實驗準備”、“實驗內(nèi)容和操作”以及要填寫的“實驗現(xiàn)象和結(jié)論”通過“學習卡”的形式呈現(xiàn),學生人手一張．學生自主閱讀“學習卡”進行操作和記錄,教師在學生實驗的過程中一邊觀察一邊加以引導．

環(huán)節(jié)4:新課講授.

通過PPT向?qū)W生介紹電磁波的一些基本屬性以及電磁波譜．

環(huán)節(jié)5:學習與分享.

了解電磁波的特點、應用及危害．

(1) 自由閱讀環(huán)節(jié).

為學生提供6個不同波段電磁波的相關(guān)資料,學生通過掃描二維碼,選擇一個感興趣的進行瀏覽,也可閱讀課本中提供的“學習包”材料,完成表格,表格中需要填寫的內(nèi)容包括選讀的波段、產(chǎn)生機理、分類、性質(zhì)或特點、用途和危害．

(2) 交流分享環(huán)節(jié).

請學生介紹所了解的電磁波的性質(zhì)、應用和特點,與其他學生分享．

設計意圖： 與電磁波譜有關(guān)的信息量巨大,課堂上有限的時間無法使學生了解所有波段電磁波的基本知識,所以本環(huán)節(jié)設計了讓學生自主選擇感興趣的信息自主學習并在組內(nèi)交流共享的方式．“學生是課堂的主人”,“學習包”的理念也正是要突出學生的自主性,讓學生在探究、思考和交流的過程中深入了解電磁波的性質(zhì)以及電磁波的應用和發(fā)展．另外,二維碼將相關(guān)信息整合在一起,也節(jié)省了學生大量搜索網(wǎng)頁以及了解無關(guān)信息的時間．

實現(xiàn)方式： 教師在課前通過“草料二維碼”軟件將各波段電磁波的知識內(nèi)容或相關(guān)網(wǎng)頁鏈接編輯、整合在一個二維碼中,制作各波段的電磁波的二維碼．每個二維碼中的內(nèi)容可以任意編輯、美化,可以包含文字、圖片或網(wǎng)址鏈接等多種形式的信息．學生在課堂上或者課后通過掃碼可以閱讀各波段電磁波的相關(guān)特性與應用．圖2是筆者制作的“紅外線”二維碼中的閱讀材料．

圖2 “紅外線”二維碼的閱讀材料

2.3 TPACK框架下的“學習包—電磁波”的教學案例分析

根據(jù)TPACK各構(gòu)成要素的定義,筆者對本節(jié)課的教學內(nèi)容和教學過程進行分析見表1,從而更清晰地呈現(xiàn)出教師的學科知識、教學法知識、技術(shù)知識三者之間的融合,以及其在中學物理教學中所起到的積極的作用．

表1 “學習包—電磁波”教學中TPACK構(gòu)成要素分析

續(xù)表

3 關(guān)于TPACK視角下高中物理教學的幾點思考

隨著信息社會的高速發(fā)展,各種各樣新興的技術(shù)不斷涌入,信息技術(shù)在教育教學領域中的作用和影響已經(jīng)受到廣泛關(guān)注．對于物理這樣一門實驗科學而言,多媒體技術(shù)、DIS數(shù)字化實驗技術(shù)等的引入對教師們的教學方式和教學行為的改變起著不可忽視的作用．這些年來,中學物理教師們不斷地主動或被動地接受著各種與技術(shù)有關(guān)的學習與培訓,掌握了越來越多的新的與教學有關(guān)的技術(shù),這使得信息技術(shù)支撐下的中學物理教學逐漸成為常態(tài)．

然而,如何使技術(shù)更好地服務于我們的教學實踐?筆者從TPACK理論出發(fā),結(jié)合前面介紹的教學案例談幾點思考．

3.1 重視學科知識的積累,提升學科專業(yè)素養(yǎng)

一個最佳的知識結(jié)構(gòu),必須突出自己所從事的職業(yè)與專業(yè)知識,而教師作為一種高度專業(yè)化的職業(yè),必然首先要精通自己所教的學科．中學物理教師既要從物理教材的整體結(jié)構(gòu)上,又要從物理知識的科學體系上掌握物理知識[4]．尤其對于高中物理教師而言,僅僅掌握教材上的知識內(nèi)容已經(jīng)無法滿足教學與學生的需求了,要能夠站在更高的高度對物理學科知識的完整體系有比較清晰的理解．在理解每個概念和原理的同時,還要了解和掌握與此相關(guān)的背景知識、發(fā)展過程,明確知識內(nèi)容和整體學科的發(fā)展趨勢,包括相關(guān)的物理學史知識以及前沿知識．例如在“學習包—電磁波”的教學中,我們知道,麥克斯韋在提出電磁場的基本思想后,用數(shù)學形式將電磁場基本定律歸納為4個方程,完美統(tǒng)一了整個電磁場．麥克斯韋方程組定量地給出了電場與磁場以及產(chǎn)生這些場的電荷、穩(wěn)恒電流及時變電流之間的關(guān)系,但這一方程組無論是微分形式還是積分形式都是高中學生無法理解的,而作為高中物理教師需要有完備的電磁學知識作為支撐．對麥克斯韋電磁場理論的深刻理解可以讓中學物理教師更好地理解電磁現(xiàn)象,教師可以通過介紹法拉第、麥克斯韋等科學家的生平事跡和科學貢獻讓學生了解他們探究自然的科學方法．這對幫助學生樹立正確的科學觀有至關(guān)重要的作用．

3.2 積極嘗試信息手段與傳統(tǒng)課堂的整合,構(gòu)建信息化教學模式

在TPACK三個基本要素中,學科知識固然是基礎,是教學法選擇和技術(shù)選擇的依據(jù),但技術(shù)的革新對課堂教學法的選擇、教學內(nèi)容的組織產(chǎn)生的影響不可忽視．例如在本文的教學案例中,在網(wǎng)絡、攝影與投屏等技術(shù)的支持下,演示實驗的微小現(xiàn)象的放大成為可能,一方面教學效果得到顯著提升,另一方面學生對實驗現(xiàn)象的追問和思考能加深其記憶和理解．物理教師應更新自身的教學觀念,加強對技術(shù)的學習,同時提高使用各種信息技術(shù)的意識,嘗試使用多種工具來優(yōu)化課堂教學,這對培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)、提升學生的思維品質(zhì)有重要的意義．

4.3 合理使用技術(shù),讓技術(shù)融入有意義的教學中

在課堂上廣泛地使用技術(shù),不是為了課堂氣氛的熱鬧和活躍,而是為了幫助教師解決傳統(tǒng)教學手段無法解決的問題,或者是更高效地實現(xiàn)課堂教學目標．面對各種各樣的技術(shù),物理教師要懂得如何選擇、運用合適的技術(shù),以更好地闡述教學知識,通過適當?shù)慕虒W策略有效地運用技術(shù)來支持自己的教學,而不是為了技術(shù)而使用技術(shù)．過多無關(guān)的技術(shù)引入課堂往往會分散學生的注意力,技術(shù)的不合理使用也無法達到提升教學效果的作用,甚至會產(chǎn)生負面的影響．技術(shù)是一種工具或者手段,而正確地使用某一種技術(shù)才是教師知識和能力的體現(xiàn)．在使用技術(shù)的時候既要充分考慮這一技術(shù)與學科知識、與教學方法的融合,又要根據(jù)具體的教學內(nèi)容以及所教學生的能力、情感、興趣的差異調(diào)整技術(shù)的使用[5]．