TPACK理論下物理單元創(chuàng)新實踐性作業(yè)的實施策略
——以“電動機和發(fā)電機”章節(jié)復習為例

安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學(231551) 劉信生

安徽省合肥市教育科學研究院(230071) 陶士金

1 TPACK理論對物理創(chuàng)新實驗的指導意義

2021年7月24日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于進一步減輕義務教育階段學生作業(yè)負擔和校外培訓負擔的意見》(以下簡稱“雙減”政策)。“雙減”政策強調(diào)要“調(diào)控不同年級、不同學科作業(yè)數(shù)量和作業(yè)時間、嚴控書面作業(yè)總量”，指導學生“參與實踐活動”和“強化實踐性作業(yè)”。由于低效率、重復式、機械式、只能培養(yǎng)模仿能力的紙筆式作業(yè)的弊端正在凸顯，所以大力提倡以培養(yǎng)學生探究實驗能力為主題的創(chuàng)新實踐性作業(yè)。TPACK理論中的技術(shù)、學科內(nèi)容和教學法三大核心要素以及整合的四個復合要素如圖1所示。這里的“技術(shù)”在物理創(chuàng)新實驗中既包括實驗設計中運用學科綜合知識進行實驗裝置制作的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，也包括整合教育信息化技術(shù)的能力。學科內(nèi)容在物理創(chuàng)新實驗中包括實驗設計、實驗操作、現(xiàn)象觀察、證據(jù)收集和實驗結(jié)論等。教學法知識除了常見的模式如：演示法、探究法等以外，還包括實驗模型建構(gòu)法、比較法、放大法、控制變量法、轉(zhuǎn)換法等實驗教學處理方法。筆者針對“電動機和發(fā)電機”章節(jié)復習課，摒棄傳統(tǒng)的教學模式，嘗試安排學生實施創(chuàng)新實踐性作業(yè)，切實鞏固“電動機和發(fā)電機”章節(jié)核心概念，提升學生物理核心素養(yǎng)。

圖1 TPACK理論框架結(jié)構(gòu)圖

2 TPACK理論指導下展開創(chuàng)新實踐性作業(yè)項目設計

初中物理實踐性作業(yè)，是指學生在學習初中物理的過程中，基于問題和任務驅(qū)動的有指導、有一定挑戰(zhàn)性的自主學習活動[1]。TPACK理論知識的專業(yè)性、綜合性很強，對物理創(chuàng)新實驗的指導作用必須要融合到具體的創(chuàng)新實驗項目中?！半妱訖C和發(fā)電機”章節(jié)主要闡述通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動的電動機工作原理和根據(jù)電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生感應電流的發(fā)電機工作原理。該章節(jié)機械結(jié)構(gòu)性知識和物理規(guī)律性思維占比大，是電與磁知識在生活和生產(chǎn)中的應用，也是高中物理電磁場和交流電知識的基礎，初高中知識的銜接性強。在新課教學中，如果只是站在知識的傳授角度去完成教學任務，無法真正落實教學目標與要求。如果再把復習課上成新授課的“壓縮版”，止于知識的重現(xiàn)，那就大可不必了，而應該是新授課的“升級版”[2]。教師可以設計創(chuàng)新實驗或者引導學生自主創(chuàng)新實驗，再緊扣核心概念進行實踐性作業(yè)操作，運用設計思維方式展開“小組合作+主題探究式”實踐活動，將設計思維轉(zhuǎn)化為物化的作品，達成復習多維目標，在一系列創(chuàng)新實驗活動中體現(xiàn)TPACK理論對創(chuàng)新實踐性作業(yè)的理論指導性價值，具體內(nèi)容見表1。

表1 創(chuàng)新實踐性作業(yè)中體現(xiàn)TPACK理論的指導性價值

3 基于TPACK理論下的單元創(chuàng)新實踐性作業(yè)的實施

TPACK是教師必須具備的全新知識，它的貫徹實施離不開教師，必須強調(diào)教師是整個過程的設計者、引導者、實施者和監(jiān)控者，是“有意義傳遞-主導下探究”的教學觀念[3]?；赥PACK理論下的物理創(chuàng)新實驗，乃至學生在課堂上的創(chuàng)新實踐性活動都離不開教師的“主導作用”。

3.1 由真實事件引入探究主題，在探索中設計實踐作業(yè)

對于以形象思維為主要特征的初中生而言，在“玩”實驗中才會有收獲，才會有問題發(fā)問，才會有探究的沖動，學習才得以真正發(fā)生?；趯W生已經(jīng)學習過電動機和發(fā)電機知識，筆者讓學生從有趣的物理現(xiàn)象入手，實施主題作業(yè)。

主題作業(yè)1：小馬達點亮LED和小燈泡。

給學生發(fā)1個小馬達(微型發(fā)電機)，雙LED二極管組合(大、小各1組)，LED二極管(白光)若干，3.8 V/0.5 A小燈泡，電池組，導線、回形針和圖釘若干。請同學們?nèi)我獾剡M行器材組合，分組展開實驗，想辦法讓LED燈或小燈泡亮起來。

學生開始想方設法地去嘗試。A組學生首先想到的是將小馬達用導線直接接入雙LED二極管組合，如圖2(a)所示，順時針轉(zhuǎn)動小馬達的搖把，發(fā)現(xiàn)紅燈不亮、綠燈亮，加速轉(zhuǎn)動搖把，綠燈變得更亮；逆時針轉(zhuǎn)動搖把，發(fā)現(xiàn)綠燈不亮紅燈亮。B組學生運用LED二極管(白光)和回形針，小組內(nèi)展開項目式實驗探究：先將兩根回形針捋直，用圖釘將其平行地固定在木塊上，然后將兩枚LED二極管(白光)的兩腳扳開成一字型，依次將兩腳分別輕放在平行的回形針上，如圖2(b)所示，再將小馬達接入到回形針電路中，重復圖2(a)中的實驗步驟，然后將其中一枚LED二極管的兩腳與回形針接觸的位置互換，發(fā)現(xiàn)兩枚LED二極管的發(fā)光有3種情況：①兩枚同時發(fā)光；②有一枚發(fā)光一枚不發(fā)光；③兩枚都不發(fā)光。C組學生發(fā)現(xiàn)用3.8 V小燈泡也可以進行實驗，于是將小燈泡和雙LED二極管組合并聯(lián)在電路中，再接入小馬達，用力順時針轉(zhuǎn)動小馬達的搖把，然后再逆時針轉(zhuǎn)動搖把，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終都亮，但是雙LED二極管組合中紅綠燈卻是交替發(fā)光的，如圖2(c)所示。讓學生感覺這是學習二極管具有單向?qū)щ娦缘闹R后所有實踐作業(yè)中最過癮的一次。

圖2 學生用小馬達點亮LED燈實驗

學生經(jīng)歷了幾場“折騰式”的實踐操作，一系列問題就會接踵而至：改變小馬達搖把的轉(zhuǎn)向，小馬達為何能始終點亮小燈泡；而LED發(fā)光二極管的發(fā)光情況卻與小馬達搖把的轉(zhuǎn)向有關呢？小馬達產(chǎn)生的電流方向與搖把的轉(zhuǎn)向有關嗎？學生的問題串就此展開了。

設計意圖：教師將學科實驗內(nèi)容知識(CK)、教學法知識(PK)、實驗組裝技術(shù)(TK)和整合技術(shù)學科內(nèi)容(TCK)融合到創(chuàng)新實驗中。由學生“玩”實驗開始，讓學生關注直流發(fā)電機模型結(jié)構(gòu)，在“玩”中發(fā)現(xiàn)直流發(fā)電機的電流大小與線圈的轉(zhuǎn)速有關；依據(jù)發(fā)光二極管的單向?qū)щ娞匦裕ㄐ缘氐贸龈袘娏鞯姆较蚺c線圈的轉(zhuǎn)向有關的結(jié)論，讓學生感受生活中的電磁感應現(xiàn)象，為學生追尋發(fā)電機的模型建構(gòu)設下伏筆。

主題作業(yè)2：電風扇實質(zhì)是電動機，那么外力旋轉(zhuǎn)電風扇的扇葉為什么會點亮發(fā)光二極管？電風扇可以做發(fā)電機嗎？

學生在桌子邊固定好小臺扇，一手拿起電源插頭，分別將兩枚發(fā)光二極管的兩只腳顛倒地卡在電風扇插頭的兩端，另一只手轉(zhuǎn)動電風扇的扇葉，此時發(fā)現(xiàn)兩枚二極管在交替發(fā)光。說明了電動機確實可以作為發(fā)電機使用。有些學生不相信，將作業(yè)1中的小馬達拆下來，接入電池組中，也發(fā)現(xiàn)小馬達飛速地轉(zhuǎn)動起來，得出發(fā)電機和電動機的結(jié)構(gòu)是相似的結(jié)論，學生有了新的收獲。

設計意圖：開展基于TPACK理論框架指導下的創(chuàng)新實踐活動。通過電風扇也可以發(fā)電的真實事件的探究，學生發(fā)現(xiàn)：電風扇通電時可以作為電動機工作，轉(zhuǎn)動扇葉時，可以產(chǎn)生使發(fā)光二極管交替發(fā)光的感應電流，說明電動機確實可以作為發(fā)電機來使用。

主題作業(yè)3：將電流傳感器分別接入小馬達與電風扇的電路中，測量發(fā)出來的電的電流大小，通過數(shù)字化軟件裝備顯示出電流變化圖像，比較一下它們的感應電流有何區(qū)別。

學生在教師的指點下，先將電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器接入裝有數(shù)字化軟件的電腦上，再將小馬達串聯(lián)接入電路中，打開電腦桌面的軟件包，創(chuàng)建電流傳感器界面，點擊“采集參數(shù)”設定自動采集數(shù)據(jù)的時間，轉(zhuǎn)動小馬達搖把的同時用鼠標點擊“開始”，每隔5 s改變一次搖把的轉(zhuǎn)向。記錄數(shù)據(jù)如圖3(a)所示。用電風扇替換下小馬達，將風扇扇葉朝一個方向轉(zhuǎn)下去，重復以上實驗，記錄數(shù)據(jù)，形成如圖3(b)所示圖像。

圖3 分別用手搖小馬達與電風扇扇葉產(chǎn)生的感應電流

通過主題作業(yè)3的探究過程，使主題作業(yè)1的感應電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)“可視化”，通過實驗數(shù)據(jù)的采集和圖像顯示，進一步強化了學生對核心概念的深度理解，對直流電和交流電有了更加深刻的認識：電流方向不變的叫直流電；電流大小和方向都隨時間周期性改變的叫交流電。學生通過閱讀課本相關內(nèi)容，認真繪畫出直流發(fā)電機給雙LED二極管組合供電的電路圖，如圖4(a)所示；同時根據(jù)交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖4(b)所示，很快就繪畫出用力轉(zhuǎn)動電風扇扇葉產(chǎn)生的交流電給兩個并聯(lián)LED發(fā)光二極管交替供電的電路圖，如圖4(c)所示。學生進一步提出質(zhì)疑：交流發(fā)電機和直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別嗎？教師從發(fā)電機裝置中換向器與滑環(huán)對感應電流的傳輸功能的不同的角度加以分析，揭示其中的奧妙。

圖4 直流發(fā)電機和交流發(fā)電機點亮發(fā)光二極管的電路圖

設計意圖：將信息技術(shù)整合到物理創(chuàng)新實驗中，創(chuàng)造性地將TPACK理論應用于實踐活動中。與過去設計電動機與發(fā)電機結(jié)構(gòu)名稱的傳統(tǒng)填空題作業(yè)相比較，實踐創(chuàng)新作業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)在學生動手操作的過程中，讓學生主動地發(fā)現(xiàn)問題、能動地解決問題。

3.2 在指導學生自制模型中分析論證，升華實踐作業(yè)能力

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。學生們親身經(jīng)歷過以上的真實操作，感覺到學習有了一些收獲，實踐的勁頭更足了。有學生提出建議，大家為何不利用身邊的器材和實驗室的工具，自己動手制作發(fā)電機和電動機模型，進一步理解電機的結(jié)構(gòu)和功能呢？學生們說干就干，先來制作交流發(fā)電機模型。首先找來一卷漆包線，繞制成矩形框，套在事先準備好的木質(zhì)鉛筆中間部位上，用美工刀將鉛筆圓柱直徑相對的地方開兩條凹槽，將漆包線的兩個抽頭的絕緣漆刮去，再分別嵌入鉛筆凹槽內(nèi)。金屬滑環(huán)和電刷如何制作呢？學生從實驗桌上的白熾小燈泡的圓柱形金屬底座得到啟發(fā)：用砂輪機磨去燈泡的底部錫塊和周圍的黑玻璃(絕緣體)，再打碎玻璃燈泡，抽掉燈絲，一個金屬滑環(huán)制成了，重復上述步驟做好另一個滑環(huán)，將滑環(huán)前后套在鉛筆上，如圖5(a)與圖5(b)所示，且每一滑環(huán)下面連接好漆包線的抽頭，這樣線圈和轉(zhuǎn)軸制好了。再找來一塊方木板和兩個等大且打好孔的木塊作為電機支架，將帶有線圈的轉(zhuǎn)軸插入孔中，在線圈的兩側(cè)相對的位置固定兩塊異名磁極，再用螺絲刀把剪好的兩塊條形銅皮分別用螺釘緊挨著兩滑環(huán)側(cè)邊固定在木板上，再找來兩頭開孔的長條形硬塑料片，一端套牢在鉛筆末端，一端固定帶螺栓的轉(zhuǎn)軸做成搖把，最后在固定電刷的螺母上用導線串聯(lián)接入一塊靈敏電流計，如圖5(c)所示。雖然裝置沒有廠家生產(chǎn)的那樣美觀大方，但是整個制作過程體現(xiàn)了學生的辛勤勞動。

圖5 學生自制交流發(fā)電機模型1

這時候，學生的創(chuàng)造激情再一次被激活了，有學生找來了中華鉛筆，將末端用來固定圓柱形橡皮的鋁質(zhì)圓環(huán)作為發(fā)電機的滑環(huán)，還有學生用燒紅的鐵絲將圓珠筆塑料外殼燙上2個小孔，再將漆包線的兩個抽頭穿過孔隙，與兩個滑環(huán)緊密連接，用馬蹄形磁鐵提供磁場，制成交流發(fā)電機模型，如圖6所示。

圖6 學生自制交流發(fā)電機模型2

這時候，有個別學生提出問題：怎樣將交流發(fā)電機改裝成直流發(fā)電機呢？一石激起千層浪，學生在交流討論中發(fā)現(xiàn)直流電動機中是沒有滑環(huán)裝置的，只有兩塊彼此絕緣(也有兩塊是分開)的金屬半圓組成的換向器。因此學生將交流發(fā)電機的兩個滑環(huán)取下來，只用其中的一個滑環(huán)，用剪刀沿直徑方向?qū)⒒h(huán)對稱地剪開成兩個半圓環(huán)，在鉛筆相同位置的相對兩側(cè)連接好漆包線的兩個抽頭，再用強力膠將換向器固定在筆桿做成的轉(zhuǎn)軸上，此時，學生發(fā)現(xiàn)電刷的位置必須作相應的改動，于是用螺絲刀將兩塊銅皮做成的電刷分別緊挨著各自的換向器固定在木板上，此時交流發(fā)電機模型就改裝成直流發(fā)電機模型，如圖7所示。

圖7 將交流發(fā)電機模型1改造成直流發(fā)電機模型

3.3 學生展示作品，交流反饋與評價

學生作業(yè)作為課程的有機組成，其本質(zhì)屬性是一種學習活動，必然指向課程目標，反映課程的理念和追求的價值[1]。因此，對學生的學習成果進行展示和評價就是對課程內(nèi)容價值的肯定。

首先讓學生組內(nèi)交流評價，然后選派代表將其作品帶上講臺，向同學們邊展示作品邊講解設計理念和制作的過程(可以拍下視頻保存)，再將視頻發(fā)至家長微信群、學校創(chuàng)新平臺進行展示。教師可以將學生的實踐性作業(yè)視頻收集起來，先每例作品寫一段評語，最后對整個實踐活動做一個整體性評價，可以上傳至“物理創(chuàng)新”公眾號，讓更大范圍的同行們進行交流評價。如果將作品進行優(yōu)化升級，可以在學校的科技節(jié)活動展示，也可以作為每年的青少年科技創(chuàng)新大賽作品參加比賽，甚至可以申報國家發(fā)明專利。

4 結(jié)語

TPACK理論不僅僅是一種整合了技術(shù)的全新學科教學知識，還日漸發(fā)展成為一種能將信息技術(shù)有效整合于各學科教學過程的全新可操作性模式[4]。運用TPACK理論指導初中物理創(chuàng)新實驗活動，是一種全新的嘗試，是將整合技術(shù)的學科教學知識與初中物理實驗課堂教學深度融合，而實踐性作業(yè)采用的是“理論+實踐”方式，在實驗過程中不僅僅要解決理論知識問題，更要解決許多的工程、數(shù)學和藝術(shù)問題，不僅要求學生有扎實的物理知識，更要有科學、工程、數(shù)學、藝術(shù)等學科綜合知識和能力。