基于TPACK理論的高中物理新授課教學(xué)設(shè)計
——以“牛頓第一定律”為例

謝宇航 范兵 蔡亞璇

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062)

2022年2月9日，教育部官網(wǎng)發(fā)布《教育部基礎(chǔ)教育司2022年工作要點》，總體要求包括：大力實施基礎(chǔ)教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動，不斷深化基礎(chǔ)教育綜合改革.為了達到這一目標(biāo)，文件給出了具體的工作辦法：深化信息技術(shù)應(yīng)用改革[1].由此可以看出國家非常重視教學(xué)與信息技術(shù)的整合，將信息技術(shù)融入到物理課堂中已經(jīng)成為一種趨勢.如何能在高中物理課堂中把信息技術(shù)恰當(dāng)?shù)?、有效地加以?yīng)用，是物理教育工作者需要關(guān)注的焦點.

1 TPACK簡介

從20世紀(jì)80年代起，大量學(xué)者對教師教育進行了研究，提出了許多教師知識結(jié)構(gòu)模型，其中最有代表性的模型是美國教授舒爾曼(Shulman)提出的學(xué)科教學(xué)知識(Pedagogical Content Knowledge，PCK)，他認(rèn)為PCK就是以別人可以理解的方式表達和形成學(xué)科知識的知識形式[2].信息技術(shù)的高速發(fā)展促進著教學(xué)的變革，來自美國密歇根州立大學(xué)的馬修·科勒(Matthew J.Koehler)和龐雅·米什拉(Punya Mishra)兩名學(xué)者提出了很有影響力的TPACK(Technological Pedagogical Content Knowledge)理論，它是在舒爾曼教授的PCK理論基礎(chǔ)上融入技術(shù)知識(TK)所形成的有關(guān)教師知識結(jié)構(gòu)的新框架.TPACK理論由3種基本元素——技術(shù)知識(TK)、教學(xué)法知識(PK)、學(xué)科內(nèi)容知識(CK)和4種復(fù)合元素——整合技術(shù)的教學(xué)法知識(TPK)、整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識(TCK)、學(xué)科教學(xué)法知識(PCK)、整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識(TPACK)組成[3]，TPACK理論還包括了在進行教學(xué)活動時所處的境脈(Context).TPACK框架如圖1所示.在進行高中物理教學(xué)設(shè)計時，以TPACK理論為指導(dǎo)，將基本元素有機地結(jié)合在一起，采用合適的信息技術(shù)將CK予以表征，采取合適的教學(xué)策略和教學(xué)活動，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，組織設(shè)計一堂好課，以此在教學(xué)實踐中加深學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，達到更好的教學(xué)效果.

圖1 TPACK框架結(jié)構(gòu)示意圖

2 TPACK視域下的教學(xué)設(shè)計

教師在編寫教學(xué)設(shè)計時，首先根據(jù)實際情況作出教材分析、學(xué)情分析，進而制定出教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)過程中運用TPACK理論，把教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)法和技術(shù)加以融合，對于不同的教學(xué)內(nèi)容采用學(xué)生容易理解的信息技術(shù)和符合學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律的教學(xué)方法.

以高中物理“牛頓第一定律”為例，作出具體的教學(xué)安排，如圖2所示.

圖2 “牛頓第一定律”教學(xué)流程圖

采用TPACK理論教學(xué)可以打破傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽”的單一講授法的教學(xué)方式，利用信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)物理情境可以讓物理課堂從枯燥解題變成積極探討[4]，學(xué)生能夠更深入地掌握知識點，形成物理觀念，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，從而提高教學(xué)質(zhì)量.

以TPACK理論為指導(dǎo)，對“牛頓第一定律”進行知識分析，如表1所示.

表1 “牛頓第一定律”教學(xué)中的TPACK知識分析

2.1 提出問題引入新課

視頻播放大力士拉汽車，如圖3所示.

圖3 大力士拉汽車

師：同學(xué)們，大力士是如何讓汽車前進的？

生：他通過粗繩給了汽車一個很大的拉力.

師：大力士停止拉動汽車，大家觀察到了什么現(xiàn)象？

生：汽車立刻就停止運動了.

師：這一現(xiàn)象就說明物體受力就會運動，不受力就會靜止,所以我們暫且認(rèn)為力是維持物體運動的原因，但它的正確性仍有待商榷.

設(shè)計意圖：通過視頻(TCK)創(chuàng)設(shè)物理情境引入新課，讓學(xué)生思考力與運動的關(guān)系.教師結(jié)合物理現(xiàn)象，誤導(dǎo)學(xué)生得出謬論，與正確觀點形成對比，為學(xué)生樹立正確的物理觀念打下基礎(chǔ).

2.2 演示實驗

師：下面我們一起進行實驗，驗證剛才結(jié)論的正確性.老師用手推動小車，撤去推力后，同學(xué)們觀察到什么現(xiàn)象了？(如圖4所示)

圖4 手推小車實驗

生：小車沒有立刻停下來，運動一段距離后停止了.

師：小車在滑行的這段距離時，沒有受到手給它的推力，但是卻處于運動狀態(tài)，這一現(xiàn)象說明剛才得出的結(jié)論——力是維持物體運動的原因是錯誤的.那小車為什么會慢慢停下來呢？

生：因為小車受到了桌面的摩擦力.

師：摩擦力讓小車從運動變成靜止，那么力改變了物體的運動狀態(tài)，說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因.

設(shè)計意圖：運用直觀演示法進行教學(xué)(PCK)，通過事實與經(jīng)驗相違背，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，真正理解力與運動的關(guān)系.

2.3 探究實驗

通過多媒體課件向?qū)W生展示(TCK)我國古代著名教育家墨子所提出的“力，刑之所以奮也”，介紹墨子的物理學(xué)成就，弘揚我國優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷.教師向?qū)W生講解亞里士多德的事跡，讓學(xué)生認(rèn)識到亞里士多德忽略了摩擦力的影響從而提出的錯誤觀點，引導(dǎo)學(xué)生正確評價亞里士多德對科學(xué)發(fā)展的貢獻及其歷史局限性，弘揚尊重事實的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

師：在公元前4世紀(jì)，亞里士多德通過對日常生活的觀察，提出了“力是維持物體運動的原因”這一錯誤觀點，而這一觀點持續(xù)約2 000年.伽利略敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，通過伽利略斜面實驗證明了自己的觀點.

教師操作NOBOOK虛擬實驗軟件(TK)，讓小球沿一個斜面從靜止?jié)L下，小球?qū)L上另一個斜面，不計摩擦阻力.教師首先調(diào)整第二斜面與地面的夾角為θ1，點擊“開始”釋放小球，記下小球在第二斜面的上升高度h1，如圖5(a)所示.讓學(xué)生操作NOBOOK軟件，改變第二斜面與地面的夾角分別為θ2、θ3、…、θn(θ2>θ3>…>θn)，靜止釋放小球，記下小球在第二斜面的上升高度分別為h2、h3、…、hn，如圖5(b)、(c)所示.當(dāng)?shù)诙泵媾c地面夾角為零時，即θn=0，小球會沿著水平面持續(xù)運動下去，如圖5(d)所示.將實驗數(shù)據(jù)記錄到表2中，分析并得出結(jié)論：如果沒有摩擦阻力，運動的物體將保持這個速度一直運動下去.

圖5 NOBOOK虛擬實驗(斜面夾角逐漸減小)

表2 探究斜面夾角與小球上升高度關(guān)系

教師向?qū)W生介紹笛卡爾在物理學(xué)方面的貢獻：笛卡爾明確了物體做勻速直線運動的條件，指出了力是改變物體運動狀態(tài)的原因等.教師繼續(xù)講解牛頓是在伽利略、笛卡爾等科學(xué)家的理論基礎(chǔ)上提出的牛頓第一定律，并對牛頓第一定律中的關(guān)鍵點詳細(xì)解讀，例如“一切物體”.為了深化學(xué)生對理論知識的理解，教師播放神舟十三號“天宮課堂”視頻，即航天員在空間站中向前方拋出物體，物體做勻速直線運動，如圖6所示.

圖6 太空拋物實驗

設(shè)計意圖：讓學(xué)生意識到規(guī)律的發(fā)現(xiàn)并非一蹴而就，它需要人們不斷的探索，培養(yǎng)學(xué)生不畏權(quán)威、勇于探索的精神.通過信息技術(shù)讓學(xué)生充分理解伽利略斜面實驗，學(xué)會伽利略將實驗與邏輯推理相結(jié)合的方法(TPACK).通過向?qū)W生介紹物理學(xué)史，展現(xiàn)不同物理學(xué)家的研究方法與貢獻，讓學(xué)生意識到人們解決力與運動關(guān)系的曲折性.在“天宮課堂”視頻中滲透愛國主義教育，不僅降低了學(xué)生的理解難度，且培育了學(xué)生的民族認(rèn)同感和自豪感.

2.4 慣性及其大小

運用Flash軟件播放(TCK)小車與物塊一同撞擊障礙物視頻，如圖7所示.

圖7 Flash演示慣性

師：小車與物塊一起向右勻速運動，當(dāng)小車撞擊到障礙物后，小車立刻停止運動，這是什么原因呢？

生：障礙物給了小車一個阻力，改變了小車的運動狀態(tài).

師：小車上的物塊沒有受到障礙物的阻力，仍然保持向右運動狀態(tài)，于是向右傾倒.這是因為物塊具有慣性，那么靜止的物體是否也具有慣性呢？

教師播放雞蛋落水視頻(TCK)，如圖8所示.

圖8 雞蛋落水視頻

師：用手擊打托盤，托盤水平飛出而雞蛋豎直落入水中，這一現(xiàn)象就說明靜止的物體同樣具有慣性.那么物體具有保持原來靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)，我們把這種性質(zhì)稱為慣性.

教師擺放好實驗器材：鐵架臺、細(xì)線、體積相同的乒乓球和鐵球.學(xué)生們分別吹動乒乓球和鐵球，會發(fā)現(xiàn)鐵球更難以吹動.從而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：物體的質(zhì)量越大，運動狀態(tài)越難以改變，慣性越大；物體的質(zhì)量越小，運動狀態(tài)越容易改變，慣性越小.質(zhì)量是慣性大小的唯一量度.

通過多媒體課件向?qū)W生展示在實際生活中的慣性利用與防止(TCK)，例如乘坐汽車時需系好安全帶、拍打衣服上的灰塵、防止汽車超載行駛等，培養(yǎng)高一學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力.

設(shè)計意圖：通過Flash、實驗視頻、多媒體課件進行教學(xué)，能夠讓枯燥乏味的物理課堂變得豐富有趣.從感性認(rèn)識出發(fā)，加深學(xué)生的理性認(rèn)識，能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力.這種教學(xué)既解釋了生活現(xiàn)象，又讓學(xué)生學(xué)懂了理論知識.

3 教學(xué)反思

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，信息技術(shù)變得多樣化，教師應(yīng)當(dāng)充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢，把多樣化的技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的棘手問題，把技術(shù)知識、教學(xué)法知識和學(xué)科內(nèi)容知識有效地結(jié)合在一起，豐富學(xué)生的感性認(rèn)識，提高學(xué)生對知識的吸收率.對此，筆者有以下幾點思考.

3.1 發(fā)揮TPACK的理論優(yōu)勢

利用學(xué)?，F(xiàn)有的教學(xué)資源，將信息技術(shù)(Flash、多媒體課件、NOBOOK軟件等)融入到物理課堂，讓學(xué)生更為直觀地感受物理現(xiàn)象，讓傳統(tǒng)課堂中學(xué)生無法接受的枯燥知識，通過技術(shù)手段的整合，成為學(xué)生想學(xué)、愛學(xué)的感性知識.例如用計算機模擬物理實驗，采用投影的方式展現(xiàn)出來，學(xué)生觀察得更加清楚，教師操作更便捷，同時能夠?qū)崿F(xiàn)在傳統(tǒng)教學(xué)中難以達到的實驗；將板書設(shè)計以多媒體課件的形式呈現(xiàn)，防止教師的書寫動作發(fā)散學(xué)生的注意力，縮短不必要的書寫時間，提高教學(xué)效率；通過多媒體課件帶領(lǐng)學(xué)生回顧物理學(xué)史，讓學(xué)生掌握人類對未知世界探索的歷程與方法，活躍思維，增強科學(xué)意識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.

3.2 普及TPACK理論

將信息技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，能夠讓物理課堂變得生動有趣，讓無法完成的伽利略理想斜面實驗成為現(xiàn)實.但是信息技術(shù)在高中物理課堂的普及程度不夠高，大部分教師以提高學(xué)生考試分?jǐn)?shù)為目的，或是認(rèn)為運用技術(shù)占用太多教學(xué)時間，不愿意將傳統(tǒng)的講授課變成整合技術(shù)的物理課.因此，中學(xué)物理教師需要對TPACK理論進行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)以更新教學(xué)理念，充分意識到信息技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢.學(xué)校應(yīng)當(dāng)多鼓勵教師開展信息化教學(xué)，舉辦信息技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)講座，促進TPACK理論在中學(xué)物理教師中普及化.

3.3 合理運用現(xiàn)代信息技術(shù)

信息技術(shù)正在朝著多樣化的方向發(fā)展，這就使得教師有了更多教學(xué)方式的選擇.但是信息技術(shù)并不是一把萬能鑰匙，適用于一切教學(xué)方式，教師對信息技術(shù)的過度依賴會適得其反.例如在探究小車速度隨時間變化的規(guī)律、探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系時，一味采用多媒體軟件、NOBOOK虛擬實驗進行教學(xué)，會導(dǎo)致學(xué)生不理解實驗誤差，無法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和處理數(shù)據(jù)的能力.在教學(xué)過程中教師應(yīng)將技術(shù)知識、教學(xué)法知識、學(xué)科內(nèi)容知識有機融合，形成具有自身特色的教學(xué)模式.