齊海燕 張永恒

（長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院）

當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)已經(jīng)成為教師教學(xué)中不可缺少的元素之一。我國(guó)在促進(jìn)教育信息化發(fā)展的過(guò)程中，也做出了相應(yīng)部署。如2018年頒布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，指出了 “應(yīng)用信息技術(shù)解決教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活中問(wèn)題的能力成為必備的基本素質(zhì)”[1]。因此信息化走進(jìn)課堂是必然趨勢(shì)。教師作為課堂的設(shè)計(jì)者和引導(dǎo)者，擁有相應(yīng)的信息技術(shù)能力，不僅能提高教學(xué)效率，也能為學(xué)生帶來(lái)更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

一、TPACK框架與內(nèi)涵

2005年，TPACK（Technological Pedagogical Content Knowledge）理論由米什拉（Mishra）與科勒（Koehler）提出[2]。TPACK理論詳細(xì)的闡述了三種基本元素CK（學(xué)科內(nèi)容知識(shí)）、PK（教學(xué)法知識(shí)）、TK（技術(shù)知識(shí)）及其復(fù)合元素（TCK、PCK、TPK）之間的關(guān)聯(lián)與意義[2]，如圖1所示。

圖1 TPACK的構(gòu)成框架

隨著越來(lái)越多的信息化技術(shù)涌入課堂，如何有效的利用和整合這些技術(shù)，提高教師的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，是每一個(gè)教師都應(yīng)思考的。物理教師應(yīng)該通過(guò)使用多樣化的教學(xué)方式和信息技術(shù)手段，來(lái)培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[3]。所以當(dāng)代教師有必要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用TPACK理論，掌握在不同的教學(xué)情境中恰當(dāng)?shù)娜诤闲畔⒓夹g(shù)，以此提升教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量。

二、傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課的弊端

傳統(tǒng)課堂下的圓周運(yùn)動(dòng)復(fù)習(xí)課主要是串聯(lián)本章知識(shí)點(diǎn)和講解典型題型為主。復(fù)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)的基本物理量和物理概念；掌握各物理量之間的關(guān)系；掌握勻速圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)；解決圓周運(yùn)動(dòng)的具體實(shí)例；會(huì)分析向心力的來(lái)源并列出動(dòng)力學(xué)方程。

在知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)上以口述講解和靜態(tài)圖像展示為主，依靠同學(xué)們的想象來(lái)理解圓周運(yùn)動(dòng)的整體模型，難以有效地串聯(lián)知識(shí)點(diǎn)和激發(fā)學(xué)生興趣。而且在講解典型題型時(shí)，對(duì)動(dòng)態(tài)分析和臨界狀態(tài)的理解要求較高，造成了空間想象能力較差的學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜多變的條件時(shí)，無(wú)法直觀地理解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致了圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)習(xí)課無(wú)法有效地串聯(lián)起知識(shí)點(diǎn)和構(gòu)建邏輯框架。

三、TPACK框架下的教學(xué)設(shè)計(jì)

以TPACK框架為依據(jù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和技術(shù)手段，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)W(xué)科知識(shí)（CK）、教學(xué)知識(shí)（PK）和技術(shù)知識(shí)（TK）這三者有機(jī)融合，以取得好的教學(xué)效果。在圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)習(xí)課中，教師運(yùn)用GeoGebra數(shù)學(xué)軟件（簡(jiǎn)稱GGB），模擬不同條件下物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，增強(qiáng)圓周運(yùn)動(dòng)情景的真實(shí)性，使原本只能通過(guò)教師口述與靜態(tài)圖像展示的圓周運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程得以動(dòng)態(tài)化呈現(xiàn)。

（一）“圓周運(yùn)動(dòng)”復(fù)習(xí)課的設(shè)計(jì)思路

圓周運(yùn)動(dòng)是《普通高中教科書(shū)·物理·必修第二冊(cè)》第六章的內(nèi)容，圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)習(xí)課是對(duì)于本章知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)與鞏固，也是對(duì)本章典型題型的專項(xiàng)分析。本章復(fù)習(xí)的重難點(diǎn)在于掌握?qǐng)A周運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律與日常生活聯(lián)系的典型情境。首先，使用GGB數(shù)學(xué)軟件對(duì)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單形象化演示，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于類似情況的判斷能力[4]。然后，將圓周運(yùn)動(dòng)涉及的概念——線速度、角速度、向心力和向心加速度等分別用GGB數(shù)學(xué)軟件有針對(duì)性的進(jìn)行不同條件下的動(dòng)態(tài)化呈現(xiàn)，再引導(dǎo)學(xué)生回憶相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。最后，用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬典型題型中圓周運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，提升解決復(fù)雜多變臨界問(wèn)題的應(yīng)變能力。

（二）“圓周運(yùn)動(dòng)”復(fù)習(xí)課的教學(xué)過(guò)程及TPACK分析

1.復(fù)習(xí)線速度與角速度

【知識(shí)回顧】回顧線速度、角速度的定義與公式。

線速度：質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)通過(guò)的弧長(zhǎng)?l和所用時(shí)間?t的比值叫做線速度，用符號(hào)v表示，則當(dāng)?t趨近零時(shí)，弧長(zhǎng)?l就等于物體的位移，式中的v就是直線運(yùn)動(dòng)中學(xué)過(guò)的瞬時(shí)速度，即單位：m/s。

【軟件展示】

使用GGB數(shù)學(xué)軟件來(lái)模擬在不同條件下質(zhì)點(diǎn)線速度與角速度的改變過(guò)程，例如：使質(zhì)點(diǎn)在半徑r=3m，時(shí)間0s≤t≤12s的條件下做圓周運(yùn)動(dòng)。如圖2所示。

圖2 GGB線速度和角速度演示圖

【知識(shí)應(yīng)用】

提出問(wèn)題：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)軟件展示中觀察到的圓周運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)合相應(yīng)的條件計(jì)算出此過(guò)程中角速度ω和線速度v。

【TPACK分析】

TK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬物體做圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，線速度與角速度在不同條件下的改變情況，便于學(xué)生直觀的觀察和理解。TCK：通過(guò)回顧線速度、角速度的定義，結(jié)合所觀察的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算。TPK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件演示線速度、角速度運(yùn)動(dòng)過(guò)程，使抽象的圓周運(yùn)動(dòng)直觀化。CK：復(fù)習(xí)線速度、角速度定義與公式。PK：演示圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程，練習(xí)鞏固。

2.復(fù)習(xí)向心力

【知識(shí)回顧】回顧向心力定義與公式。

定義：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的合力總指向圓心，這個(gè)指向圓心的力就叫做向心力，即Fn=mω2r，且可以由v=ωr求

【軟件展示】

在使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬線速度與角速度的基礎(chǔ)上，增大物體質(zhì)量m，模擬不同條件下，質(zhì)點(diǎn)向心力的改變過(guò)程。例如：使質(zhì)點(diǎn)在半徑r=3m，時(shí)間0s≤t≤12s，質(zhì)量m=2kg的條件下做圓周運(yùn)動(dòng)。如圖3所示。

圖3 GGB向心力演示圖

【知識(shí)應(yīng)用】

提出問(wèn)題：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)軟件展示中觀察到的圓周運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)合相應(yīng)的條件，計(jì)算出此過(guò)程中向心力nF。

【TPACK分析】

TK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬物體在不同條件下的向心力，便于學(xué)生直觀的觀察和理解。

TCK：學(xué)生通過(guò)回顧向心力的知識(shí)，結(jié)合所觀察的運(yùn)動(dòng)情況，應(yīng)用公式進(jìn)行計(jì)算。TPK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件演示向心力改變過(guò)程，使抽象的圓周運(yùn)動(dòng)直觀化。CK：向心力定義與公式。PK：演示圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程，練習(xí)鞏固知識(shí)。

3.復(fù)習(xí)向心加速度

【知識(shí)回顧】回顧向心加速度定義與公式。

向心加速度：任何做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體的加速度都指向圓心，這個(gè)加速度叫做向心加速度。向心加速度的作用只改變速度的方向，對(duì)速度的大小無(wú)影響。向心加速度的方向總指向圓心，方向時(shí)刻改變，方向總是與速度方向垂直。

圖4 GGB向心加速度演示圖

【軟件展示】

【知識(shí)應(yīng)用】

提出問(wèn)題：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)軟件展示中觀察到的圓周運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)合相應(yīng)的條件，計(jì)算出此過(guò)程中向心加速度an。

【TPACK分析】

TK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬物體在不同條件下的向心加速度，便于學(xué)生直觀的觀察和理解。

TCK：學(xué)生通過(guò)回顧向心加速度的知識(shí)，結(jié)合所觀察的運(yùn)動(dòng)情況，應(yīng)用公式進(jìn)行計(jì)算。TPK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件演示向心加速度改變過(guò)程，使抽象的圓周運(yùn)動(dòng)直觀化。CK：復(fù)習(xí)向心加速度定義與公式。PK：演示圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程，練習(xí)鞏固知識(shí)。

4.總結(jié)圓周運(yùn)動(dòng)中的臨界問(wèn)題

【典型題型總結(jié)】回顧臨界狀態(tài)的定義與幾種常見(jiàn)類型題。

定義：當(dāng)物體從某種特性變化為另一種特性時(shí)發(fā)生質(zhì)的飛躍的轉(zhuǎn)折狀態(tài)，通常稱為臨界狀態(tài)。常見(jiàn)類型題：輕繩類；輕桿類；汽車過(guò)拱橋類；摩擦力提供向心力。

【類型題分析——摩擦力提供向心力】

一個(gè)物體放置在水平圓盤上，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，向心力F與摩擦力f滿足什么條件物體才不會(huì)移動(dòng)？當(dāng)物體處于臨界狀態(tài)時(shí)二者之間的關(guān)系？

【軟件動(dòng)態(tài)展示】

使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬以摩擦力提供向心力類的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示物體的向心力與向心加速度?？梢酝ㄟ^(guò)控制圓周半徑r、物體質(zhì)量m、圓盤線速度v來(lái)模擬不同條件下的圓周運(yùn)動(dòng)，幫助學(xué)生判斷理解。

將r,m,v具體數(shù)值輸入軟件中，就可以看到物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再將向心力nF與摩擦力f相比較便可以判斷物體的運(yùn)動(dòng)情況。例如：以r=3m,m=2kg,v=3m/s的條件輸入軟件，得到當(dāng)f≥6N時(shí)，物體不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)f<6N時(shí)，物體脫落。如圖5所示。

圖5 GGB臨界狀態(tài)演示圖

【TPACK分析】

TK：用GGB數(shù)學(xué)軟件來(lái)模擬不同臨界狀態(tài)下，物體做圓周運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和顯示物理量相應(yīng)數(shù)值。TCK：通過(guò)GGB數(shù)學(xué)軟件模擬物體的臨界狀態(tài)，增強(qiáng)了學(xué)生分析問(wèn)題的能力，有利于學(xué)生對(duì)于臨界狀態(tài)變化過(guò)程的理解和判斷。TPK：用GGB數(shù)學(xué)軟件展示了臨界狀態(tài)的動(dòng)態(tài)分析，加強(qiáng)了學(xué)生的空間想象能力，從多角度來(lái)思考問(wèn)題的解決方法。TPACK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬圓周運(yùn)動(dòng)的不同條件下的運(yùn)動(dòng)情況，并通過(guò)及時(shí)有效的知識(shí)串聯(lián)、應(yīng)用和鞏固，提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力，有利于學(xué)生更深入的理解知識(shí)和構(gòu)建起系統(tǒng)的知識(shí)體系。

四、結(jié)語(yǔ)

TPACK核心內(nèi)容是TK、CK和PK以及這三部分相互交叉作用 的TCK、TPK、PCK、TPACK等其他內(nèi)容共同構(gòu)成的。它可以使教師明確如何在教學(xué)中，什么地方可以使用恰當(dāng)?shù)男畔⒓夹g(shù)，去促進(jìn)教學(xué)，甚至可以延伸到課外的一些知識(shí)。

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)在教育方面的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)了許多優(yōu)秀的物理教學(xué)軟件，它們可以在教學(xué)的許多方面的提供有效的幫助，使我們的教學(xué)效率得到增強(qiáng)和優(yōu)化。但是不能過(guò)度依賴軟件去教學(xué)，這些信息技術(shù)是幫助我們進(jìn)行教學(xué)優(yōu)化的起促進(jìn)作用。而不要為了使用技術(shù)而使用這樣不一定能產(chǎn)生好的效果，反而容易適得其反。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)理解CK、PK、TK以及它們的交叉因素相互作用，在結(jié)合相應(yīng)的學(xué)科內(nèi)容，就構(gòu)成了新的教學(xué)框架，使各種新興的教學(xué)技術(shù)不斷涌入教育教學(xué)中。教師也在使用信息技術(shù)的道路上也越發(fā)成熟，推動(dòng)著教學(xué)方式的進(jìn)步。所以學(xué)校也應(yīng)該不斷加強(qiáng)教師在有關(guān)方面的技術(shù)培訓(xùn)，讓課堂上信息技術(shù)的使用成為當(dāng)代教師的一種基本能力。