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(diǎn)》，總體要求包括：大力實(shí)施基礎(chǔ)教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)，不斷深化基礎(chǔ)教育綜合改革.為了達(dá)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(guó)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(shì).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(diǎn).

1 TPACK簡(jiǎn)介

從20世紀(jì)80年代起，大量學(xué)者對(duì)教師教育進(jìn)行了研究，提出了許多教師知識(shí)結(jié)構(gòu)模型，其中最有代表性的模型是美國(guó)教授舒爾曼(Shulman)提出的學(xué)科教學(xué)知識(shí)(Pedagogical Content Knowledge，PCK)，他認(rèn)為PCK就是以別人可以理解的方式表達(dá)和形成學(xué)科知識(shí)的知識(shí)形式[2].信息技術(shù)的高速發(fā)展促進(jìn)著教學(xué)的變革，來(lái)自美國(guó)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(shí)(TK)所形成的有關(guān)教師知識(shí)結(jié)構(gòu)的新框架.TPACK理論由3種基本元素——技術(shù)知識(shí)(TK)、教學(xué)法知識(shí)(PK)、學(xué)科內(nèi)容知識(shí)(CK)和4種復(fù)合元素——整合技術(shù)的教學(xué)法知識(shí)(TPK)、整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識(shí)(TCK)、學(xué)科教學(xué)法知識(shí)(PCK)、整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識(shí)(TPACK)組成[3]，TPACK理論還包括了在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)所處的境脈(Context).TPACK框架如圖1所示.在進(jìn)行高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，以TPACK理論為指導(dǎo)，將基本元素有機(jī)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(dòng)，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，組織設(shè)計(jì)一堂好課，以此在教學(xué)實(shí)踐中加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，達(dá)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(jì)

教師在編寫教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)實(shí)際情況作出教材分析、學(xué)情分析，進(jìn)而制定出教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用TPACK理論，把教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)法和技術(shù)加以融合，對(duì)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(shí)點(diǎn)，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(duì)“牛頓第一定律”進(jìn)行知識(shí)分析，如表1所示.

表1 “牛頓第一定律”教學(xué)中的TPACK知識(shí)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(jìn)的？

生：他通過(guò)粗繩給了汽車一個(gè)很大的拉力.

師：大力士停止拉動(dòng)汽車，大家觀察到了什么現(xiàn)象？

生：汽車立刻就停止運(yùn)動(dòng)了.

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

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)視頻(TCK)創(chuàng)設(shè)物理情境引入新課，讓學(xué)生思考力與運(yùn)動(dòng)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(diǎn)形成對(duì)比，為學(xué)生樹立正確的物理觀念打下基礎(chǔ).

2.2 演示實(shí)驗(yàn)

師：下面我們一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證剛才結(jié)論的正確性.老師用手推動(dòng)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(shí)驗(yàn)

生：小車沒有立刻停下來(lái)，運(yùn)動(dòng)一段距離后停止了.

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

生：因?yàn)樾≤囀艿搅俗烂娴哪Σ亮?

師：摩擦力讓小車從運(yùn)動(dòng)變成靜止，那么力改變了物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用直觀演示法進(jìn)行教學(xué)(PCK)，通過(guò)事實(shí)與經(jīng)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的關(guān)系.

2.3 探究實(shí)驗(yàn)

通過(guò)多媒體課件向?qū)W生展示(TCK)我國(guó)古代著名教育家墨子所提出的“力，刑之所以?shī)^也”，介紹墨子的物理學(xué)成就，弘揚(yáng)我國(guó)優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)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(shí)到亞里士多德忽略了摩擦力的影響從而提出的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生正確評(píng)價(jià)亞里士多德對(duì)科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)及其歷史局限性，弘揚(yáng)尊重事實(shí)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(guò)對(duì)日常生活的觀察，提出了“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”這一錯(cuò)誤觀點(diǎn)，而這一觀點(diǎn)持續(xù)約2 000年.伽利略敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，通過(guò)伽利略斜面實(shí)驗(yàn)證明了自己的觀點(diǎn).

教師操作NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件(TK)，讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?jié)L下，小球?qū)L上另一個(gè)斜面，不計(jì)摩擦阻力.教師首先調(diào)整第二斜面與地面的夾角為θ1，點(diǎn)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(shí)，即θn=0，小球會(huì)沿著水平面持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去，如圖5(d)所示.將實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的物體將保持這個(gè)速度一直運(yùn)動(dòng)下去.

圖5 NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)(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(xiàn)：笛卡爾明確了物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的條件，指出了力是改變物體運(yùn)動(dòng)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(duì)牛頓第一定律中的關(guān)鍵點(diǎn)詳細(xì)解讀，例如“一切物體”.為了深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，教師播放神舟十三號(hào)“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(yùn)動(dòng)，如圖6所示.

圖6 太空拋物實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生意識(shí)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(guò)信息技術(shù)讓學(xué)生充分理解伽利略斜面實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)伽利略將實(shí)驗(yàn)與邏輯推理相結(jié)合的方法(TPACK).通過(guò)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(xiàn)，讓學(xué)生意識(shí)到人們解決力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的曲折性.在“天宮課堂”視頻中滲透愛國(guó)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(yùn)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車撞擊到障礙物后，小車立刻停止運(yùn)動(dòng)，這是什么原因呢？

生：障礙物給了小車一個(gè)阻力，改變了小車的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，于是向右傾倒.這是因?yàn)槲飰K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(shuō)明靜止的物體同樣具有慣性.那么物體具有保持原來(lái)靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)器材：鐵架臺(tái)、細(xì)線、體積相同的乒乓球和鐵球.學(xué)生們分別吹動(dòng)乒乓球和鐵球，會(huì)發(fā)現(xiàn)鐵球更難以吹動(dòng).從而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：物體的質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難以改變，慣性越大；物體的質(zhì)量越小，運(yùn)動(dòng)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(guò)多媒體課件向?qū)W生展示在實(shí)際生活中的慣性利用與防止(TCK)，例如乘坐汽車時(shí)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(shí)際的能力.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)Flash、實(shí)驗(yàn)視頻、多媒體課件進(jìn)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(shí)出發(fā)，加深學(xué)生的理性認(rèn)識(shí)，能夠調(diào)動(dòng)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(shí).

3 教學(xué)反思

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(shì)，把多樣化的技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過(guò)程中，解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的棘手問題，把技術(shù)知識(shí)、教學(xué)法知識(shí)和學(xué)科內(nèi)容知識(shí)有效地結(jié)合在一起，豐富學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收率.對(duì)此，筆者有以下幾點(diǎn)思考.

3.1 發(fā)揮TPACK的理論優(yōu)勢(shì)

利用學(xué)校現(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(wú)法接受的枯燥知識(shí)，通過(guò)技術(shù)手段的整合，成為學(xué)生想學(xué)、愛學(xué)的感性知識(shí).例如用計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)，采用投影的方式展現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生觀察得更加清楚，教師操作更便捷，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在傳統(tǒng)教學(xué)中難以達(dá)到的實(shí)驗(yàn)；將板書設(shè)計(jì)以多媒體課件的形式呈現(xiàn)，防止教師的書寫動(dòng)作發(fā)散學(xué)生的注意力，縮短不必要的書寫時(shí)間，提高教學(xué)效率；通過(guò)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(duì)未知世界探索的歷程與方法，活躍思維，增強(qiáng)科學(xué)意識(shí)，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(dòng)有趣，讓無(wú)法完成的伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)成為現(xiàn)實(shí).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(yùn)用技術(shù)占用太多教學(xué)時(shí)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(duì)TPACK理論進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)以更新教學(xué)理念，充分意識(shí)到信息技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì).學(xué)校應(yīng)當(dāng)多鼓勵(lì)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(jìn)TPACK理論在中學(xué)物理教師中普及化.

3.3 合理運(yùn)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(wàn)能鑰匙，適用于一切教學(xué)方式，教師對(duì)信息技術(shù)的過(guò)度依賴會(huì)適得其反.例如在探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律、探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，一味采用多媒體軟件、NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不理解實(shí)驗(yàn)誤差，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和處理數(shù)據(jù)的能力.在教學(xué)過(guò)程中教師應(yīng)將技術(shù)知識(shí)、教學(xué)法知識(shí)、學(xué)科內(nèi)容知識(shí)有機(jī)融合，形成具有自身特色的教學(xué)模式.