范兵 彭婷 張帥 劉荷娜

當(dāng)今，信息技術(shù)正在引領(lǐng)和影響著未來教育的發(fā)展。2023年5月，教育部印發(fā)了《基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革深化行動方案》，將“數(shù)字賦能行動”列為課程教學(xué)改革重點(diǎn)任務(wù)，提出要深入推進(jìn)教育數(shù)字化，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合[1]。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）指出：要積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合；要利用現(xiàn)代信息技術(shù)，來引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，形成科學(xué)思維習(xí)慣，同時增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力[2]。為落實(shí)課標(biāo)及有關(guān)政策文件的指導(dǎo)精神，有必要探索數(shù)字化背景下優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐的路徑。整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（Technological Pedagogical and Content Knowledge，TPACK）作為教師在具體教學(xué)情境中整合學(xué)科內(nèi)容知識、教學(xué)法知識和技術(shù)知識，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量課堂教學(xué)的有效理論，愈來愈受到廣大教師的青睞。以TPACK整合觀為理論視角，筆者從整合技術(shù)的物理課程知識、整合技術(shù)的物理統(tǒng)領(lǐng)性概念、整合技術(shù)的學(xué)生物理理解知識以及整合技術(shù)的物理教學(xué)策略與教學(xué)表征知識這四種核心要素出發(fā)，以“波的干涉”為例，研究設(shè)計(jì)了信息技術(shù)支撐下高中物理課堂教學(xué)方案，并給出實(shí)施建議。

一、TPACK理論與物理教學(xué)相容相生

2005年，美國密歇根州立大學(xué)的馬修·凱勒（Matthew J. Koehler）和普雅·米什拉（Punya Mishra）兩位學(xué)者提出了教師有效整合技術(shù)與課堂教學(xué)必須具備的一種知識結(jié)構(gòu)框架——整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識。TPACK是教師利用技術(shù)進(jìn)行有效教學(xué)必備的知識，是有效整合PK、CK和TK三種知識后而形成的一種新的知識形態(tài)。它不是三種知識的簡單疊加，而是教師在真實(shí)教學(xué)情境下由三種知識互相融合互動產(chǎn)生的新知識（如圖1）[3]。

對于TPACK的研究一般有兩個流派：一是將TPACK視為一種由多種元素復(fù)合構(gòu)成的知識框架，強(qiáng)調(diào)其七類組成元素（即圖1中的七類元素），已有研究者設(shè)計(jì)出此視角下的物理教學(xué)設(shè)計(jì)[4-5]；二是以美國俄勒岡州立大學(xué)的尼斯（Niess）為代表的學(xué)者并不關(guān)注TPACK的組成結(jié)構(gòu)，而認(rèn)為TPACK是在PCK基礎(chǔ)上的拓展，并根據(jù)學(xué)科教學(xué)知識（PCK）的構(gòu)成元素指出TPACK由如下四個核心要素構(gòu)成：整合技術(shù)的學(xué)科課程知識；整合技術(shù)的學(xué)科統(tǒng)領(lǐng)性概念；整合技術(shù)的學(xué)生學(xué)科理解知識；整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)策略與教學(xué)表征知識[6-7]。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)以第一種視角設(shè)計(jì)教學(xué)方案，不容易區(qū)分七類構(gòu)成元素，會導(dǎo)致課堂教學(xué)的割裂。第二種視角是基于TPACK整合觀設(shè)計(jì)教學(xué)，是一種新的更有價值的視角。如何在這一視角下做好物理教學(xué)設(shè)計(jì)，亟須探索、研究與實(shí)踐。針對物理學(xué)科，筆者對TPACK整合觀的維度及其對應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了梳理分析（見表1）。

二、TPACK視域下的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）教材分析與學(xué)生分析

“波的干涉”是高中物理選擇性必修一中機(jī)械振動與機(jī)械波這一主題下的內(nèi)容。課標(biāo)對這一內(nèi)容的具體要求為：通過實(shí)驗(yàn)（用波動演示器顯示波的疊加；觀察音叉雙臂振動激發(fā)的水波干涉現(xiàn)象），了解波的干涉現(xiàn)象?！安ǖ母缮妗睂?shí)驗(yàn)以定性分析為主，鼓勵教師從日常生活和實(shí)驗(yàn)的角度引出“波的疊加原理”和“波的干涉”，但是由于生活中學(xué)生對相關(guān)現(xiàn)象缺乏觀察，在教學(xué)中又存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不明顯等局限，因此學(xué)生對波的疊加、干涉現(xiàn)象形成的動態(tài)過程難以理解和掌握?；诖?，在授課過程中，教師從生活現(xiàn)象出發(fā)，借助GeoGebra軟件來模擬波的疊加和干涉現(xiàn)象。這樣既能讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又可以借助動態(tài)演示加深學(xué)生對物理模型的理解，有助于學(xué)生掌握并運(yùn)用物理知識。

設(shè)計(jì)意圖：教材分析與學(xué)生分析是教學(xué)設(shè)計(jì)中一個重要的環(huán)節(jié)。教材分析涉及教師對授課內(nèi)容范圍與深度的把握、課程資源與技術(shù)呈現(xiàn)的選擇，以及教學(xué)活動順序的規(guī)劃（課程知識、統(tǒng)領(lǐng)性概念）。學(xué)生分析需要教師對授課對象的知識基礎(chǔ)、認(rèn)知與情感狀態(tài)有詳細(xì)了解。做好這兩項(xiàng)工作是從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)開展教學(xué)的有力保障（學(xué)生知識）。

（二）教學(xué)流程

根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)可知：下雨天下落的雨滴會在平靜的水面上產(chǎn)生層層漣漪，那些雨滴像一個個振動的波源。當(dāng)兩個波源同時振動時，會在水面上形成奇特的干涉條紋。這是由波的疊加產(chǎn)生的，那么波的疊加有什么規(guī)律呢？師生利用GeoGebra軟件來進(jìn)行模擬探究。

1.波的獨(dú)立傳播特性

教師首先邀請兩名學(xué)生在講臺上拿起一根水平長繩的兩端，同時向上抖動一下長繩。繩的兩端產(chǎn)生相向傳播的兩列波。此時，教師讓學(xué)生觀察并描述現(xiàn)象。學(xué)生發(fā)現(xiàn)：有“波”（將繩的凸起視為波）從繩子的兩端傳播出去相向而行，在繩的中點(diǎn)處凸起程度變大，之后兩列波的凸起沿著之前的運(yùn)動方向繼續(xù)前進(jìn)。

教師肯定學(xué)生的觀察和發(fā)現(xiàn)，并將實(shí)驗(yàn)過程分解為：相遇前—開始相遇—相遇中—開始分離—分離后，用PPT呈現(xiàn)示意圖（如圖2）。教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：相遇前后兩列波都保持各自的運(yùn)動狀態(tài)，彼此不受影響。學(xué)生總結(jié)出波的獨(dú)立傳播特性：幾列波在同一介質(zhì)中傳播，在介質(zhì)中某一點(diǎn)相遇時，每列波都能夠保持各自的狀態(tài)繼續(xù)沿著原來的方向向前傳播，彼此互不影響。

設(shè)計(jì)意圖：TPACK中的課程知識指出教師在教學(xué)中要注重體現(xiàn)物理與生活的聯(lián)系，故在課堂引入環(huán)節(jié)展示下雨天的場景，引發(fā)學(xué)生思考。同時，組織演示活動，用PPT展示（策略知識）模擬波的傳播，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對于波的傳播過程的理解。

2.波的疊加原理

波是振動隨著時間的變化在空間中的傳播，波函數(shù)為y=A cos （ωt+kx），其中含有時間變量t和空間變量x。教師利用GeoGebra軟件自帶的坐標(biāo)系，在其原點(diǎn)處設(shè)置波源。波在傳播過程中，質(zhì)點(diǎn)的位移會發(fā)生變化并且會出現(xiàn)波形，這就是波的形成過程[8]。若現(xiàn)在有兩列波分別為：

y1=A cos （ω1t+k1x）??????????????????????????????????????（1）

y2=A cos （ω2t+k2x）??????????????????????????????????????（2）

則兩波的疊加為y=y1+y2，在橫軸上作一垂線與三列波相交。學(xué)生觀察B、C、D三點(diǎn)的縱坐標(biāo)（如圖3），探究疊加原理：幾列波相遇時能夠保持各自的運(yùn)動特征繼續(xù)傳播，在它們重疊的區(qū)域里，質(zhì)點(diǎn)同時參與這幾列波引起的振動，質(zhì)點(diǎn)的位移等于這幾列波單獨(dú)傳播時引起的位移的矢量和。

在學(xué)生知道波的疊加原理后，教師進(jìn)一步呈現(xiàn)波的疊加示意圖（如圖4），問學(xué)生：“這兩組疊加有什么區(qū)別？”在學(xué)生踴躍回答之后，教師解釋減弱疊加的原理：在某一時刻，兩列波的波峰和波谷相遇，在這一點(diǎn)由兩列波引起的振動始終是減弱的。接著教師鼓勵學(xué)生類比推理，提出自己的觀點(diǎn)來解釋加強(qiáng)疊加的原理。在教師鼓勵下，各組提出不同的解釋依據(jù)。教師收集不同的解釋并在班上討論，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)波的加強(qiáng)疊加與減弱疊加的異同，以加深學(xué)生對于物理原理的理解。

設(shè)計(jì)意圖：從波的疊加原理出發(fā)，教師利用GeoGebra軟件動態(tài)演示波的疊加過程（策略知識），進(jìn)一步演示減弱疊加和加強(qiáng)疊加的示意圖，同時分組討論來引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵學(xué)生類比推理和歸納推理以明晰兩者的異同（學(xué)生知識）。

3.波的干涉

教師利用GeoGebra軟件改變兩列波的頻率、振幅或相位等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)演示，探索發(fā)現(xiàn)并不是所有兩列波的疊加都可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。只有當(dāng)兩列波頻率相同、相位差恒定且振動方向相同時，才會產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋（如圖5和圖6）。

學(xué)生觀察圖片發(fā)現(xiàn)，這些圖樣在有些地方較亮（或起伏很大），有些地方較暗（或起伏微弱）。這是因?yàn)楫?dāng)兩列波在空間相遇時，它們的波峰與波峰或波谷與波谷相交時形成的區(qū)域（振動加強(qiáng)區(qū)）合振幅最大。振動加強(qiáng)區(qū)是由所有振動最劇烈的點(diǎn)連接形成的。波谷與波峰相交時形成的區(qū)域叫振動減弱區(qū)，合振幅最小。振動減弱區(qū)是由所有振動最微弱的點(diǎn)連接形成的。此時，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生說出“波的干涉”的定義，即頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列波疊加時，某些區(qū)域的振動總是加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動總是減弱，這種現(xiàn)象叫作“波的干涉”。

學(xué)生觀察圖7得知：從波源發(fā)出的兩列波可看作兩組同心圓，藍(lán)線圓表示波峰，黑線圓表示波谷。藍(lán)線圓與黑線圓間的距離等于半個波長。此時，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究：處于干涉振動加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)的質(zhì)點(diǎn)其位置有何特點(diǎn)，它們到兩波源的波程差與波長有什么關(guān)系？教師引導(dǎo)學(xué)生將觀察結(jié)果記錄到自制的表格中（見表2）。

由于學(xué)生歸納的結(jié)果不一定正確，或者找不出物理量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，教師需要再次利用GeoGebra軟件定量地探索干涉加強(qiáng)和干涉減弱時波程差與波長的關(guān)系，完善表2來歸納整理得出結(jié)論。若兩相干波源的初相相同時，兩波源到某點(diǎn)的波程差滿足式（3）時合振幅最大，滿足式（4）時合振幅最小。

干涉加強(qiáng)：

Δx=r1-r2=±kλ， k=0，1，2，…?????????????????（3）

干涉減弱：

Δx=r1-r2=±（2k+1）????， k=0，1，2，…???（4）

設(shè)計(jì)意圖：“波的干涉”及其形成條件是教學(xué)重難點(diǎn)，亦是學(xué)生難以理解的知識。教師借助GeoGebra軟件動態(tài)演示和定量探究功能（策略知識、學(xué)生知識），帶領(lǐng)學(xué)生破除學(xué)習(xí)障礙，引導(dǎo)學(xué)生歸納得出結(jié)論，實(shí)現(xiàn)對知識的內(nèi)化。

（三）作業(yè)設(shè)計(jì)

作業(yè)是鞏固學(xué)生知識、提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要載體。如何在完成作業(yè)的過程中激發(fā)學(xué)生的興趣與探究意識值得教師思考。為此，教師利用網(wǎng)頁端的Phyphox軟件編輯模塊制作了一個波的疊加的仿真程序——學(xué)生可以在手機(jī)上安裝Phyphox軟件，掃描二維碼添加實(shí)驗(yàn)程序，探索不同情況下波的疊加情況。作業(yè)方面，教師要求學(xué)生在課堂上完成教材上的習(xí)題，課后完成探究波的疊加的模擬實(shí)驗(yàn)，并將探究成果截圖上傳到班級QQ群。

教師檢查學(xué)生上傳的截圖，發(fā)現(xiàn)有學(xué)生上傳了探究兩個同方向同頻率波的疊加示意圖（如圖8），可以看出第一列中x1波和x2波的疊加結(jié)果是加強(qiáng)的，第二列中x1波和x2波的疊加結(jié)果是減弱的。此外發(fā)現(xiàn)還有學(xué)生探究了兩個同方向（或相互垂直）不同頻率（或同頻率）波疊加時的合成圖樣，最后在QQ群內(nèi)分享自己的發(fā)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)意圖：好的作業(yè)設(shè)計(jì)不僅僅是為了鞏固學(xué)生的知識基礎(chǔ)，更重要的是保證課堂教學(xué)的延續(xù)，提高課后活動的實(shí)際參與度。基于此，教師借助Phyphox軟件設(shè)計(jì)小實(shí)驗(yàn)來表征課程知識（策略知識），激發(fā)學(xué)生的探究意識與探究樂趣。

（四）實(shí)踐反思

實(shí)踐中，也有教師用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備——波的傳播與疊加演示儀開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可以很清楚地看到波的傳播和疊加過程，但沒能得到波疊加的定量解釋。這個演示實(shí)驗(yàn)雖然直觀，但是實(shí)驗(yàn)在很短的時間內(nèi)完成，造成學(xué)生觀察不足，難以深入理解，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果浮于表面。在TPACK視域下，教師利用GeoGebra軟件將實(shí)驗(yàn)過程動態(tài)分階段地進(jìn)行呈現(xiàn)，學(xué)生更容易觀察波的疊加過程，從而了解其原理。同時，利用該軟件可以進(jìn)一步定量地探究波的干涉的形成條件。這有利于提升物理教學(xué)的精確性與嚴(yán)謹(jǐn)性。在課后的探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生積極分享自己的探究發(fā)現(xiàn)，這說明該作業(yè)激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲，同時也調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

教師基于TPACK理念開展教學(xué)，可以促進(jìn)自身專業(yè)能力發(fā)展。教師專業(yè)能力發(fā)展遵循的一般路徑如圖9所示，其基本假設(shè)是：教師通過學(xué)習(xí)，促進(jìn)知識的增長和信念的改變，進(jìn)而改變課堂教學(xué)行為，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力[9]。授課教師學(xué)習(xí)了TPACK理論，在課前制作課程資源的過程中，信息技術(shù)能力得以提升，增長了知識和智慧。對于此課的教學(xué)，學(xué)生給予了積極評價，這種正向反饋提升了教師整合技術(shù)講解物理統(tǒng)領(lǐng)性概念的能力，使得教師進(jìn)一步認(rèn)識到信息技術(shù)與物理教學(xué)融合十分必要。總的來說，教師在TPACK理論指導(dǎo)下利用信息技術(shù)開展物理教學(xué)，既能夠提升自身的知識儲備和實(shí)踐能力，提高對信息技術(shù)賦能教學(xué)的認(rèn)識，又能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

三、對TPACK物理教學(xué)的展望與建議

信息技術(shù)的快速發(fā)展給物理教學(xué)帶來了很多可能性。教師基于TPACK理論，以“波的干涉”為例，利用信息技術(shù)來整合物理教學(xué)，在變革教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、提升課堂教學(xué)效果方面起到了積極作用。教師應(yīng)將傳統(tǒng)教學(xué)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果最大化。教師需要著眼于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，持續(xù)推動信息技術(shù)與物理教學(xué)的有機(jī)融合，為促進(jìn)教育發(fā)展與變革提供源源不竭的動力。關(guān)于信息技術(shù)與物理教學(xué)的整合，提出以下幾點(diǎn)建議。

（一）推廣TPACK理論，助力數(shù)字賦能行動

在基礎(chǔ)教育課程改革創(chuàng)新潮流下，教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)模式正在發(fā)生變革。應(yīng)用信息技術(shù)已成為教師的必備技能。TPACK理論要求教師具有使用技術(shù)有效教學(xué)的知識水平，包含信息技術(shù)環(huán)境下教師對課程內(nèi)容的理解、開展教學(xué)的整體觀念、對學(xué)生“如何學(xué)”的認(rèn)識和對自己“如何教”的計(jì)劃。信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，對教師的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求。為進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)字技術(shù)賦能基礎(chǔ)教育，社會應(yīng)大力推介TPACK理論。這不僅有助于提高教師數(shù)字化教學(xué)的能力，而且可助力學(xué)校構(gòu)建信息技術(shù)背景下的新型教與學(xué)的模式。

（二）合理利用信息技術(shù)，豐富教學(xué)活動

TPACK理論不僅僅是要求教師使用信息技術(shù)，更是要求教師在充分研讀課標(biāo)、了解課程內(nèi)容和學(xué)生基礎(chǔ)上，借助信息技術(shù)設(shè)置豐富的教學(xué)活動。教師開展數(shù)字化教學(xué)絕對不能為了“炫技”而盲目使用各式各樣的技術(shù)，一定要在認(rèn)識學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)和思維特點(diǎn)后，針對授課內(nèi)容的重點(diǎn)，借助信息技術(shù)突破其中的難點(diǎn)。如“波的干涉”這一節(jié)課，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生對波的疊加、干涉現(xiàn)象形成的動態(tài)過程理解有困難，于是采用GeoGebra軟件模擬這一動態(tài)過程，幫助學(xué)生破除認(rèn)知障礙。

（三）樹立正確觀念，有效指導(dǎo)教學(xué)

整合技術(shù)的物理統(tǒng)領(lǐng)性概念是TPACK整合觀的構(gòu)成要素之一，指的是技術(shù)環(huán)境下教師開展教學(xué)的思想觀念。這一要素會影響教師對知識的呈現(xiàn)和運(yùn)用。隨著時代發(fā)展，課程教學(xué)也在不斷變革，信息技術(shù)與課堂教學(xué)的融合逐漸被重視。教師在提升專業(yè)素養(yǎng)的同時，也需樹立正確的教育觀念。教師只有對數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下的物理課堂、學(xué)生情況和教材內(nèi)容等有正確的認(rèn)識，才能實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理教學(xué)有效融合。

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（作者范兵系華南師范大學(xué)物理學(xué)院博士研究生；彭婷系重慶市武隆中學(xué)物理教師；張帥系陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院碩士研究生；劉荷娜系湖北大學(xué)物理學(xué)院碩士研究生）

責(zé)任編輯：祝元志