TPACK理論在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究*
——以自由落體運(yùn)動(dòng)為例

閔文靜 黃文登

(陜西理工大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 陜西 漢中 723000)

TPACK(Technological Pedagogical Content Knowledge)是指整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識(shí)，是當(dāng)代教師必備的教育理論素養(yǎng).自教育部頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》以來(lái)，信息技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用不斷得到推廣，在隨后的幾年里，教育部門(mén)針對(duì)基礎(chǔ)教育中信息技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)題制定并發(fā)布了一系列的文件，旨在向廣大基礎(chǔ)教育工作者強(qiáng)調(diào)新時(shí)代下教育也需跟緊時(shí)代步伐，教育者應(yīng)當(dāng)豐富自身教學(xué)理論，通過(guò)新技術(shù)改善傳統(tǒng)課堂教學(xué)，提高現(xiàn)代化教學(xué)質(zhì)量[1].在此過(guò)程中，教師的信息素養(yǎng)水平成為教學(xué)的重要影響因素.因此，將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合成為當(dāng)代教師必備的專業(yè)能力.而TPACK理論正是當(dāng)下將信息技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合的最具科學(xué)性的教師專業(yè)知識(shí)模型，在這一理論模型中，數(shù)字設(shè)備在教學(xué)中不再被視為一個(gè)附加組件，教師需要整合不同的知識(shí)維度，才能有效地運(yùn)用技術(shù)教學(xué)[2].而物理本身就是一門(mén)與信息技術(shù)聯(lián)系緊密的學(xué)科，將TPACK理論應(yīng)用于高中物理課程中，就可以利用信息技術(shù)來(lái)解決物理教學(xué)中的問(wèn)題，這樣的教學(xué)過(guò)程將更加行之有效[3].

1 TPACK理論概述

TPACK理論框架的形成源于斯坦福大學(xué)教授舒爾曼(Shulman)1986年提出的學(xué)科教學(xué)知識(shí)理論P(yáng)CK (Pedagogical Content Knowledge) ，PCK理論論述了教師職業(yè)的專業(yè)性和不可替代性[1].在此理論的基礎(chǔ)上，美國(guó)學(xué)者科勒(Koehler)和米什拉(Mishra)將技術(shù)知識(shí)的組成部分整合到PCK理論模型中，于2005年提出了整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)理論(TPACK)[1].TPACK理論框架包括3個(gè)核心知識(shí)類別：技術(shù)知識(shí)(TK)、教學(xué)知識(shí)(PK)、內(nèi)容知識(shí)(CK)，將這3種核心知識(shí)類型結(jié)合在一起，在它們的交叉處還形成了另外3種類型的一級(jí)混合成分：教學(xué)內(nèi)容知識(shí)(PCK)、技術(shù)教學(xué)知識(shí)(TPK)、技術(shù)內(nèi)容知識(shí)(TCK)，以上6種知識(shí)類別相結(jié)合形成了第二層次的混合成分，即技術(shù)教學(xué)知識(shí)(TPACK)，這是最復(fù)雜的知識(shí)類別，它依賴于前面提到的所有知識(shí)類別的創(chuàng)造性組合和相互作用[2].TPACK理論在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中表現(xiàn)為教師創(chuàng)設(shè)特定的教學(xué)情境，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段融入到教學(xué)過(guò)程中，這其中涵蓋了4個(gè)方面的核心內(nèi)容:

第一，技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的整體性觀念；

第二，技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的教學(xué)策略和教學(xué)表征知識(shí)；

第三，學(xué)生用技術(shù)來(lái)理解、思考和學(xué)習(xí)學(xué)科主題的知識(shí)；

第四，技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的課程和課程材料的知識(shí)[3].

教師只有牢牢把握這4個(gè)方面的內(nèi)容才能有效開(kāi)展信息技術(shù)下的課堂教學(xué).

2 TPACK理論應(yīng)用的必要性

物理學(xué)是自然學(xué)科領(lǐng)域的一門(mén)基礎(chǔ)性學(xué)科，也是當(dāng)今社會(huì)信息技術(shù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力源泉，而高中物理知識(shí)具有更強(qiáng)的理論性，同時(shí)涉及到許多生活現(xiàn)象和科學(xué)技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，因此TPACK理論在物理學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，更能夠發(fā)揮出它的有效性，對(duì)于物理教師的教學(xué)具有更加深刻的含義.

首先，可視技術(shù)降低物理認(rèn)知難度.新課標(biāo)對(duì)高中物理提出了新要求，許多內(nèi)容要求學(xué)生具有一定邏輯思維能力和空間想象能力.比如電磁學(xué)部分，就涉及到電流運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)分布等十分抽象的內(nèi)容，由于這些內(nèi)容不能被學(xué)生直接觀察到，因此教師在講解這部分知識(shí)時(shí)就需要借助現(xiàn)代化可視技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)將內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生，以便于學(xué)生觀測(cè)到其中蘊(yùn)含的物理規(guī)律[4].

其次，信息技術(shù)提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.高中物理知識(shí)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，很多內(nèi)容都需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證，在教學(xué)過(guò)程中也會(huì)使用到各種實(shí)驗(yàn)器材.目前課本上許多實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步拓展，教師可以進(jìn)行積極探索，將物理課本上的實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，使原本難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)具有更強(qiáng)的可行性，幫助部分實(shí)驗(yàn)獲得更佳的演示效果，還可以提升一些實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力，以便于學(xué)生更好地理解知識(shí).

最后，新課改要求信息技術(shù)與物理知識(shí)相融合.物理新課標(biāo)教材中與信息技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容明顯增多，比如傳感器內(nèi)容、DIY實(shí)驗(yàn)板塊以及提供學(xué)習(xí)資源的網(wǎng)絡(luò)鏈接等，這些內(nèi)容的添加也進(jìn)一步說(shuō)明信息時(shí)代下物理教學(xué)也應(yīng)該注重對(duì)信息技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)科教學(xué)與信息技術(shù)相融合已經(jīng)成為教學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì)所在[4].

3 TPACK理論應(yīng)用策略及實(shí)施方案

3.1 應(yīng)用策略

傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)下的物理課堂往往是教師圍繞著知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行單一的知識(shí)講解和習(xí)題訓(xùn)練，往往忽視了教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中的信息技術(shù)因素，同時(shí)教師也缺少對(duì)教學(xué)方法和信息技術(shù)的整合使用，常常局限于通過(guò)多媒體課件向?qū)W生展示一些基本概念和演示實(shí)驗(yàn)，而在TPACK理論指導(dǎo)下教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)能夠在學(xué)科教學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上將信息技術(shù)與學(xué)科知識(shí)和教學(xué)法知識(shí)相結(jié)合，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容在選擇不同的教學(xué)方法并結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)手段輔助教學(xué)，以達(dá)到最好的教學(xué)效果.

將TPACK理論實(shí)踐于教學(xué)當(dāng)中，教師首先應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變以往的傳統(tǒng)教學(xué)觀念，從物理教學(xué)觀、物理學(xué)習(xí)觀、信息技術(shù)觀3個(gè)方面出發(fā)樹(shù)立整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)統(tǒng)領(lǐng)性觀念[4]，從思想上理解并認(rèn)同信息技術(shù)在物理教學(xué)中的重要價(jià)值，懂得技術(shù)是手段而非目的，學(xué)會(huì)選擇合適的技術(shù)來(lái)呈現(xiàn)知識(shí)，從而達(dá)到教學(xué)目標(biāo).其次，教師應(yīng)當(dāng)創(chuàng)新教學(xué)方法，從教學(xué)策略、課堂管理、教學(xué)內(nèi)容3個(gè)方面出發(fā)將TPACK理論實(shí)踐于教學(xué)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，將信息技術(shù)融入到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，以此提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，拓展教學(xué)內(nèi)容.

3.2 實(shí)施方案(以“自由落體運(yùn)動(dòng)為例”)

設(shè)計(jì)思路：“自由落體運(yùn)動(dòng)”出自于魯科版高中物理教材必修1第三章第3節(jié)內(nèi)容，是繼勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和實(shí)驗(yàn)探究之后，要求學(xué)生掌握的一種具體的勻變速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)例.課本上實(shí)驗(yàn)探究部分利用牛頓管了進(jìn)行驗(yàn)證，但實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有對(duì)抽真空前后牛頓管內(nèi)壓強(qiáng)進(jìn)行定量描述，并且實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程需要學(xué)生用肉眼觀察管內(nèi)物體下落的時(shí)間是否一樣，由于牛頓管內(nèi)物體做自由落體運(yùn)動(dòng)存在高度小、距離短的問(wèn)題，因此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠直觀，學(xué)生觀察起來(lái)比較困難，這給學(xué)生理解知識(shí)造成了不便[5].而如果教師使用DIS技術(shù)，通過(guò)壓強(qiáng)傳感就可以直接測(cè)量出牛頓管內(nèi)氣體壓強(qiáng)的數(shù)值，學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著壓強(qiáng)數(shù)值的減小(真空狀態(tài)下壓強(qiáng)值最小)牛頓管內(nèi)物體下落時(shí)間越來(lái)越接近，當(dāng)管內(nèi)處于真空狀態(tài)時(shí)，兩物體就會(huì)同時(shí)落到牛頓管底部，這樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程就更加具有說(shuō)服力，學(xué)生對(duì)自由落體概念的理解也會(huì)更加透徹.最后在研究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)時(shí)，使用手機(jī)APP軟件VernierVideo Physics就能得到物體做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像和相關(guān)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)就可以對(duì)物體下落的規(guī)律進(jìn)行定量分析，得出自由落體運(yùn)動(dòng)是一種勻變速直線運(yùn)動(dòng)[5].這樣通過(guò)將教學(xué)內(nèi)容知識(shí)與信息技術(shù)方法相融合，有效解決了之前教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)造操作不便和誤差大的問(wèn)題.

“自由落體運(yùn)動(dòng)”的TPACK體系分析如表1所示.

表1 “自由落體運(yùn)動(dòng)” TPACK體系分析

3.3 主要教學(xué)環(huán)節(jié)

(1)自由落體運(yùn)動(dòng)概念

演示實(shí)驗(yàn)1：讓紙片和小鋼球在同一高度同時(shí)自由下落，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果教師向?qū)W生介紹亞里士多德的觀點(diǎn).

演示實(shí)驗(yàn)2：將紙片揉成紙團(tuán)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，為什么同一張紙片前后下落時(shí)間不同？

分析實(shí)驗(yàn)：教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的原因——空氣阻力的存在,并向?qū)W生介紹伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)以及他的觀點(diǎn).

提出問(wèn)題：當(dāng)物體處于真空中時(shí)，從同一高度同時(shí)自由下落，現(xiàn)象應(yīng)該如何呢？

牛頓管實(shí)驗(yàn)探究：學(xué)生4人為一組，每組分得一個(gè)有機(jī)玻璃管、小鐵球、羽毛、真空泵、壓強(qiáng)傳感器(圖1).教師指導(dǎo)各小組學(xué)生按照PPT上的圖依次連接各個(gè)實(shí)驗(yàn)器材.在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，教師需要向?qū)W生解釋真空是一種理想狀態(tài)，沒(méi)有絕對(duì)真空存在，一般低于一個(gè)大氣壓力(101 kPa)的氣體狀態(tài)就可以視為真空狀態(tài).學(xué)生連接好實(shí)驗(yàn)器材后打開(kāi)真空泵就可以將牛頓管中的空氣排出，隨著空氣排出，管內(nèi)就逐漸接近真空狀態(tài).抽真空過(guò)程中通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的壓強(qiáng)傳感器可以將管內(nèi)氣體壓強(qiáng)的具體數(shù)值測(cè)量出來(lái)，學(xué)生就可以目測(cè)到管內(nèi)壓強(qiáng)的變化過(guò)程(圖2),在這一過(guò)程中可以進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)比每次實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)物體的下落情況，可發(fā)現(xiàn)隨著牛頓管內(nèi)氣體被抽出，管內(nèi)達(dá)到真空狀態(tài)時(shí)小鐵球和羽毛就會(huì)同時(shí)落至底部.

圖1 牛頓管實(shí)驗(yàn)的器材

圖2 抽真空前后壓強(qiáng)值

根據(jù)牛頓管實(shí)驗(yàn)可得出在真空條件下物體所做的運(yùn)動(dòng)就是自由落體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而總結(jié)出“自由落體”運(yùn)動(dòng)的定義.教師要向?qū)W生指出“只受重力”是一種理想狀態(tài)，由于地球表面附近的物體都會(huì)受到一定空氣阻力，因此實(shí)際上只要物體所受的空氣阻力遠(yuǎn)小于自身重力就可以視為自由落體運(yùn)動(dòng).

(2)自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)

利用手機(jī)APP軟件Vernier Video Physics研究小鐵球的自由落體運(yùn)動(dòng).首先使用手機(jī)攝像功能先錄制一段小鐵球做自由落體運(yùn)動(dòng)的完整視頻，然后打開(kāi)軟件將錄制好的視頻導(dǎo)入進(jìn)去，點(diǎn)擊“Track”就可以獲得小鐵球下落過(guò)程中的一系列位置，進(jìn)而生成y-t圖像(圖3)和v-t圖像，如圖4所示，最后根據(jù)圖像和軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算分析就可以得到小鐵球自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)：初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度為g.由圖3我們不難發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間關(guān)系為二次函數(shù)關(guān)系，基本符合

圖3 y-t圖

圖4也基本符合線性關(guān)系

圖4 v-t圖

v=gt

對(duì)其進(jìn)行誤差分析得出可能是由于空氣阻力的影響，點(diǎn)2有些偏離.

采用這種方式可以改善使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)不便捷的問(wèn)題，學(xué)生只需要一部手機(jī)就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)操作流程也較為方便，過(guò)程較為直觀，學(xué)生眼中看到的自由落體運(yùn)動(dòng)被手機(jī)軟件復(fù)制轉(zhuǎn)化為清晰明了的位移-時(shí)間和速度-時(shí)間圖像，避免了在使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要將物體下落過(guò)程和小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行同一轉(zhuǎn)化，同時(shí)借助手機(jī)軟件來(lái)研究物理知識(shí)更能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)滲透進(jìn)課堂，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)和創(chuàng)新思維.

(3)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

學(xué)生利用軟件得到自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)后，教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)之前所學(xué)勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)一步總結(jié)出自由落體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)公式，完善知識(shí)體系.

4 結(jié)束語(yǔ)

基于以上分析，教師在將TPACK理論應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中時(shí)，應(yīng)該深刻理解構(gòu)成該理論的三要素技術(shù)知識(shí)(TK)、教學(xué)知識(shí)(PK)、內(nèi)容知識(shí)(CK)是既相互獨(dú)立又相互融合的，在應(yīng)用時(shí)不能孤立地看待這3類知識(shí)，教師應(yīng)該積極思考，以內(nèi)容知識(shí)作為切入點(diǎn)，找尋合適的教學(xué)知識(shí)和技術(shù)知識(shí)使其相互配合，將內(nèi)容知識(shí)以最佳方式呈現(xiàn)給學(xué)生[6].此外，本文對(duì)具體學(xué)科知識(shí)進(jìn)行TPACK體系分析和教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該理論一方面有利于教師專業(yè)素養(yǎng)的提升，增強(qiáng)教師對(duì)信息技術(shù)的使用,促進(jìn)教師教學(xué)方法的變革，完善教學(xué)過(guò)程中的不足，提高教學(xué)效率；另一方面有利于培養(yǎng)新時(shí)代創(chuàng)新型人才，TPACK理論指導(dǎo)下的課堂和信息技術(shù)是深度融合的，學(xué)生不僅可以完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握很久以前科學(xué)家們的智慧結(jié)晶，還可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)信息技術(shù)的使用，了解一些較為前沿的學(xué)科成果，幫助學(xué)生開(kāi)闊眼界[7].總之，TPACK理論為廣大教師進(jìn)行信息技術(shù)化教學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上教師可以不斷探索學(xué)習(xí)，提高自身水平，改善教學(xué)效果，同時(shí)促進(jìn)教育信息化發(fā)展.