基于 TPACK的科學(xué)教育專業(yè)基礎(chǔ)物理課程設(shè)計(jì)及實(shí)踐

齊海燕 張永恒

【摘要】以科學(xué)教育專業(yè)為背景，針對目前基礎(chǔ)物理課程存在的問題，引入 TPACK 框架，優(yōu)化精選學(xué)科內(nèi)容;采用線上線下混合式教學(xué)，堅(jiān)持以問題為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計(jì);選擇具有通用性和先進(jìn)性的技術(shù)平臺和技術(shù)手段為課程服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，從而達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】TPACK? 科學(xué)教育? 物理? 教學(xué)設(shè)計(jì)

【基金項(xiàng)目】吉林省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題《科學(xué)教育師范生整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識（TPACK）發(fā)展研究》（編號：GH16451）;吉林省教育廳人文社科研究項(xiàng)目《基于TPACK框架的科學(xué)教育師范生發(fā)展現(xiàn)狀與策略研究》（編號：JJKH20170675SK）。

【中圖分類號】G64 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2022）07-0178-03

根據(jù)國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室發(fā)布的《數(shù)字中國發(fā)展報(bào)告（2020年）》，截至2020年底，98.35%的中小學(xué)配備了多媒體教室，99.92%的學(xué)校出口帶寬達(dá)到了100M，中小學(xué)互聯(lián)網(wǎng)接入率達(dá)到100%[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)及信息技術(shù)的普及，《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》[2]和《“十三五”國家信息化規(guī)劃》[3]的落實(shí)，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”“信息技術(shù)+教育”推動了虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、AI人工智能等全新技術(shù)融入到傳統(tǒng)課堂。

而教師作為懂教育和懂技術(shù)的專業(yè)群體，可以根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容，基于TPACK框架選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和技術(shù)手段進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是能夠?qū)W(xué)科內(nèi)容知識（CK）、教學(xué)法知識（PK）和技術(shù)知識（TK）這三者有機(jī)平衡和融合，為傳統(tǒng)課堂教學(xué)帶來技術(shù)革新，也為學(xué)習(xí)者提供充足的學(xué)習(xí)動力。

1.TPACK框架與內(nèi)涵

2005年，TPACK（Technological Pedagogical Con？鄄tent Knowledge）理論由米什拉（Mishra）與科勒（Koehler）提出。TPACK框架理論詳細(xì)地闡述了三種基本元素CK（學(xué)科內(nèi)容知識）、PK（教學(xué)法知識）、TK（技術(shù)知識）及其復(fù)合元素（TCK、PCK、TPK）之間的關(guān)聯(lián)與意義[4]，如圖1所示。

成功的TPACK教學(xué)應(yīng)該覆蓋所有教學(xué)內(nèi)容，貫穿整個(gè)多維度教學(xué)過程。教師需要熟悉技術(shù)運(yùn)用的原則，深刻理解不同的教學(xué)內(nèi)容，做到教學(xué)方法的創(chuàng)新，從而達(dá)到信息技術(shù)與教學(xué)設(shè)計(jì)的融合[5]。

2.科學(xué)教育專業(yè)基礎(chǔ)物理課程教學(xué)現(xiàn)狀

科學(xué)教育（Science Education）屬教育學(xué)類本科專業(yè)，該專業(yè)培養(yǎng)的人才具有良好的思想道德品質(zhì)、扎實(shí)的自然科學(xué)知識和較強(qiáng)的科學(xué)教育能力，能勝任中小學(xué)科學(xué)教師或綜合實(shí)踐活動教師工作，以及在教育科研部門、公共事業(yè)單位從事科普工作的復(fù)合型人才[6]。

基礎(chǔ)物理學(xué)是科學(xué)教育專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，與其他理工科專業(yè)開設(shè)的大學(xué)物理課程相比，除了要求學(xué)生具備清晰的物理思維及分析能力，善于觀察細(xì)節(jié)、頭腦靈活，形成自己的思維模式之外，還對學(xué)生提出了更高的要求，即應(yīng)能將物理知識、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)知識進(jìn)行整合和遷移，形成綜合的知識結(jié)構(gòu)和跨學(xué)科的思維方式。

目前，傳統(tǒng)課堂下的基礎(chǔ)物理教學(xué)存在著以下問題：

（1）教學(xué)理念落后，教師仍以教為中心。教師是學(xué)習(xí)過程的主體，而學(xué)習(xí)者卻淪為客體。無論教學(xué)質(zhì)量如何，學(xué)生只能被動適應(yīng)，甚至對教師所講毫不懷疑。

（2）教學(xué)方法單一，以講授法為主。以講授法為主的教學(xué)雖然課堂效率高，但弊端也十分明顯。似乎教師無所不知，學(xué)生一無所知，學(xué)習(xí)者的主觀能動性完全被忽略。偶爾的課堂提問更傾向于固定答案的提問，而非學(xué)生的自主思考和探索。

（3）教學(xué)內(nèi)容過于理論化，過分強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)推導(dǎo)?？茖W(xué)教育專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生成為中小學(xué)科學(xué)教師、綜合實(shí)踐活動教師或從事相關(guān)科普工作。因此一味強(qiáng)調(diào)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，忽視對物理規(guī)律簡潔的定性描述，并不利于科學(xué)教育專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

（4）忽視理論與生活實(shí)際及工程技術(shù)實(shí)踐的聯(lián)系。長期的應(yīng)試教育，造成了教師和學(xué)生都傾向于解決標(biāo)準(zhǔn)化的、易批改的規(guī)范性問題，而對這些標(biāo)準(zhǔn)化問題的來源，即實(shí)際生活和工程技術(shù)中的復(fù)雜真實(shí)問題則視而不見。教學(xué)和實(shí)際脫節(jié)，給學(xué)生造成課堂講授的知識永遠(yuǎn)是“紙上談兵”的錯(cuò)覺。

（5）課堂上信息技術(shù)與教學(xué)的融合較為薄弱。課堂上信息技術(shù)應(yīng)用被簡單地理解為平臺、軟件及各種多媒體技術(shù)的羅列。教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)的呈現(xiàn)沒有達(dá)到相輔相成的深度融合。課堂有限的時(shí)間內(nèi)，不加選擇和缺乏設(shè)計(jì)的追求技術(shù)，只能是脫離了內(nèi)容的炫技。

3.基于TPACK的基礎(chǔ)物理課程設(shè)計(jì)原則

以TPACK框架為依據(jù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)科學(xué)教育專業(yè)師范生的學(xué)情以及基礎(chǔ)物理的課程特點(diǎn)，將三種基本要素進(jìn)行重構(gòu)和有機(jī)融合，以取得更好的教學(xué)效果[7]。

3.1優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，選擇經(jīng)典，精選前沿，緊密聯(lián)系實(shí)際（CK）

基礎(chǔ)物理的教學(xué)內(nèi)容常常以力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子物理幾部分獨(dú)立劃分，對于實(shí)際復(fù)雜問題中多種物理規(guī)律的融合運(yùn)用體現(xiàn)得不明顯。針對科學(xué)教育專業(yè)，需要將物理、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)知識進(jìn)行整合和遷移，形成綜合的知識結(jié)構(gòu)和跨學(xué)科的思維方式。因此在內(nèi)容選擇和優(yōu)化上建立了物質(zhì)與時(shí)空、運(yùn)動與相互作用、能量轉(zhuǎn)化與守恒、波和粒子四大專題，力求闡述清楚各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中物理規(guī)律的內(nèi)在本質(zhì)聯(lián)系。

另外，設(shè)立前沿物理專題、物理與工程專題、物理與社會專題，以科普學(xué)術(shù)報(bào)告和專題講座的形式，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)拓寬知識面，開闊視野的機(jī)會。

3.2 重構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)，兼用多種教學(xué)方法，開展豐富的學(xué)習(xí)活動，推進(jìn)多元評價(jià)，引導(dǎo)主動學(xué)習(xí)（PK）

以學(xué)習(xí)者為中心，重構(gòu)基礎(chǔ)物理課程學(xué)習(xí)目標(biāo)。在以往的教學(xué)中，從教師視角而非學(xué)習(xí)者視角設(shè)計(jì)課程，因此常常把學(xué)習(xí)目標(biāo)稱為教學(xué)目標(biāo)[8]。但在以學(xué)為中心的教學(xué)中，學(xué)習(xí)者是課程的主體，學(xué)習(xí)目標(biāo)是整門課程的基礎(chǔ)，統(tǒng)領(lǐng)課程的其余部分，同時(shí)也為學(xué)習(xí)者提供清晰和明確的努力方向。這是在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、選擇教學(xué)方法和采納信息技術(shù)之前不可或缺的重要步驟，通過明晰學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師建立良好的評價(jià)準(zhǔn)則，并且向?qū)W習(xí)者說明，以達(dá)到要求的學(xué)習(xí)成果。

科學(xué)教育專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)政治信念堅(jiān)定，師德高尚，扎實(shí)掌握自然科學(xué)和教育科學(xué)基本知識和技能，具有跨學(xué)科思維和教學(xué)能力，能在小學(xué)、教育機(jī)構(gòu)從事教學(xué)與教研工作的骨干科學(xué)教師[9]。根據(jù)此培養(yǎng)目標(biāo)重構(gòu)了基礎(chǔ)物理課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，即掌握物理學(xué)的基礎(chǔ)知識，理解物質(zhì)運(yùn)動和相互作用的基本規(guī)律，能運(yùn)用物理學(xué)知識解釋常見自然現(xiàn)象、解決生活中的一些物理問題;通過觀察現(xiàn)象、提出問題、分析問題和解決問題的過程，掌握物理學(xué)中的研究方法，培養(yǎng)科學(xué)思維能力;能將物理、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)知識進(jìn)行整合和遷移，形成綜合的知識結(jié)構(gòu)和跨學(xué)科的思維方式;培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，勇于創(chuàng)新的科學(xué)意識與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)。

精心設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)目標(biāo)相一致的學(xué)習(xí)活動，堅(jiān)持以問題為導(dǎo)向，推進(jìn)線上線下混合式教學(xué)。除作業(yè)、隨堂測驗(yàn)、期末筆試傳統(tǒng)考核方式外，教師還可以對主題討論、分組任務(wù)表現(xiàn)以多元動態(tài)的方式做出綜合評價(jià)。針對每節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，線上布置以問題為導(dǎo)向的課前任務(wù)，線下分組合作完成。以分組展示形式在線下課程完成基本概念回顧、典型例題講解、實(shí)際問題分析等學(xué)習(xí)活動。線上開展主題討論并建立討論量規(guī)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與，根據(jù)討論參與程度做出評價(jià)。

3.3 充分利用各種網(wǎng)絡(luò)平臺、現(xiàn)代化信息技術(shù)，推進(jìn)線上與線下混合教學(xué)（TK）

技術(shù)平臺應(yīng)具有通用性和先進(jìn)性，為課程服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，并有助于學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用超星泛雅、雨課堂、中國大學(xué)MOOC等平臺實(shí)現(xiàn)課程資源的共享，輔助教師與學(xué)習(xí)者線上線下互動。利用平臺的便利性完成課堂的分組討論、作業(yè)布置、隨堂測驗(yàn)等學(xué)習(xí)活動。同時(shí)可以利用數(shù)學(xué)軟件GeoGebra（簡稱GGB）演示物理量隨時(shí)間的演化過程，讓學(xué)習(xí)者直觀感受各物理量之間的關(guān)聯(lián)性。制作符合科教教育專業(yè)學(xué)生的視頻微課，以便學(xué)生復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)。

4.基于TPACK的基礎(chǔ)物理課程設(shè)計(jì)實(shí)踐

圓周運(yùn)動是基礎(chǔ)物理中運(yùn)動學(xué)的重要內(nèi)容，以本節(jié)課為例，基于TPACK框架理論對課程進(jìn)行設(shè)計(jì)并分析圓周運(yùn)動課程設(shè)計(jì)中的TPACK各元素，如表1所示。

根據(jù)科學(xué)教育專業(yè)的特點(diǎn)，明確圓周運(yùn)動本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，重新設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動并給出評價(jià)量規(guī)：

（1）圓周運(yùn)動的學(xué)習(xí)目標(biāo)：準(zhǔn)確闡述切向加速度和法向加速度的物理意義;說出線量與角量的量值關(guān)系;會計(jì)算勻變速圓周運(yùn)動的基本問題;簡單定性分析生活中的勻變速圓周運(yùn)動問題。

（2）圓周運(yùn)動的學(xué)習(xí)活動：課前自主觀看線上知識點(diǎn)微課;線下課堂對微課視頻提出的問題進(jìn)行啟發(fā)式問答或分組討論;線上開展主題討論，線下課堂分組展示討論成果;線下課程結(jié)束后，完成線上作業(yè)。

（3）圓周運(yùn)動的分組任務(wù)（PBL）設(shè)計(jì)：夏季奧運(yùn)會以及冬奧會中有哪些項(xiàng)目屬于圓周運(yùn)動或曲線運(yùn)動？每組選取一種體育項(xiàng)目對其運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。

（4）圓周運(yùn)動的分組主題討論開展：道路修建、鐵軌鋪設(shè)等工程問題中都會出現(xiàn)曲線部分即彎道，結(jié)合本節(jié)課所學(xué)的圓周運(yùn)動并查找相關(guān)資料，談?wù)勥@些實(shí)際問題中的技術(shù)問題。

（5）主題討論評價(jià)量規(guī)：如表2所示。

5.總結(jié)

課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)并不唯一，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，無論哪種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則必須考慮到技術(shù)對課程設(shè)計(jì)的影響。無疑TPACK框架理論可以三種要素相融合，意味著技術(shù)運(yùn)用也需要納入到課程設(shè)計(jì)中。因此，在真正運(yùn)用TPACK框架理論時(shí)，仍然要在深刻理解學(xué)科知識，熟練運(yùn)用教學(xué)方法的前提下，做到讓技術(shù)服務(wù)于學(xué)習(xí)者和課程本身，而非單單作為資源的載體。

推行基于TPACK的基礎(chǔ)物理課程設(shè)計(jì)改革，堅(jiān)持以問題為導(dǎo)向，以學(xué)習(xí)者為中心，重構(gòu)適合科學(xué)教育專業(yè)的基礎(chǔ)物理課程學(xué)習(xí)目標(biāo)。將傳統(tǒng)講授法與討論法、問題導(dǎo)向法等多種教學(xué)方法相結(jié)合，借助先進(jìn)信息技術(shù)平臺，推進(jìn)線上線下混合式教學(xué)。實(shí)踐表明，TPACK 框架下的普通物理課程教學(xué)有助于提高學(xué)習(xí)者的參與度、激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的內(nèi)驅(qū)力，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的協(xié)同合作能力。同時(shí)教師團(tuán)隊(duì)也逐漸由懂知識過渡為懂教學(xué)，最終成長為懂設(shè)計(jì)和懂技術(shù)的卓越教師。

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