基于TPACK理論的高中物理新授課教學設計
——以“牛頓第一定律”為例

謝宇航 范兵 蔡亞璇

(湖北大學物理與電子科學學院 湖北 武漢 430062)

2022年2月9日，教育部官網發布《教育部基礎教育司2022年工作要點》，總體要求包括：大力實施基礎教育數字化戰略行動，不斷深化基礎教育綜合改革.為了達到這一目標，文件給出了具體的工作辦法：深化信息技術應用改革[1].由此可以看出國家非常重視教學與信息技術的整合，將信息技術融入到物理課堂中已經成為一種趨勢.如何能在高中物理課堂中把信息技術恰當地、有效地加以應用，是物理教育工作者需要關注的焦點.

1 TPACK簡介

從20世紀80年代起，大量學者對教師教育進行了研究，提出了許多教師知識結構模型，其中最有代表性的模型是美國教授舒爾曼(Shulman)提出的學科教學知識(Pedagogical Content Knowledge，PCK)，他認為PCK就是以別人可以理解的方式表達和形成學科知識的知識形式[2].信息技術的高速發展促進著教學的變革，來自美國密歇根州立大學的馬修·科勒(Matthew J.Koehler)和龐雅·米什拉(Punya Mishra)兩名學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理論基礎上融入技術知識(TK)所形成的有關教師知識結構的新框架.TPACK理論由3種基本元素——技術知識(TK)、教學法知識(PK)、學科內容知識(CK)和4種復合元素——整合技術的教學法知識(TPK)、整合技術的學科內容知識(TCK)、學科教學法知識(PCK)、整合技術的學科教學法知識(TPACK)組成[3]，TPACK理論還包括了在進行教學活動時所處的境脈(Context).TPACK框架如圖1所示.在進行高中物理教學設計時，以TPACK理論為指導，將基本元素有機地結合在一起，采用合適的信息技術將CK予以表征，采取合適的教學策略和教學活動，結合學生的學習情況，組織設計一堂好課，以此在教學實踐中加深學生對知識的理解，培養學生核心素養，達到更好的教學效果.

圖1 TPACK框架結構示意圖

2 TPACK視域下的教學設計

教師在編寫教學設計時，首先根據實際情況作出教材分析、學情分析，進而制定出教學目標，在教學過程中運用TPACK理論，把教學內容、教學法和技術加以融合，對于不同的教學內容采用學生容易理解的信息技術和符合學生身心發展規律的教學方法.

以高中物理“牛頓第一定律”為例，作出具體的教學安排，如圖2所示.

圖2 “牛頓第一定律”教學流程圖

采用TPACK理論教學可以打破傳統的“教師講、學生聽”的單一講授法的教學方式，利用信息技術創設物理情境可以讓物理課堂從枯燥解題變成積極探討[4]，學生能夠更深入地掌握知識點，形成物理觀念，發展學生的物理核心素養，從而提高教學質量.

以TPACK理論為指導，對“牛頓第一定律”進行知識分析，如表1所示.

表1 “牛頓第一定律”教學中的TPACK知識分析

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：同學們，大力士是如何讓汽車前進的？

生：他通過粗繩給了汽車一個很大的拉力.

師：大力士停止拉動汽車，大家觀察到了什么現象？

生：汽車立刻就停止運動了.

師：這一現象就說明物體受力就會運動，不受力就會靜止,所以我們暫且認為力是維持物體運動的原因，但它的正確性仍有待商榷.

設計意圖：通過視頻(TCK)創設物理情境引入新課，讓學生思考力與運動的關系.教師結合物理現象，誤導學生得出謬論，與正確觀點形成對比，為學生樹立正確的物理觀念打下基礎.

2.2 演示實驗

師：下面我們一起進行實驗，驗證剛才結論的正確性.老師用手推動小車，撤去推力后，同學們觀察到什么現象了？(如圖4所示)

圖4 手推小車實驗

生：小車沒有立刻停下來，運動一段距離后停止了.

師：小車在滑行的這段距離時，沒有受到手給它的推力，但是卻處于運動狀態，這一現象說明剛才得出的結論——力是維持物體運動的原因是錯誤的.那小車為什么會慢慢停下來呢？

生：因為小車受到了桌面的摩擦力.

師：摩擦力讓小車從運動變成靜止，那么力改變了物體的運動狀態，說明力是改變物體運動狀態的原因.

設計意圖：運用直觀演示法進行教學(PCK)，通過事實與經驗相違背，活躍課堂氣氛，激發學生的探究興趣，真正理解力與運動的關系.

2.3 探究實驗

通過多媒體課件向學生展示(TCK)我國古代著名教育家墨子所提出的“力，刑之所以奮也”，介紹墨子的物理學成就，弘揚我國優秀的傳統文化，培養學生的愛國情懷.教師向學生講解亞里士多德的事跡，讓學生認識到亞里士多德忽略了摩擦力的影響從而提出的錯誤觀點，引導學生正確評價亞里士多德對科學發展的貢獻及其歷史局限性，弘揚尊重事實的科學態度，培養學生的物理核心素養.

師：在公元前4世紀，亞里士多德通過對日常生活的觀察，提出了“力是維持物體運動的原因”這一錯誤觀點，而這一觀點持續約2 000年.伽利略敢于挑戰權威，通過伽利略斜面實驗證明了自己的觀點.

教師操作NOBOOK虛擬實驗軟件(TK)，讓小球沿一個斜面從靜止滾下，小球將滾上另一個斜面，不計摩擦阻力.教師首先調整第二斜面與地面的夾角為θ1，點擊“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.當第二斜面與地面夾角為零時，即θn=0，小球會沿著水平面持續運動下去，如圖5(d)所示.將實驗數據記錄到表2中，分析并得出結論：如果沒有摩擦阻力，運動的物體將保持這個速度一直運動下去.

圖5 NOBOOK虛擬實驗(斜面夾角逐漸減小)

表2 探究斜面夾角與小球上升高度關系

教師向學生介紹笛卡爾在物理學方面的貢獻：笛卡爾明確了物體做勻速直線運動的條件，指出了力是改變物體運動狀態的原因等.教師繼續講解牛頓是在伽利略、笛卡爾等科學家的理論基礎上提出的牛頓第一定律，并對牛頓第一定律中的關鍵點詳細解讀，例如“一切物體”.為了深化學生對理論知識的理解，教師播放神舟十三號“天宮課堂”視頻，即航天員在空間站中向前方拋出物體，物體做勻速直線運動，如圖6所示.

圖6 太空拋物實驗

設計意圖：讓學生意識到規律的發現并非一蹴而就，它需要人們不斷的探索，培養學生不畏權威、勇于探索的精神.通過信息技術讓學生充分理解伽利略斜面實驗，學會伽利略將實驗與邏輯推理相結合的方法(TPACK).通過向學生介紹物理學史，展現不同物理學家的研究方法與貢獻，讓學生意識到人們解決力與運動關系的曲折性.在“天宮課堂”視頻中滲透愛國主義教育，不僅降低了學生的理解難度，且培育了學生的民族認同感和自豪感.

2.4 慣性及其大小

運用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動，當小車撞擊到障礙物后，小車立刻停止運動，這是什么原因呢？

生：障礙物給了小車一個阻力，改變了小車的運動狀態.

師：小車上的物塊沒有受到障礙物的阻力，仍然保持向右運動狀態，于是向右傾倒.這是因為物塊具有慣性，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，這一現象就說明靜止的物體同樣具有慣性.那么物體具有保持原來靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質，我們把這種性質稱為慣性.

教師擺放好實驗器材：鐵架臺、細線、體積相同的乒乓球和鐵球.學生們分別吹動乒乓球和鐵球，會發現鐵球更難以吹動.從而引導學生得出結論：物體的質量越大，運動狀態越難以改變，慣性越大；物體的質量越小，運動狀態越容易改變，慣性越小.質量是慣性大小的唯一量度.

通過多媒體課件向學生展示在實際生活中的慣性利用與防止(TCK)，例如乘坐汽車時需系好安全帶、拍打衣服上的灰塵、防止汽車超載行駛等，培養高一學生理論聯系實際的能力.

設計意圖：通過Flash、實驗視頻、多媒體課件進行教學，能夠讓枯燥乏味的物理課堂變得豐富有趣.從感性認識出發，加深學生的理性認識，能夠調動學生學習的積極性，培養學生學以致用的能力.這種教學既解釋了生活現象，又讓學生學懂了理論知識.

3 教學反思

隨著經濟社會的不斷發展，信息技術變得多樣化，教師應當充分利用信息技術的優勢，把多樣化的技術應用到教學過程中，解決傳統教學中存在的棘手問題，把技術知識、教學法知識和學科內容知識有效地結合在一起，豐富學生的感性認識，提高學生對知識的吸收率.對此，筆者有以下幾點思考.

3.1 發揮TPACK的理論優勢

利用學?，F有的教學資源，將信息技術(Flash、多媒體課件、NOBOOK軟件等)融入到物理課堂，讓學生更為直觀地感受物理現象，讓傳統課堂中學生無法接受的枯燥知識，通過技術手段的整合，成為學生想學、愛學的感性知識.例如用計算機模擬物理實驗，采用投影的方式展現出來，學生觀察得更加清楚，教師操作更便捷，同時能夠實現在傳統教學中難以達到的實驗；將板書設計以多媒體課件的形式呈現，防止教師的書寫動作發散學生的注意力，縮短不必要的書寫時間，提高教學效率；通過多媒體課件帶領學生回顧物理學史，讓學生掌握人類對未知世界探索的歷程與方法，活躍思維，增強科學意識，培養學生的科學探究能力.

3.2 普及TPACK理論

將信息技術應用到教學中，能夠讓物理課堂變得生動有趣，讓無法完成的伽利略理想斜面實驗成為現實.但是信息技術在高中物理課堂的普及程度不夠高，大部分教師以提高學生考試分數為目的，或是認為運用技術占用太多教學時間，不愿意將傳統的講授課變成整合技術的物理課.因此，中學物理教師需要對TPACK理論進行系統性學習以更新教學理念，充分意識到信息技術的教學優勢.學校應當多鼓勵教師開展信息化教學，舉辦信息技術有關的學術講座，促進TPACK理論在中學物理教師中普及化.

3.3 合理運用現代信息技術

信息技術正在朝著多樣化的方向發展，這就使得教師有了更多教學方式的選擇.但是信息技術并不是一把萬能鑰匙，適用于一切教學方式，教師對信息技術的過度依賴會適得其反.例如在探究小車速度隨時間變化的規律、探究加速度與力和質量的關系時，一味采用多媒體軟件、NOBOOK虛擬實驗進行教學，會導致學生不理解實驗誤差，無法培養學生的動手能力和處理數據的能力.在教學過程中教師應將技術知識、教學法知識、學科內容知識有機融合，形成具有自身特色的教學模式.