TPACK理論框架下大學物理實驗教學設計與整合

范 婷，李金平

(石河子大學 理學院，新疆 石河子 832000)

整合技術的學科教學法知識(TPACK)，是美國密歇根州立大學的密舒拉和科勒教授于 2006 年正式提出的[1].TPACK知識由技術知識TK(Technologyknowledge)、教學法知識PK(Pedagogicalknowledge)、學科內容知識CK(Contentknowledge)3個核心要素互動產生，TPACK的理論框架要求教師在綜合考慮三者的基礎上，根據具體的教學情境需要，與具體學科融合，設計恰當的教學方案，有效地把技術整合到教學設計中.

大學物理實驗課程是高等院校理工農醫各專業課程體系中重要的基礎課程，其內容涉及面廣、實用性強，在引導學生掌握物理知識與技能、培養實踐動手能力、提高科學研究素養、提升參與實踐與科學研究內驅力、建立科學的世界觀、人生觀和價值觀方面具有非常重要和深遠的作用. 現有大學物理實驗教學模式存在許多問題，如：教學模式單一、教學資源難以有效利用、考評方式存在較大弊端、教學內容老化、不利于創新人才培養等[2].

利用信息技術彌補大學物理實驗教學中的不足，是提升教學質量的重要途徑. 目前現代教育技術手段在大學物理實驗教學中的應用已較多，如在實驗理論講授中，運用電子教案、實物投影和插播錄像等手段，將講課、演示和實驗結合起來[3]. 但是如何將技術有效整合到教學實踐中，利用技術優化教學內容，進行教學管理和教學組織實施，則需要在真實具體的情境中進行設計. 本文基于TPACK理論框架，從教學內容、教學方法、教學技術等3方面對大學物理實驗教學進行了深層次的整合與設計.

1 建構大學物理實驗TPACK教學框架

借鑒美國楊百翰大學蘇齊·考克斯(Cox)的 TPACK 精致化框架理論[4]，結合大學物理實驗課程具體教學實例，對整合技術的學科教學知識中各組成要素進行更加細致的界定，明確各元素復合的內在聯系和方式，提出了基于精細化整合技術的大學物理實驗課程學科教學知識框架，如圖1所示.

該框架包含大學物理實驗內容體系知識(CK)、大學物理實驗教學法知識(PK)和多媒體網絡等信息技術知識(TK)3個核心要素，還有4個由核心元素相互交織形成的復合要素，包括：

1)通過開放式學習建立大學物理實驗學科內容教學的教學法知識(PCK)；

2)通過資源共享建立大學物理實驗學科內容相應的信息技術知識(TCK)；

3)通過混合式教學整合信息技術的教學法知識(TPK)；

4)關注“境脈”因素，學生、教師、資源多因素協同作用，有效開展“教與學”的整合技術的大學物理實驗學科教學知識(TPACK).

此TPACK教學框架，堅持Blended learning的教育思想，兼取“傳遞—接受”和“自主—探究”二者之所長，形成 “有意義傳遞”和“教師主導下自主探究”相結合的教與學活動的新實驗教學理念和方法. 有助于培養大學生的實踐、創新能力及科學素養，從而促進適應社會與時代需求的創新人才的培養.

圖1 大學物理實驗TPACK教學框架

2 優化大學物理實驗教學內容體系(CK)，實現學生多元智能發展

大學物理實驗教學內容涵蓋力、熱、光、電、近代物理等知識，要求學生掌握并了解各種物理實驗背景、基本原理、實驗裝置的工作原理及使用方法，旨在培養學生獨立思考、查閱資料、確定實驗原理和方法、物理過程公式推導、實驗方案設計、合理選擇實驗儀器設備等能力，培養大學生敏銳的觀察力、嚴謹的思維能力及實際操作能力.

TPACK框架下的大學物理實驗教學內容體系設置方案(圖2)遵循學生的認知規律，適應不同潛質的學生，達到提高“綜合實驗素養”的教學目標，培養學生多元智能. 具體有以下特點：

1)豐富教學內容，適應新時代大學生內在需求，開展系列化實驗. 面向一、二年級學生開設趣味演示實驗和基礎物理實驗，開放虛擬仿真實驗系統，在激發學習興趣和掌握基本技能后，面向三、四年級學生開設自組研究實驗和創新設計實驗.支持和鼓勵以“大學生創新創業訓練計劃項目”和“挑戰杯”等各級學生競賽做外延拓展，并安排骨干教師精心指導.

2)針對不同專業學生特點，因材施教，層次化教學，階梯式發展. 課程設置由淺入深，從基礎測量實驗、基礎應用實驗、綜合提高性實驗到設計研究性實驗，層層深入，符合循序漸進的教學規律，易于學生接受和掌握.

3)整合實驗項目，凝練實驗內容，以專題化形式開設綜合提高實驗. 專題包括基于同一實驗儀器的多項內容系列實驗(如圖2中專題1～專題5)，基于同一物理測量量的多種方法系列實驗(如圖2中專題6～專題9)，基于探測器的綜合測量系列實驗，基于計算機的可視化優化方案系列實驗等. 理論知識、實驗技能、專業素養三者融會貫通，全面提升實驗能力.

4)體現了以“學生為本”的教育理念，利用信息技術整合實驗內容體系，學生可通過網上選課預約系統及網絡教學平臺資源，在完成必修基礎實驗內容后，選修感興趣的綜合提高專題實驗和自組系列實驗，網上自修虛擬仿真實驗，申請開展研究創新性實驗. 實現面向學生不同層次的個性化學習.

圖2 大學物理實驗TPACK教學內容體系設置方案

3 開發信息技術(TK)支持下的教學資源，建設技術支持下的教學環境

基于“互聯網+”技術構建的實驗教學信息資源服務平臺可有效整合實驗資源，實現資源共享.在大學物理實驗教學資源建設中，利用“云計算”技術構建的資源平臺，為獲取、收集、整理各類實驗教學素材、課件等提供了更方便快捷的途徑，實驗資源可以在網絡上無限地添加和更新，所有教師和學生在實驗教學過程中都可以不斷地改進、充實教學資源庫，從而構建起開放的、可持續發展的實驗教學資源生態環境，更好地實現資源共享和優化利用[2].

如表1所示，構成大學物理實驗TPACK教 學信息資源服務平臺的4個模塊(網上實驗選排課系統、網絡教學平臺或微信公眾號、網上考評系統和虛擬仿真實驗系統)協同發揮作用，是整合教學內容、施展教學法的線上舞臺，綜合構建開放式教學環境，實現必修、選修和自修的個性化學習，面向不同層次學生開展專題化、系列化教學. 有助于提升學生課前實驗預習效果、課堂實驗教學效果、課后拓展研究效果、全面考核反饋效果.

表1 大學物理實驗TPACK教學信息資源服務平臺

TPACK教學框架下教學資源環境的建設，不僅要關注硬件技術的開發，還需要更多關注“軟件”建設. 提高教師信息化教學設計能力、信息化教學資源應用能力、信息化教學實施能力和信息化教學評價能力[5]. 分析學生學習特征和需求，創作出學生愛看、貼近生活、利于知識轉化成能力的課程特色微視屏及精品教學資源；有效開展播客單元、課程管理、答疑討論、作業測試、研究型教學等線上教學活動.

4 研究實踐教學策略，設計符合學情的探究型大學物理實驗混合式教學方法(PK)

大學物理實驗是學生開始科學研究的入門課程，通過不斷探索、解決實踐問題，從而培養創新和科研基本技能. 教師通過創設問題情境，培養學生興趣，激發并維持學生內源性學習動機，引導學生思考，明確解決問題的方向；學生在解決問題的過程中，給予自身反饋，自我激勵，最終解決全部問題，完成實驗，提升能力[6]. 探究型教學模式以學生的主體活動為中心，以內容、任務或問題為載體，引發學生探究與思考，從而展開基于問題的學習(PBL)[3]. 教師關注操作知識的綜合應用和實驗問題的創造性解決的“應用、分析、評價和創造”等高階思維活動，轉變為學生學習過程中的指導者、協助者和促進者.

在TPACK教學框架下將符合物理實驗規律的探究型教學策略，通過線上、線下模式開展混合式教與學活動. 如圖3所示，基于TPACK教學信息資源服務平臺，創設混合式教學環境，融入傳統教學方式和電子媒體信息技術優勢，使教學“主導”與“主體”密切結合起來，從而形成“教與學齊頭并進”的教學設計模式. 采用“創設實驗問題情境—分析論證實驗問題—制訂實驗解決方案—實施實驗方案—總結評價反思—創新設計實驗”的基于問題的流程,通過面對面講解、討論、實踐、評價、引導探究開展課堂教學活動；通過自主預習、協作討論、成果展示、研究互助、反饋評測開展在線教學活動；通過課程設置體現探究型實驗教學和研究性自主學習的個性化發展,使學生更易于實現學習遷移，從而大幅度提高實驗教學的水平和質量.

圖3 大學物理實驗基于問題的混合式教學模式

5 結 論

基于TPACK框架，從物理實驗學科內容知識、教學法知識、技術知識3個方面整合教學方案. 將大學物理實驗內容系列化、層次化、專題化、個性化，體現了以“學生為本”的教育理念；基于“互聯網+”技術構建實驗教學信息資源服務平臺，優化教育環境，實現資源共享；基于問題的混合式教學法，發展不同層級學生的創新思維，增強學生的實踐操作能力，內化學生的自主創新性研究能力. 利用信息技術整合實驗內容和教學法，學生可通過網上選課預約系統及網絡教學平臺資源，在完成必修基礎實驗內容后，選修感興趣的綜合提高專題實驗和自組系列實驗，網上自修虛擬仿真實驗，申請做研究創新性實驗. 實現面向學生不同層次的個性化學習，促進適應社會與時代需求的創新人才的培養.

參考文獻：

[1] Mishra P, Koehler M J．Technological pedagogical content knowledge: A framework for teacher knowledge [J]．Teachers College Record，2006(8):1017-1054．

[2] 李松,劉秀琴. “互聯網+”大學物理實驗教學體系構建[J]. 實驗技術與管理,2017,34(1):172-174.

[3] 池水蓮,石娟. 基于TPACK框架的大學物理實驗教學設計與應用[J]. 現代教育技術,2012,22(8):33-35.

[4] 戴錫瑩. 基于TPMK的數學教師教育技術知識構建研究[D]. 長春：東北師范大學，2014:18-25.

[5] 齊燦,張宏. TPACK框架下高校青年教師信息化教學能力的培養[J]. 中國成人教育,2017,(3):137-139.

[6] 蔣蕓,王亞芳,董愛國,等. 問題引導型物理實驗自主學習模式的探究[J]. 實驗室研究與探索,2017,36(8):237-239.