基于TPACK理論的高中物理課堂教學設計與思考
——以“探究加速度與力、質量的關系”為例

李紅偉

(廣州市第五中學 廣東 廣州 510240)

《普通高中物理課程標準( 2017年版)》中的基本理念提出：通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，來引導學生理解物理學的本質，增強學生的探究能力和解決實際問題的能力[1].信息技術走進課堂，給傳統的課堂教學注入了新鮮血液的同時，也為其帶來了新的挑戰.教師是課堂教學的設計者、組織者、參與者，是實現信息技術與學科教學深度融合的關鍵，教師在教學設計中選擇適當的技術，能極大提高課堂教學效率，提升教育教學質量，促進學生核心素養的發展.

1 TPACK理論框架

TPACK稱為整合技術的教學內容知識，是整合教學技術、教學知識和學科知識的理論框架.它由3個核心要素:內容知識(CK)、教學知識(PK)和技術知識(TK)，3個復合要素：教學內容知識(PCK)、技術內容知識(TCK)、技術教學知識(TPK)組成，整合技術的教學內容知識(TPACK)是以上6個要素相互作用的結果，如圖1所示.

CK是在課堂上教師需要傳授給學生的學科內容知識，主要是一些基本概念、原理、定律、方法等；PK是教師在課堂教學過程中所使用的方法知識，主要是將教育學、心理學的應用，以及教師在教學實踐中積累生成的教學技巧；TK分為傳統技術知識和現代技術知識，傳統技術是指黑板、幻燈片等低水平、機械化的技術，現代技術是指以計算機、網絡為核心的多媒體技術；PCK是教師通過各種方式手段將具體的學科知識內化給學生的知識；TPK是指在教學過程中將具體的技術與內容知識相互結合，從而達到提高教學效果的知識，如通過智能教學一體機技術激發學生學習興趣，促進師生互動、生生互動；TCK是指教師結合技術手段來講解或學習學科內容知識，以期達到更佳教學效果和學習效果的知識，如物理教師通常借助動畫來模擬展示微觀世界；TPACK 是指教師在教學過程中將教學技術、教學知識和學科知識深度融合，從而把學科內容知識有效地內化給學生的知識，TPACK水平越高，表明教師使用技術進行教學的能力越高.

圖1 TPACK框架及其知識要素

基于TPACK理論的教學設計是教師根據具體的教學情況恰當選擇教學方式、技術手段，從而實現教學內容、方法和技術的有效融合，促進自主學習、合作探究、師生互動活動的針對性、高效性，構建以生為本的生本課堂，提高學生學習興趣，幫助學生理解、掌握學習內容，從而達到有效地提升教育教學質量的目的.

2 基于TPACK理論的課堂教學案例分析

2.1 教學背景分析

“探究加速度與力、質量的關系”是人教版《物理》必修一第四章“運動和力的關系”第2節內容.《普通高中物理課程標準》共同必修模塊“物理1”中涉及本節的內容有：通過實驗，探究加速度與物體質量、物體受力的關系，理解牛頓第二定律[2].條目要求學生通過實驗，探究加速度、質量、力三者的關系，強調讓學生經歷實驗探究過程.本節內容安排在定性認識“運動與力”關系的“牛頓第一定律”之后，“牛頓第二定律”之前，不僅具有承上啟下的作用，還體現了學生對知識從易到難、 從定性到定量的認知規律.本節是一節實驗探究課， 通過探究加速度與力、質量的關系，得到這3個物理量之間的定量關系，為下一節得出牛頓第二定律F=Ma作鋪墊.

學生前面已經學習了牛頓第一定律，在生活中對加速度與力和質量的定性關系也具有一定的體驗，比較容易引出課題.學生在第一章“運動的描述”中做過測量紙帶平均速度和瞬時速度實驗，在第二章“勻速直線運動的研究”中做過探究小車速度隨時間變化的規律實驗，對于打點計時器的使用有一定的實驗操作能力，會根據紙帶記錄的運動信息進行數據分析求得加速度，故在本次實驗操作和數據處理等方面學生具備了一定的基礎.

2.2 教學過程設計

教學過程設計流程圖如圖2所示.

圖2 教學設計流程圖

2.3 主要教學環節

環節一：課前準備

教師提前做好資料收集，建好學生學習資源包，指導學生以學習小組為單位建立QQ群(或微信群).

教師提前布置小組學習任務:①測量物體質量的方法有哪些？ ②如何測量加速度和力的大小？ ③影響加速度大小的因素有哪些？④實驗數據處理的常用方法有哪些？

學習小組通過網絡搜索、查詢資源包等方式尋找答案，合作完成學習任務.

設計意圖：網絡環境下任務驅動學習模式可以培養學生自主探究，互教互學，相互影響、相互促進，共同成長.學習小組利用網絡、學習資源包進行學習，利用群聊進行交流；有利于學生獲取信息、處理信息能力的提升，有利于學生的團隊意識、合作能力、共享精神的培養.

環節二：成果匯報、提出問題

上課前，以小組為單位將課前準備成果以PPT、微視頻、投影等方式進行成果分享，組長做好匯報說明，教師做好點評、補充.

質量測量方法：天平；

力的測量方法：彈簧測力計、力傳感器等；

加速度的測量方法：打點計時器、光電門、頻閃照相、加速度傳感器等；

實驗數據處理方法：列表法、計算法、圖像法等.

復習牛頓第一定律，列舉生活中的事例，得出加速度的大小與力、質量有關.

引導學生猜想：加速度的大小與合外力、物體的質量應該有怎樣的定性關系？(加速度隨合外力的增大而增大，即加速度可能與合外力成正比；加速度隨物體質量的增大而減小，即加速度可能與物體的質量成反比)

設計意圖：小組利用PPT、微視頻、投影等技術進行成果匯報，各小組學生各抒己見，取長補短，有助于培養學生合作交流意識.通過列舉生活實例，讓學生有直觀感受加速度與力和質量的定性關系；生產生活中往往需要知道加速度與力和質量的定量關系，才能夠真正解決實際問題，讓學生明確本節實驗探究內容的重要性.通過生活實例引導學生猜想，培養學生基于生活現象分析問題、提出問題、提出猜想假設，這是科學探究的重要環節，有利于培養學生的問題意識.

環節三：實驗設計

教師提出問題：采用什么方法研究加速度與力、質量的定量關系？(控制變量法：m一定，a與F的關系；F一定，a與m的關系)

小組討論實驗方法并設計實驗方案，畫出實驗裝置；教師利用投影、平板拍照等方式展示小組設計的不同方案，如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示.小組成員做好解釋說明，教師做好點評、完善.

圖3 設計方案

根據各組實驗方案，教師適時提出問題:怎樣消除摩擦力的影響?小組討論得出較好的解決方案：補償法平衡摩擦力和氣墊導軌.

設計意圖：實驗設計是本節內容的重難點，教學設計中需要給予學生足夠思考時間.教師圍繞學生“最近發展區”設計出一系列小問題,即“問題串”，學生進行拓展思考；小組成員共同設計方案，加強小組合作意識；教師利用投影、平板拍照等方式展示方案，加深學生對實驗方案的認識.在本環節中，教師引導學生合作解決問題，提高學生實驗探究的能力，提升了學生控制變量等方面的邏輯思維能力.

環節四：實驗探究

結合實驗室實際情況，選出其中1個方案，教師先演示實驗過程，同時利用希沃傳屏技術實現實時傳輸播放，讓學生了解實驗探究過程.

各小組動手操作實驗，老師巡視，小組操作過程中有較好的方面或比較典型的不足之處利用平板拍照，展示照片，共同討論.

設計意圖：教師先演示實驗過程，同時利用希沃傳屏技術實現實時傳輸播放，解決了可視性不好的問題，讓學生充分了解實驗探究的操作細節和注意事項.學生動手實驗時，教師巡視選擇典型問題利用平板拍照進行交流討論，利用技術為教學服務.本環節主要通過小組分工、合作、交流的方式進行，培養了學生的動手能力，提高了學生的團隊意識和合作精神，同時讓學生在探究過程中也能獲得成就感和自豪感.

環節五：數據處理

教師適時提出問題：有什么方法可以直觀地反映出物理量間的關系？通過學生討論，明確圖像法可以直觀地反映出物理量間的關系.

各小組同學利用坐標紙作出a-F,a-m圖像，發現a-m圖像是一條曲線.提出問題：加速度與質量的圖像應該怎么畫才能夠更準確直觀地呈現它們之間的關系？讓學生分組討論得到最佳答案.

教師取某小組實驗數據，利用Excel處理，自動生成圖像，拓展學生視野.

設計意圖：采用描點作圖法進行數據處理，要求學生會觀察數據分布特點，分析給出合理的圖像來擬合兩物理量的關系.描點作圖法雖然比較花時間，人為誤差也比較大，但是具有“顯性”的優點，是學生高中階段必須掌握的重要數據處理方法；利用電腦Excel 等軟件進行數據處理，簡單、快捷、準確，但是具有“隱性”的不足.教師先讓小組同學利用坐標紙作出圖像，然后教師利用Excel軟件處理數據，兼顧兩種方法的優點，克服兩種方法的不足.化曲為直的思想提高了學生的綜合分析能力，數據分析處理過程提升了學生的協作精神.

環節六：歸納總結

利用PPT、投影展示各小組作出的圖像，利用圖像歸納總結得出：m一定，a與F成正比；F一定，a與m成反比.

設計意圖：利用PPT和投影展示圖像，歸納、總結、交流，培養學生的共享意識、合作精神.教師還可以根據教學情境，引導學生適當進行誤差分析，培養學生尊重實驗事實的科學態度，提高學生的理解分析能力.

環節七：課外活動

(1)開放學校實驗室，學生利用學校實驗室資源，在課外時間完成實驗課堂上沒有動手操作的實驗方案；

(2)觀看微課《利用DIS探究牛頓第二定律》.

設計意圖：開放學校實驗室，培養學生自主學習能力，提高學生的綜合素質；觀看微課，激發學生興趣，開拓學生視野.

3 教學設計思考

本節內容，是基于TPACK理論進行的物理課堂教學設計，設計注重探究性與有效性、主體性與主動性、預設性與生成性，注意學科知識、教學知識和技術的融合，很好地完成了教學目標任務，提升了學生的合作意識和解決問題的能力，培養了學生相互學習交流與共同提高的學習態度.

學科知識、教學知識和技術知識是TPACK的核心內容，三者的交叉與相互作用融合構成TPACK的目的，是讓教師明確在教學內容中的什么地方可以使用現代技術，從而達到促進教學目的，甚至能延伸到探索課堂之外的內容[3,4].目前，物理教師在整合技術進行教學方面存在較大的不足，主要的原因是:由于教師教學任務繁重，忙于進行各項教學任務、學生管理，應對各項教學工作檢查等，沒有時間和精力去關注技術的發展以及在教學中的應用；部分教師學習意識淡薄，只是掌握計算機基本應用知識，對現代技術在教學中的整合認識的不夠深刻；隨著課程改革深入實施，很多教師都有“時間緊，任務重”的感覺，故教學設計的側重點往往只是停留在如何把知識講清講透，而在學生參與和知識再現過程方面重視嚴重不足；另部分學校技術設備水平差距比較大，也同樣制約了整合技術進行教學的發展.

基于TPACK框架為理論進行物理課堂教學設計，教師要先有應用技術促進教學的意識，要根據預設教學情境思考需要什么技術來促進教學？如何使用該技術進行教學？教師是技術的應用者，更要成為技術的設計者，教師要明確用技術輔助教學并不是“可有可無”“耽誤時間”，而是恰當地使用現代技術能幫助學生更好地理解學科知識，能夠提高課堂教學效率和質量，能夠提升學生的學科核心素養，促進育人目的的最終達成.