TPACK理論在高中物理教學中的應用研究*
——以自由落體運動為例

閔文靜 黃文登

(陜西理工大學物理與電信工程學院 陜西 漢中 723000)

TPACK(Technological Pedagogical Content Knowledge)是指整合技術的學科教學法知識，是當代教師必備的教育理論素養.自教育部頒布《國家中長期教育改革發展規劃綱要(2010-2020)》以來，信息技術在教育教學中的應用不斷得到推廣，在隨后的幾年里，教育部門針對基礎教育中信息技術的應用問題制定并發布了一系列的文件，旨在向廣大基礎教育工作者強調新時代下教育也需跟緊時代步伐，教育者應當豐富自身教學理論，通過新技術改善傳統課堂教學，提高現代化教學質量[1].在此過程中，教師的信息素養水平成為教學的重要影響因素.因此，將信息技術與教育教學深度融合成為當代教師必備的專業能力.而TPACK理論正是當下將信息技術與教育教學相結合的最具科學性的教師專業知識模型，在這一理論模型中，數字設備在教學中不再被視為一個附加組件，教師需要整合不同的知識維度，才能有效地運用技術教學[2].而物理本身就是一門與信息技術聯系緊密的學科，將TPACK理論應用于高中物理課程中，就可以利用信息技術來解決物理教學中的問題，這樣的教學過程將更加行之有效[3].

1 TPACK理論概述

TPACK理論框架的形成源于斯坦福大學教授舒爾曼(Shulman)1986年提出的學科教學知識理論PCK (Pedagogical Content Knowledge) ，PCK理論論述了教師職業的專業性和不可替代性[1].在此理論的基礎上，美國學者科勒(Koehler)和米什拉(Mishra)將技術知識的組成部分整合到PCK理論模型中，于2005年提出了整合技術的學科教學知識理論(TPACK)[1].TPACK理論框架包括3個核心知識類別：技術知識(TK)、教學知識(PK)、內容知識(CK)，將這3種核心知識類型結合在一起，在它們的交叉處還形成了另外3種類型的一級混合成分：教學內容知識(PCK)、技術教學知識(TPK)、技術內容知識(TCK)，以上6種知識類別相結合形成了第二層次的混合成分，即技術教學知識(TPACK)，這是最復雜的知識類別，它依賴于前面提到的所有知識類別的創造性組合和相互作用[2].TPACK理論在實際教學過程中表現為教師創設特定的教學情境，選擇適當的技術手段融入到教學過程中，這其中涵蓋了4個方面的核心內容:

第一，技術與學科教學整合的整體性觀念；

第二，技術與學科教學整合的教學策略和教學表征知識；

第三，學生用技術來理解、思考和學習學科主題的知識；

第四，技術與學科教學整合的課程和課程材料的知識[3].

教師只有牢牢把握這4個方面的內容才能有效開展信息技術下的課堂教學.

2 TPACK理論應用的必要性

物理學是自然學科領域的一門基礎性學科，也是當今社會信息技術發展和科學技術進步的動力源泉，而高中物理知識具有更強的理論性，同時涉及到許多生活現象和科學技術相關的內容，因此TPACK理論在物理學科領域當中具有很強的應用性，更能夠發揮出它的有效性，對于物理教師的教學具有更加深刻的含義.

首先，可視技術降低物理認知難度.新課標對高中物理提出了新要求，許多內容要求學生具有一定邏輯思維能力和空間想象能力.比如電磁學部分，就涉及到電流運動和磁場分布等十分抽象的內容，由于這些內容不能被學生直接觀察到，因此教師在講解這部分知識時就需要借助現代化可視技術，通過計算機將內容呈現給學生，以便于學生觀測到其中蘊含的物理規律[4].

其次，信息技術提高物理實驗教學效果.高中物理知識是以實驗為基礎的，很多內容都需要進行實驗探究或實驗驗證，在教學過程中也會使用到各種實驗器材.目前課本上許多實驗可以進一步拓展，教師可以進行積極探索，將物理課本上的實驗與現代信息技術相結合，使原本難以實現的實驗具有更強的可行性，幫助部分實驗獲得更佳的演示效果，還可以提升一些實驗的說服力，以便于學生更好地理解知識.

最后，新課改要求信息技術與物理知識相融合.物理新課標教材中與信息技術相關的內容明顯增多，比如傳感器內容、DIY實驗板塊以及提供學習資源的網絡鏈接等，這些內容的添加也進一步說明信息時代下物理教學也應該注重對信息技術的應用，學科教學與信息技術相融合已經成為教學領域的一個趨勢所在[4].

3 TPACK理論應用策略及實施方案

3.1 應用策略

傳統教學設計下的物理課堂往往是教師圍繞著知識點進行單一的知識講解和習題訓練，往往忽視了教學內容當中的信息技術因素，同時教師也缺少對教學方法和信息技術的整合使用，常常局限于通過多媒體課件向學生展示一些基本概念和演示實驗，而在TPACK理論指導下教師在進行教學設計時能夠在學科教學知識的基礎上將信息技術與學科知識和教學法知識相結合，針對不同的教學內容在選擇不同的教學方法并結合相應的技術手段輔助教學，以達到最好的教學效果.

將TPACK理論實踐于教學當中，教師首先應當轉變以往的傳統教學觀念，從物理教學觀、物理學習觀、信息技術觀3個方面出發樹立整合技術的學科教學知識統領性觀念[4]，從思想上理解并認同信息技術在物理教學中的重要價值，懂得技術是手段而非目的，學會選擇合適的技術來呈現知識，從而達到教學目標.其次，教師應當創新教學方法，從教學策略、課堂管理、教學內容3個方面出發將TPACK理論實踐于教學過程的各個環節，將信息技術融入到教學的各個環節中，以此提高學習者的學習興趣，拓展教學內容.

3.2 實施方案(以“自由落體運動為例”)

設計思路：“自由落體運動”出自于魯科版高中物理教材必修1第三章第3節內容，是繼勻變速直線運動的規律和實驗探究之后，要求學生掌握的一種具體的勻變速直線運動實例.課本上實驗探究部分利用牛頓管了進行驗證，但實驗中并沒有對抽真空前后牛頓管內壓強進行定量描述，并且實驗操作過程需要學生用肉眼觀察管內物體下落的時間是否一樣，由于牛頓管內物體做自由落體運動存在高度小、距離短的問題，因此實驗現象不夠直觀，學生觀察起來比較困難，這給學生理解知識造成了不便[5].而如果教師使用DIS技術，通過壓強傳感就可以直接測量出牛頓管內氣體壓強的數值，學生就會發現隨著壓強數值的減小(真空狀態下壓強值最小)牛頓管內物體下落時間越來越接近，當管內處于真空狀態時，兩物體就會同時落到牛頓管底部，這樣實驗過程就更加具有說服力，學生對自由落體概念的理解也會更加透徹.最后在研究自由落體運動的性質時，使用手機APP軟件VernierVideo Physics就能得到物體做自由落體運動時的運動軌跡圖像和相關數據，利用這些數據就可以對物體下落的規律進行定量分析，得出自由落體運動是一種勻變速直線運動[5].這樣通過將教學內容知識與信息技術方法相融合，有效解決了之前教學過程中實驗造操作不便和誤差大的問題.

“自由落體運動”的TPACK體系分析如表1所示.

表1 “自由落體運動” TPACK體系分析

3.3 主要教學環節

(1)自由落體運動概念

演示實驗1：讓紙片和小鋼球在同一高度同時自由下落，根據實驗結果教師向學生介紹亞里士多德的觀點.

演示實驗2：將紙片揉成紙團，重復上述實驗，引發學生認知沖突，為什么同一張紙片前后下落時間不同？

分析實驗：教師應引導學生分析兩次實驗結果不同的原因——空氣阻力的存在,并向學生介紹伽利略的比薩斜塔實驗以及他的觀點.

提出問題：當物體處于真空中時，從同一高度同時自由下落，現象應該如何呢？

牛頓管實驗探究：學生4人為一組，每組分得一個有機玻璃管、小鐵球、羽毛、真空泵、壓強傳感器(圖1).教師指導各小組學生按照PPT上的圖依次連接各個實驗器材.在進行實驗前，教師需要向學生解釋真空是一種理想狀態，沒有絕對真空存在，一般低于一個大氣壓力(101 kPa)的氣體狀態就可以視為真空狀態.學生連接好實驗器材后打開真空泵就可以將牛頓管中的空氣排出，隨著空氣排出，管內就逐漸接近真空狀態.抽真空過程中通過DIS實驗系統中的壓強傳感器可以將管內氣體壓強的具體數值測量出來，學生就可以目測到管內壓強的變化過程(圖2),在這一過程中可以進行多次實驗，對比每次實驗中兩個物體的下落情況，可發現隨著牛頓管內氣體被抽出，管內達到真空狀態時小鐵球和羽毛就會同時落至底部.

圖1 牛頓管實驗的器材

圖2 抽真空前后壓強值

根據牛頓管實驗可得出在真空條件下物體所做的運動就是自由落體運動，進而總結出“自由落體”運動的定義.教師要向學生指出“只受重力”是一種理想狀態，由于地球表面附近的物體都會受到一定空氣阻力，因此實際上只要物體所受的空氣阻力遠小于自身重力就可以視為自由落體運動.

(2)自由落體運動的性質

利用手機APP軟件Vernier Video Physics研究小鐵球的自由落體運動.首先使用手機攝像功能先錄制一段小鐵球做自由落體運動的完整視頻，然后打開軟件將錄制好的視頻導入進去，點擊“Track”就可以獲得小鐵球下落過程中的一系列位置，進而生成y-t圖像(圖3)和v-t圖像，如圖4所示，最后根據圖像和軟件導出的數據信息進行計算分析就可以得到小鐵球自由落體運動的性質：初速度為零的勻加速直線運動，加速度為g.由圖3我們不難發現自由落體運動的位移-時間關系為二次函數關系，基本符合

圖3 y-t圖

圖4也基本符合線性關系

圖4 v-t圖

v=gt

對其進行誤差分析得出可能是由于空氣阻力的影響，點2有些偏離.

采用這種方式可以改善使用打點計時器時不便捷的問題，學生只需要一部手機就可以進行實驗，并且實驗操作流程也較為方便，過程較為直觀，學生眼中看到的自由落體運動被手機軟件復制轉化為清晰明了的位移-時間和速度-時間圖像，避免了在使用打點計時器時要將物體下落過程和小車運動過程進行同一轉化，同時借助手機軟件來研究物理知識更能夠將信息技術滲透進課堂，培養學生的科學意識和創新思維.

(3)自由落體運動的規律

學生利用軟件得到自由落體運動的性質后，教師可引導學生根據之前所學勻變速直線運動規律進一步總結出自由落體運動的相關公式，完善知識體系.

4 結束語

基于以上分析，教師在將TPACK理論應用于教學實踐中時，應該深刻理解構成該理論的三要素技術知識(TK)、教學知識(PK)、內容知識(CK)是既相互獨立又相互融合的，在應用時不能孤立地看待這3類知識，教師應該積極思考，以內容知識作為切入點，找尋合適的教學知識和技術知識使其相互配合，將內容知識以最佳方式呈現給學生[6].此外，本文對具體學科知識進行TPACK體系分析和教學設計的過程中發現，該理論一方面有利于教師專業素養的提升，增強教師對信息技術的使用,促進教師教學方法的變革，完善教學過程中的不足，提高教學效率；另一方面有利于培養新時代創新型人才，TPACK理論指導下的課堂和信息技術是深度融合的，學生不僅可以完成學習目標，掌握很久以前科學家們的智慧結晶，還可以在學習過程中通過信息技術的使用，了解一些較為前沿的學科成果，幫助學生開闊眼界[7].總之，TPACK理論為廣大教師進行信息技術化教學提供了堅實的理論依據，在此基礎上教師可以不斷探索學習，提高自身水平，改善教學效果，同時促進教育信息化發展.