TPACK理論下物理單元?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐性作業(yè)的實(shí)施策略
——以“電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)”章節(jié)復(fù)習(xí)為例

安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)(231551) 劉信生

安徽省合肥市教育科學(xué)研究院(230071) 陶士金

1 TPACK理論對(duì)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)意義

2021年7月24日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步減輕義務(wù)教育階段學(xué)生作業(yè)負(fù)擔(dān)和校外培訓(xùn)負(fù)擔(dān)的意見》(以下簡稱“雙減”政策)?！半p減”政策強(qiáng)調(diào)要“調(diào)控不同年級(jí)、不同學(xué)科作業(yè)數(shù)量和作業(yè)時(shí)間、嚴(yán)控書面作業(yè)總量”，指導(dǎo)學(xué)生“參與實(shí)踐活動(dòng)”和“強(qiáng)化實(shí)踐性作業(yè)”。由于低效率、重復(fù)式、機(jī)械式、只能培養(yǎng)模仿能力的紙筆式作業(yè)的弊端正在凸顯，所以大力提倡以培養(yǎng)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰橹黝}的創(chuàng)新實(shí)踐性作業(yè)。TPACK理論中的技術(shù)、學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)法三大核心要素以及整合的四個(gè)復(fù)合要素如圖1所示。這里的“技術(shù)”在物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中既包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中運(yùn)用學(xué)科綜合知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置制作的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，也包括整合教育信息化技術(shù)的能力。學(xué)科內(nèi)容在物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象觀察、證據(jù)收集和實(shí)驗(yàn)結(jié)論等。教學(xué)法知識(shí)除了常見的模式如：演示法、探究法等以外，還包括實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)法、比較法、放大法、控制變量法、轉(zhuǎn)換法等實(shí)驗(yàn)教學(xué)處理方法。筆者針對(duì)“電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)”章節(jié)復(fù)習(xí)課，摒棄傳統(tǒng)的教學(xué)模式，嘗試安排學(xué)生實(shí)施創(chuàng)新實(shí)踐性作業(yè)，切實(shí)鞏固“電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)”章節(jié)核心概念，提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)。

圖1 TPACK理論框架結(jié)構(gòu)圖

2 TPACK理論指導(dǎo)下展開創(chuàng)新實(shí)踐性作業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

初中物理實(shí)踐性作業(yè)，是指學(xué)生在學(xué)習(xí)初中物理的過程中，基于問題和任務(wù)驅(qū)動(dòng)的有指導(dǎo)、有一定挑戰(zhàn)性的自主學(xué)習(xí)活動(dòng)[1]。TPACK理論知識(shí)的專業(yè)性、綜合性很強(qiáng)，對(duì)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)作用必須要融合到具體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。“電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)”章節(jié)主要闡述通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)工作原理和根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生感應(yīng)電流的發(fā)電機(jī)工作原理。該章節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)性知識(shí)和物理規(guī)律性思維占比大，是電與磁知識(shí)在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用，也是高中物理電磁場和交流電知識(shí)的基礎(chǔ)，初高中知識(shí)的銜接性強(qiáng)。在新課教學(xué)中，如果只是站在知識(shí)的傳授角度去完成教學(xué)任務(wù)，無法真正落實(shí)教學(xué)目標(biāo)與要求。如果再把復(fù)習(xí)課上成新授課的“壓縮版”，止于知識(shí)的重現(xiàn)，那就大可不必了，而應(yīng)該是新授課的“升級(jí)版”[2]。教師可以設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)或者引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，再緊扣核心概念進(jìn)行實(shí)踐性作業(yè)操作，運(yùn)用設(shè)計(jì)思維方式展開“小組合作+主題探究式”實(shí)踐活動(dòng)，將設(shè)計(jì)思維轉(zhuǎn)化為物化的作品，達(dá)成復(fù)習(xí)多維目標(biāo)，在一系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中體現(xiàn)TPACK理論對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐性作業(yè)的理論指導(dǎo)性價(jià)值，具體內(nèi)容見表1。

表1 創(chuàng)新實(shí)踐性作業(yè)中體現(xiàn)TPACK理論的指導(dǎo)性價(jià)值

3 基于TPACK理論下的單元?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐性作業(yè)的實(shí)施

TPACK是教師必須具備的全新知識(shí)，它的貫徹實(shí)施離不開教師，必須強(qiáng)調(diào)教師是整個(gè)過程的設(shè)計(jì)者、引導(dǎo)者、實(shí)施者和監(jiān)控者，是“有意義傳遞-主導(dǎo)下探究”的教學(xué)觀念[3]。基于TPACK理論下的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，乃至學(xué)生在課堂上的創(chuàng)新實(shí)踐性活動(dòng)都離不開教師的“主導(dǎo)作用”。

3.1 由真實(shí)事件引入探究主題，在探索中設(shè)計(jì)實(shí)踐作業(yè)

對(duì)于以形象思維為主要特征的初中生而言，在“玩”實(shí)驗(yàn)中才會(huì)有收獲，才會(huì)有問題發(fā)問，才會(huì)有探究的沖動(dòng)，學(xué)習(xí)才得以真正發(fā)生?；趯W(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)知識(shí)，筆者讓學(xué)生從有趣的物理現(xiàn)象入手，實(shí)施主題作業(yè)。

主題作業(yè)1：小馬達(dá)點(diǎn)亮LED和小燈泡。

給學(xué)生發(fā)1個(gè)小馬達(dá)(微型發(fā)電機(jī))，雙LED二極管組合(大、小各1組)，LED二極管(白光)若干，3.8 V/0.5 A小燈泡，電池組，導(dǎo)線、回形針和圖釘若干。請(qǐng)同學(xué)們?nèi)我獾剡M(jìn)行器材組合，分組展開實(shí)驗(yàn)，想辦法讓LED燈或小燈泡亮起來。

學(xué)生開始想方設(shè)法地去嘗試。A組學(xué)生首先想到的是將小馬達(dá)用導(dǎo)線直接接入雙LED二極管組合，如圖2(a)所示，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)小馬達(dá)的搖把，發(fā)現(xiàn)紅燈不亮、綠燈亮，加速轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，綠燈變得更亮；逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，發(fā)現(xiàn)綠燈不亮紅燈亮。B組學(xué)生運(yùn)用LED二極管(白光)和回形針，小組內(nèi)展開項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)探究：先將兩根回形針捋直，用圖釘將其平行地固定在木塊上，然后將兩枚LED二極管(白光)的兩腳扳開成一字型，依次將兩腳分別輕放在平行的回形針上，如圖2(b)所示，再將小馬達(dá)接入到回形針電路中，重復(fù)圖2(a)中的實(shí)驗(yàn)步驟，然后將其中一枚LED二極管的兩腳與回形針接觸的位置互換，發(fā)現(xiàn)兩枚LED二極管的發(fā)光有3種情況：①兩枚同時(shí)發(fā)光；②有一枚發(fā)光一枚不發(fā)光；③兩枚都不發(fā)光。C組學(xué)生發(fā)現(xiàn)用3.8 V小燈泡也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，于是將小燈泡和雙LED二極管組合并聯(lián)在電路中，再接入小馬達(dá)，用力順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)小馬達(dá)的搖把，然后再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終都亮，但是雙LED二極管組合中紅綠燈卻是交替發(fā)光的，如圖2(c)所示。讓學(xué)生感覺這是學(xué)習(xí)二極管具有單向?qū)щ娦缘闹R(shí)后所有實(shí)踐作業(yè)中最過癮的一次。

圖2 學(xué)生用小馬達(dá)點(diǎn)亮LED燈實(shí)驗(yàn)

學(xué)生經(jīng)歷了幾場“折騰式”的實(shí)踐操作，一系列問題就會(huì)接踵而至：改變小馬達(dá)搖把的轉(zhuǎn)向，小馬達(dá)為何能始終點(diǎn)亮小燈泡；而LED發(fā)光二極管的發(fā)光情況卻與小馬達(dá)搖把的轉(zhuǎn)向有關(guān)呢？小馬達(dá)產(chǎn)生的電流方向與搖把的轉(zhuǎn)向有關(guān)嗎？學(xué)生的問題串就此展開了。

設(shè)計(jì)意圖：教師將學(xué)科實(shí)驗(yàn)內(nèi)容知識(shí)(CK)、教學(xué)法知識(shí)(PK)、實(shí)驗(yàn)組裝技術(shù)(TK)和整合技術(shù)學(xué)科內(nèi)容(TCK)融合到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中。由學(xué)生“玩”實(shí)驗(yàn)開始，讓學(xué)生關(guān)注直流發(fā)電機(jī)模型結(jié)構(gòu)，在“玩”中發(fā)現(xiàn)直流發(fā)電機(jī)的電流大小與線圈的轉(zhuǎn)速有關(guān)；依據(jù)發(fā)光二極管的單向?qū)щ娞匦?，定性地得出感?yīng)電流的方向與線圈的轉(zhuǎn)向有關(guān)的結(jié)論，讓學(xué)生感受生活中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為學(xué)生追尋發(fā)電機(jī)的模型建構(gòu)設(shè)下伏筆。

主題作業(yè)2：電風(fēng)扇實(shí)質(zhì)是電動(dòng)機(jī)，那么外力旋轉(zhuǎn)電風(fēng)扇的扇葉為什么會(huì)點(diǎn)亮發(fā)光二極管？電風(fēng)扇可以做發(fā)電機(jī)嗎？

學(xué)生在桌子邊固定好小臺(tái)扇，一手拿起電源插頭，分別將兩枚發(fā)光二極管的兩只腳顛倒地卡在電風(fēng)扇插頭的兩端，另一只手轉(zhuǎn)動(dòng)電風(fēng)扇的扇葉，此時(shí)發(fā)現(xiàn)兩枚二極管在交替發(fā)光。說明了電動(dòng)機(jī)確實(shí)可以作為發(fā)電機(jī)使用。有些學(xué)生不相信，將作業(yè)1中的小馬達(dá)拆下來，接入電池組中，也發(fā)現(xiàn)小馬達(dá)飛速地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，得出發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是相似的結(jié)論，學(xué)生有了新的收獲。

設(shè)計(jì)意圖：開展基于TPACK理論框架指導(dǎo)下的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。通過電風(fēng)扇也可以發(fā)電的真實(shí)事件的探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：電風(fēng)扇通電時(shí)可以作為電動(dòng)機(jī)工作，轉(zhuǎn)動(dòng)扇葉時(shí)，可以產(chǎn)生使發(fā)光二極管交替發(fā)光的感應(yīng)電流，說明電動(dòng)機(jī)確實(shí)可以作為發(fā)電機(jī)來使用。

主題作業(yè)3：將電流傳感器分別接入小馬達(dá)與電風(fēng)扇的電路中，測量發(fā)出來的電的電流大小，通過數(shù)字化軟件裝備顯示出電流變化圖像，比較一下它們的感應(yīng)電流有何區(qū)別。

學(xué)生在教師的指點(diǎn)下，先將電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器接入裝有數(shù)字化軟件的電腦上，再將小馬達(dá)串聯(lián)接入電路中，打開電腦桌面的軟件包，創(chuàng)建電流傳感器界面，點(diǎn)擊“采集參數(shù)”設(shè)定自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，轉(zhuǎn)動(dòng)小馬達(dá)搖把的同時(shí)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始”，每隔5 s改變一次搖把的轉(zhuǎn)向。記錄數(shù)據(jù)如圖3(a)所示。用電風(fēng)扇替換下小馬達(dá)，將風(fēng)扇扇葉朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)下去，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，形成如圖3(b)所示圖像。

圖3 分別用手搖小馬達(dá)與電風(fēng)扇扇葉產(chǎn)生的感應(yīng)電流

通過主題作業(yè)3的探究過程，使主題作業(yè)1的感應(yīng)電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)“可視化”，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和圖像顯示，進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)核心概念的深度理解，對(duì)直流電和交流電有了更加深刻的認(rèn)識(shí)：電流方向不變的叫直流電；電流大小和方向都隨時(shí)間周期性改變的叫交流電。學(xué)生通過閱讀課本相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)真繪畫出直流發(fā)電機(jī)給雙LED二極管組合供電的電路圖，如圖4(a)所示；同時(shí)根據(jù)交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖4(b)所示，很快就繪畫出用力轉(zhuǎn)動(dòng)電風(fēng)扇扇葉產(chǎn)生的交流電給兩個(gè)并聯(lián)LED發(fā)光二極管交替供電的電路圖，如圖4(c)所示。學(xué)生進(jìn)一步提出質(zhì)疑：交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別嗎？教師從發(fā)電機(jī)裝置中換向器與滑環(huán)對(duì)感應(yīng)電流的傳輸功能的不同的角度加以分析，揭示其中的奧妙。

圖4 直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)點(diǎn)亮發(fā)光二極管的電路圖

設(shè)計(jì)意圖：將信息技術(shù)整合到物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)造性地將TPACK理論應(yīng)用于實(shí)踐活動(dòng)中。與過去設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)名稱的傳統(tǒng)填空題作業(yè)相比較，實(shí)踐創(chuàng)新作業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)在學(xué)生動(dòng)手操作的過程中，讓學(xué)生主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問題、能動(dòng)地解決問題。

3.2 在指導(dǎo)學(xué)生自制模型中分析論證，升華實(shí)踐作業(yè)能力

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。學(xué)生們親身經(jīng)歷過以上的真實(shí)操作，感覺到學(xué)習(xí)有了一些收獲，實(shí)踐的勁頭更足了。有學(xué)生提出建議，大家為何不利用身邊的器材和實(shí)驗(yàn)室的工具，自己動(dòng)手制作發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)模型，進(jìn)一步理解電機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能呢？學(xué)生們說干就干，先來制作交流發(fā)電機(jī)模型。首先找來一卷漆包線，繞制成矩形框，套在事先準(zhǔn)備好的木質(zhì)鉛筆中間部位上，用美工刀將鉛筆圓柱直徑相對(duì)的地方開兩條凹槽，將漆包線的兩個(gè)抽頭的絕緣漆刮去，再分別嵌入鉛筆凹槽內(nèi)。金屬滑環(huán)和電刷如何制作呢？學(xué)生從實(shí)驗(yàn)桌上的白熾小燈泡的圓柱形金屬底座得到啟發(fā)：用砂輪機(jī)磨去燈泡的底部錫塊和周圍的黑玻璃(絕緣體)，再打碎玻璃燈泡，抽掉燈絲，一個(gè)金屬滑環(huán)制成了，重復(fù)上述步驟做好另一個(gè)滑環(huán)，將滑環(huán)前后套在鉛筆上，如圖5(a)與圖5(b)所示，且每一滑環(huán)下面連接好漆包線的抽頭，這樣線圈和轉(zhuǎn)軸制好了。再找來一塊方木板和兩個(gè)等大且打好孔的木塊作為電機(jī)支架，將帶有線圈的轉(zhuǎn)軸插入孔中，在線圈的兩側(cè)相對(duì)的位置固定兩塊異名磁極，再用螺絲刀把剪好的兩塊條形銅皮分別用螺釘緊挨著兩滑環(huán)側(cè)邊固定在木板上，再找來兩頭開孔的長條形硬塑料片，一端套牢在鉛筆末端，一端固定帶螺栓的轉(zhuǎn)軸做成搖把，最后在固定電刷的螺母上用導(dǎo)線串聯(lián)接入一塊靈敏電流計(jì)，如圖5(c)所示。雖然裝置沒有廠家生產(chǎn)的那樣美觀大方，但是整個(gè)制作過程體現(xiàn)了學(xué)生的辛勤勞動(dòng)。

圖5 學(xué)生自制交流發(fā)電機(jī)模型1

這時(shí)候，學(xué)生的創(chuàng)造激情再一次被激活了，有學(xué)生找來了中華鉛筆，將末端用來固定圓柱形橡皮的鋁質(zhì)圓環(huán)作為發(fā)電機(jī)的滑環(huán)，還有學(xué)生用燒紅的鐵絲將圓珠筆塑料外殼燙上2個(gè)小孔，再將漆包線的兩個(gè)抽頭穿過孔隙，與兩個(gè)滑環(huán)緊密連接，用馬蹄形磁鐵提供磁場，制成交流發(fā)電機(jī)模型，如圖6所示。

圖6 學(xué)生自制交流發(fā)電機(jī)模型2

這時(shí)候，有個(gè)別學(xué)生提出問題：怎樣將交流發(fā)電機(jī)改裝成直流發(fā)電機(jī)呢？一石激起千層浪，學(xué)生在交流討論中發(fā)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)中是沒有滑環(huán)裝置的，只有兩塊彼此絕緣(也有兩塊是分開)的金屬半圓組成的換向器。因此學(xué)生將交流發(fā)電機(jī)的兩個(gè)滑環(huán)取下來，只用其中的一個(gè)滑環(huán)，用剪刀沿直徑方向?qū)⒒h(huán)對(duì)稱地剪開成兩個(gè)半圓環(huán)，在鉛筆相同位置的相對(duì)兩側(cè)連接好漆包線的兩個(gè)抽頭，再用強(qiáng)力膠將換向器固定在筆桿做成的轉(zhuǎn)軸上，此時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電刷的位置必須作相應(yīng)的改動(dòng)，于是用螺絲刀將兩塊銅皮做成的電刷分別緊挨著各自的換向器固定在木板上，此時(shí)交流發(fā)電機(jī)模型就改裝成直流發(fā)電機(jī)模型，如圖7所示。

圖7 將交流發(fā)電機(jī)模型1改造成直流發(fā)電機(jī)模型

3.3 學(xué)生展示作品，交流反饋與評(píng)價(jià)

學(xué)生作業(yè)作為課程的有機(jī)組成，其本質(zhì)屬性是一種學(xué)習(xí)活動(dòng)，必然指向課程目標(biāo)，反映課程的理念和追求的價(jià)值[1]。因此，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行展示和評(píng)價(jià)就是對(duì)課程內(nèi)容價(jià)值的肯定。

首先讓學(xué)生組內(nèi)交流評(píng)價(jià)，然后選派代表將其作品帶上講臺(tái)，向同學(xué)們邊展示作品邊講解設(shè)計(jì)理念和制作的過程(可以拍下視頻保存)，再將視頻發(fā)至家長微信群、學(xué)校創(chuàng)新平臺(tái)進(jìn)行展示。教師可以將學(xué)生的實(shí)踐性作業(yè)視頻收集起來，先每例作品寫一段評(píng)語，最后對(duì)整個(gè)實(shí)踐活動(dòng)做一個(gè)整體性評(píng)價(jià)，可以上傳至“物理創(chuàng)新”公眾號(hào)，讓更大范圍的同行們進(jìn)行交流評(píng)價(jià)。如果將作品進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，可以在學(xué)校的科技節(jié)活動(dòng)展示，也可以作為每年的青少年科技創(chuàng)新大賽作品參加比賽，甚至可以申報(bào)國家發(fā)明專利。

4 結(jié)語

TPACK理論不僅僅是一種整合了技術(shù)的全新學(xué)科教學(xué)知識(shí)，還日漸發(fā)展成為一種能將信息技術(shù)有效整合于各學(xué)科教學(xué)過程的全新可操作性模式[4]。運(yùn)用TPACK理論指導(dǎo)初中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，是一種全新的嘗試，是將整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)與初中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)深度融合，而實(shí)踐性作業(yè)采用的是“理論+實(shí)踐”方式，在實(shí)驗(yàn)過程中不僅僅要解決理論知識(shí)問題，更要解決許多的工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)問題，不僅要求學(xué)生有扎實(shí)的物理知識(shí)，更要有科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科綜合知識(shí)和能力。