基于TPACK的物理教學設計*
——以“帶電粒子在電場中的偏轉”為例

張永恒 齊海燕

（長春師范大學物理學院）

信息技術在互聯網時代迅猛發展，極大地提高了教育領域的信息化程度。目前我國中小學網絡教育資源使用普及率較高，課堂信息化環境建設也已經初具規模[1]。同時基礎教育教師的信息素養也在逐步提升，部分教師職前已經系統掌握了信息技術[2]，在職后能夠將其與學科教學實踐相結合。在信息化的教學設計和實施方面，雖然教師積累了一定經驗，但仍然缺少一定的理論指導。如何在教育信息化理論指導下開展教學，運用先進的信息技術輔助課堂，是眾多一線教師急需思考和學習的。

一、TPACK理論框架

1986年，美國心理學教授Shulman提出，除了學科知識與教學知識之外，教師還應該擁有一種全新的整合知識，即PCK（Pedagogical Content Knowledge，學科教學知識），它是上述這兩種知識的特殊整合[3]。

隨著教育信息化的發展，在2005年，美國的Mishra 博士與Koehler博士在PCK基礎上，加入了TK（技術知識），形成了TPACK（整合技術的學科教學法知識）。TPACK理論詳細的闡述了三種基本元素CK（學科內容知識）、PK（教學法知識）、TK（技術知識）及其復合元素（TCK、PCK、TPK、TPACK）之間的關聯與意義[3]，如圖1所示。

圖1 TPACK的構成框架

隨著我國互聯網技術在中小學的覆蓋和推廣，先進的信息技術得以不斷地引入課堂。教師非常有必要系統的學習TPACK理論體系，根據學科知識特點選擇和掌握相應的信息技術，力求打破傳統課堂效率低下的僵局，為一線教學提供優秀范例。以物理學科為例，應在教學中使用能夠模擬理想環境或動態展示運動過程的技術來輔助教學，從而促進學生物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個方面核心素養的培養。

二、基于TPACK的“帶電粒子在電場中的偏轉”教學設計

“帶電粒子在電場中的偏轉”本節課選自《普通高中教科書·物理·必修（第三冊）》第十章第五節，研究了帶電粒子在電場中所做的運動，及運動的加速度、合速度、偏轉距離和偏轉角度等相關物理量的關系。電場在生活中無法直接有效展示，對首次接觸電場的學生來說，不易深刻理解其物理規律。傳統的課堂教學方式主要以教師講授為主，配合課堂提問和靜態示意圖展示，教學過程較為枯燥乏味，難以調動學生的注意力和激發學生興趣，造成課堂效率較低。

以TPACK框架為依據進行教學設計，根據教學內容選擇恰當的教學方法和技術手段，其優勢在于能夠將學科知識（CK）、教學知識（PK）和技術知識（TK）這三者有機融合，以取得好的教學效果。在“帶電粒子在電場中的偏轉”中教師運用GeoGebra數學軟件（簡稱GGB），模擬帶電粒子在理想條件下的運動過程，并通過改變物理量量值來達到相應效果。使帶電粒子的偏轉運動由原來的靜態圖片和視頻觀察，變成了直觀、可調節的動態展示，形象且科學，讓學生印象深刻，提高課堂專注力[4]。

（一）教學設計思路

“帶電粒子在電場中的偏轉”這節課是通過學習帶電粒子在電場中的運動及偏轉的一般規律，培養學生的分析、推理能力。本節課學習的重難點在于處理帶電粒子偏轉時，對力學和電學知識的綜合應用。為了更好的分析現象和提高效率，“帶電粒子在電場中的偏轉”的教學過程中使用了多種信息化手段來輔助教學，本節課的TPACK各元素詳見表1。

表1 “帶電粒子在電場中的偏轉”的TPACK框架

（二）“帶電粒子在電場中的偏轉”的教學過程及TPACK分析

1. 知識回顧與課程導入

師：使用多媒體課件展示歐洲核子中心大型強子對撞機原理和北京正負電子對撞機的圖片，并講述觀看感受，介紹電子直線加速原理與世界粒子物理研究前沿對接。

師：在學習新知識前，先來回顧一下，在電場中的帶電粒子怎樣才能平衡？

【TPACK分析】

TK：使用投影儀將多媒體課件上的圖片視頻放大，清晰展示，從而提高課堂參與度。

TPK：教師使用多媒體課件講述與課程原理相聯系的前沿科學成果，有利于激發學生興趣和求知欲。

2. 新課講授

【提出問題】

師：如圖2所示，帶電粒子以初速度v垂直于電場線射入勻強電場中，場強為E，板長為l，板間距離為d，帶電粒子的電量為q，質量為m，初速度為v水平向右，帶電粒子能否從極板右側打出？

圖2 GGB演示圖

【思考討論】

①對帶電粒子進行受力分析。

②你所觀察到的運動是否似曾相識？與過去學過的哪種運動形式類似？我們采取什么方法研究？

③通過類比推理，你是否能夠找出帶電粒子在勻強電場中運動的規律?

學生結合所學知識，自主分析推導（在投影儀上使用GGB數學軟件演示帶電粒子的運動過程，如圖3所示）。

圖3 GGB演示圖

【問題解答】

生：由于帶電粒子在電場中運動受力僅有電場力（與初速度垂直且恒定），不考慮重力，故帶電粒子做類平拋運動。

師：結合已知條件，求：①帶電粒子在射出電場瞬間，在豎直方向的偏轉距離是多大？②帶電粒子在離開電場時的速度偏轉角的正切值。

【TPACK分析】

TK：使用GGB數學軟件模擬帶電粒子在電場中的運動過程，便于學生更好的觀察和理解。

TCK：引導學生對帶電粒子在電場中的運動情況進行觀察、思考和討論，有利于分析其規律，掌握其方法 。

TPK：使用GGB數學軟件演示帶電粒子在電場中的運動過程，使抽象的帶電粒子偏轉運動直觀化。

CK：帶電粒子在電場中偏轉的基本規律歸納總結。

PK：演示法，討論法的運用。

3. 知識拓展

【思考討論】

①如果偏轉電場強度增大，則帶電粒子的偏轉位移和偏轉角如何變化？

②如果偏轉電場的上極板帶正電，下極板帶負電，帶電粒子又會往哪兒偏轉？

【軟件展示】

使用GGB數學軟件來模擬不同條件下，帶電粒子的運動過程，初始條件如圖4所示。

圖4 GGB演示圖

①除電場強度E外，其他條件固定，使E由小到大逐漸變化，電場強度增大，帶電粒子的偏轉位移縮短和偏轉角變大。如圖5所示：

圖5 GGB演示圖

②其他條件不變，使電場的上極板、下極板分別帶有正電荷、負電荷，帶電粒子向下偏轉。如圖6所示：

圖6 GGB演示圖

【TPACK分析】

TK：使用GGB數學軟件模擬在不同情況下帶電粒子在電場中的運動過程，便于學生直觀的觀察和理解。

TCK：使學生通過觀察帶電粒子在電場中的運動，結合所學相關知識，進行判斷研究。

PK：演示法，討論法的運用。

TPK：使用GGB數學軟件模擬帶電粒子在電場中的運動過程，使抽象的帶電粒子偏轉運動直觀化。

4.鞏固練習

【典型習題】

如圖7所示，在真空中橫向放置的兩塊電場強度為E，間距為d平行金屬板。質量為m、電量為q的質子，以初速度v0水平射入電場，觀察下面兩幅圖，回答有哪些原因會造成此結果？

圖7 GGB演示圖

【問題解答】

生：帶電粒子質量m增加，會造成質子偏轉位移增加和偏轉角減??；場強E減小、初速度v0增加也可以造成此情況。

【TPACK分析】

TK：使用GGB數學軟件模擬帶電粒子在電場中的兩種運動情況。

PK：演示法，討論法的運用。

CK：鞏固和靈活運用帶電粒子在電場中偏轉的相關規律。

PCK：通過課堂練習，提高學生的分析推理能力，幫助其鞏固和應用帶電粒子在電場中偏轉的相關知識。

三、小結

近年來，學校的校園互聯網接入、信息技術整體環境等硬件條件都得到了極大的改善，這為教師創造了有利于促進信息技術與學科知識融合且持續發展的基本條件，同時學校還會定期組織教師集體培訓、觀摩教學、交流研討，提升了教師的整體信息素養。

在教育信息化的背景下，TPACK作為一種新的整合技術的教學知識框架，通過對其核心內容TK、CK和PK以及這三部分相互交叉作用的TCK、TPK、PCK、TPACK的理解和運用，有助于教師在具體教學情境中有效利用信息技術，提高教學效率。諸如GeoGebra數學軟件、NOBOOK虛擬實驗平臺等優秀信息技術資源都在物理課堂中得到了發揮，為物理教學提供了便利。同時一線教師通過不斷的教學實踐，總結教學經驗、進行教學反思，為傳統物理課堂注入了技術活力。