基于TPACK整合觀的高中物理教學設計研究

范兵 彭婷 張帥 劉荷娜

當今，信息技術正在引領和影響著未來教育的發展。2023年5月，教育部印發了《基礎教育課程教學改革深化行動方案》，將“數字賦能行動”列為課程教學改革重點任務，提出要深入推進教育數字化，促進信息技術與教育教學深度融合[1]。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）指出：要積極探索信息技術與物理教學的深度融合；要利用現代信息技術，來引導學生理解物理學的本質，形成科學思維習慣，同時增強學生的科學探究能力和解決實際問題的能力[2]。為落實課標及有關政策文件的指導精神，有必要探索數字化背景下優化教學設計與實踐的路徑。整合技術的學科教學知識（Technological Pedagogical and Content Knowledge，TPACK）作為教師在具體教學情境中整合學科內容知識、教學法知識和技術知識，實現高質量課堂教學的有效理論，愈來愈受到廣大教師的青睞。以TPACK整合觀為理論視角，筆者從整合技術的物理課程知識、整合技術的物理統領性概念、整合技術的學生物理理解知識以及整合技術的物理教學策略與教學表征知識這四種核心要素出發，以“波的干涉”為例，研究設計了信息技術支撐下高中物理課堂教學方案，并給出實施建議。

一、TPACK理論與物理教學相容相生

2005年，美國密歇根州立大學的馬修·凱勒（Matthew J. Koehler）和普雅·米什拉（Punya Mishra）兩位學者提出了教師有效整合技術與課堂教學必須具備的一種知識結構框架——整合技術的學科教學知識。TPACK是教師利用技術進行有效教學必備的知識，是有效整合PK、CK和TK三種知識后而形成的一種新的知識形態。它不是三種知識的簡單疊加，而是教師在真實教學情境下由三種知識互相融合互動產生的新知識（如圖1）[3]。

對于TPACK的研究一般有兩個流派：一是將TPACK視為一種由多種元素復合構成的知識框架，強調其七類組成元素（即圖1中的七類元素），已有研究者設計出此視角下的物理教學設計[4-5]；二是以美國俄勒岡州立大學的尼斯（Niess）為代表的學者并不關注TPACK的組成結構，而認為TPACK是在PCK基礎上的拓展，并根據學科教學知識（PCK）的構成元素指出TPACK由如下四個核心要素構成：整合技術的學科課程知識；整合技術的學科統領性概念；整合技術的學生學科理解知識；整合技術的學科教學策略與教學表征知識[6-7]。筆者在教學中發現以第一種視角設計教學方案，不容易區分七類構成元素，會導致課堂教學的割裂。第二種視角是基于TPACK整合觀設計教學，是一種新的更有價值的視角。如何在這一視角下做好物理教學設計，亟須探索、研究與實踐。針對物理學科，筆者對TPACK整合觀的維度及其對應的教學設計內容進行了梳理分析（見表1）。

二、TPACK視域下的教學設計與實踐

（一）教材分析與學生分析

“波的干涉”是高中物理選擇性必修一中機械振動與機械波這一主題下的內容。課標對這一內容的具體要求為：通過實驗（用波動演示器顯示波的疊加；觀察音叉雙臂振動激發的水波干涉現象），了解波的干涉現象。“波的干涉”實驗以定性分析為主，鼓勵教師從日常生活和實驗的角度引出“波的疊加原理”和“波的干涉”，但是由于生活中學生對相關現象缺乏觀察，在教學中又存在實驗設備缺乏或實驗現象不明顯等局限，因此學生對波的疊加、干涉現象形成的動態過程難以理解和掌握。基于此，在授課過程中，教師從生活現象出發，借助GeoGebra軟件來模擬波的疊加和干涉現象。這樣既能讓學生觀察實驗現象，又可以借助動態演示加深學生對物理模型的理解，有助于學生掌握并運用物理知識。

設計意圖：教材分析與學生分析是教學設計中一個重要的環節。教材分析涉及教師對授課內容范圍與深度的把握、課程資源與技術呈現的選擇，以及教學活動順序的規劃（課程知識、統領性概念）。學生分析需要教師對授課對象的知識基礎、認知與情感狀態有詳細了解。做好這兩項工作是從學生的實際出發開展教學的有力保障（學生知識）。

（二）教學流程

根據日常經驗可知：下雨天下落的雨滴會在平靜的水面上產生層層漣漪，那些雨滴像一個個振動的波源。當兩個波源同時振動時，會在水面上形成奇特的干涉條紋。這是由波的疊加產生的，那么波的疊加有什么規律呢？師生利用GeoGebra軟件來進行模擬探究。

1.波的獨立傳播特性

教師首先邀請兩名學生在講臺上拿起一根水平長繩的兩端，同時向上抖動一下長繩。繩的兩端產生相向傳播的兩列波。此時，教師讓學生觀察并描述現象。學生發現：有“波”（將繩的凸起視為波）從繩子的兩端傳播出去相向而行，在繩的中點處凸起程度變大，之后兩列波的凸起沿著之前的運動方向繼續前進。

教師肯定學生的觀察和發現，并將實驗過程分解為：相遇前—開始相遇—相遇中—開始分離—分離后，用PPT呈現示意圖（如圖2）。教師引導學生發現：相遇前后兩列波都保持各自的運動狀態，彼此不受影響。學生總結出波的獨立傳播特性：幾列波在同一介質中傳播，在介質中某一點相遇時，每列波都能夠保持各自的狀態繼續沿著原來的方向向前傳播，彼此互不影響。

設計意圖：TPACK中的課程知識指出教師在教學中要注重體現物理與生活的聯系，故在課堂引入環節展示下雨天的場景，引發學生思考。同時，組織演示活動，用PPT展示（策略知識）模擬波的傳播，進一步激發學生的學習興趣，加深學生對于波的傳播過程的理解。

2.波的疊加原理

波是振動隨著時間的變化在空間中的傳播，波函數為y=A cos （ωt+kx），其中含有時間變量t和空間變量x。教師利用GeoGebra軟件自帶的坐標系，在其原點處設置波源。波在傳播過程中，質點的位移會發生變化并且會出現波形，這就是波的形成過程[8]。若現在有兩列波分別為：

y1=A cos （ω1t+k1x）??????????????????????????????????????（1）

y2=A cos （ω2t+k2x）??????????????????????????????????????（2）

則兩波的疊加為y=y1+y2，在橫軸上作一垂線與三列波相交。學生觀察B、C、D三點的縱坐標（如圖3），探究疊加原理：幾列波相遇時能夠保持各自的運動特征繼續傳播，在它們重疊的區域里，質點同時參與這幾列波引起的振動，質點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。

在學生知道波的疊加原理后，教師進一步呈現波的疊加示意圖（如圖4），問學生：“這兩組疊加有什么區別？”在學生踴躍回答之后，教師解釋減弱疊加的原理：在某一時刻，兩列波的波峰和波谷相遇，在這一點由兩列波引起的振動始終是減弱的。接著教師鼓勵學生類比推理，提出自己的觀點來解釋加強疊加的原理。在教師鼓勵下，各組提出不同的解釋依據。教師收集不同的解釋并在班上討論，引導學生總結波的加強疊加與減弱疊加的異同，以加深學生對于物理原理的理解。

設計意圖：從波的疊加原理出發，教師利用GeoGebra軟件動態演示波的疊加過程（策略知識），進一步演示減弱疊加和加強疊加的示意圖，同時分組討論來引導學生思考，鼓勵學生類比推理和歸納推理以明晰兩者的異同（學生知識）。

3.波的干涉

教師利用GeoGebra軟件改變兩列波的頻率、振幅或相位等參數進行動態演示，探索發現并不是所有兩列波的疊加都可以產生干涉現象。只有當兩列波頻率相同、相位差恒定且振動方向相同時，才會產生穩定的干涉條紋（如圖5和圖6）。

學生觀察圖片發現，這些圖樣在有些地方較亮（或起伏很大），有些地方較暗（或起伏微弱）。這是因為當兩列波在空間相遇時，它們的波峰與波峰或波谷與波谷相交時形成的區域（振動加強區）合振幅最大。振動加強區是由所有振動最劇烈的點連接形成的。波谷與波峰相交時形成的區域叫振動減弱區，合振幅最小。振動減弱區是由所有振動最微弱的點連接形成的。此時，教師進一步引導學生說出“波的干涉”的定義，即頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列波疊加時，某些區域的振動總是加強，某些區域的振動總是減弱，這種現象叫作“波的干涉”。

學生觀察圖7得知：從波源發出的兩列波可看作兩組同心圓，藍線圓表示波峰，黑線圓表示波谷。藍線圓與黑線圓間的距離等于半個波長。此時，教師進一步引導學生探究：處于干涉振動加強區和減弱區的質點其位置有何特點，它們到兩波源的波程差與波長有什么關系？教師引導學生將觀察結果記錄到自制的表格中（見表2）。

由于學生歸納的結果不一定正確，或者找不出物理量之間的數學關系，教師需要再次利用GeoGebra軟件定量地探索干涉加強和干涉減弱時波程差與波長的關系，完善表2來歸納整理得出結論。若兩相干波源的初相相同時，兩波源到某點的波程差滿足式（3）時合振幅最大，滿足式（4）時合振幅最小。

干涉加強：

Δx=r1-r2=±kλ， k=0，1，2，…?????????????????（3）

干涉減弱：

Δx=r1-r2=±（2k+1）????， k=0，1，2，…???（4）

設計意圖：“波的干涉”及其形成條件是教學重難點，亦是學生難以理解的知識。教師借助GeoGebra軟件動態演示和定量探究功能（策略知識、學生知識），帶領學生破除學習障礙，引導學生歸納得出結論，實現對知識的內化。

（三）作業設計

作業是鞏固學生知識、提升學生物理核心素養的重要載體。如何在完成作業的過程中激發學生的興趣與探究意識值得教師思考。為此，教師利用網頁端的Phyphox軟件編輯模塊制作了一個波的疊加的仿真程序——學生可以在手機上安裝Phyphox軟件，掃描二維碼添加實驗程序，探索不同情況下波的疊加情況。作業方面，教師要求學生在課堂上完成教材上的習題，課后完成探究波的疊加的模擬實驗，并將探究成果截圖上傳到班級QQ群。

教師檢查學生上傳的截圖，發現有學生上傳了探究兩個同方向同頻率波的疊加示意圖（如圖8），可以看出第一列中x1波和x2波的疊加結果是加強的，第二列中x1波和x2波的疊加結果是減弱的。此外發現還有學生探究了兩個同方向（或相互垂直）不同頻率（或同頻率）波疊加時的合成圖樣，最后在QQ群內分享自己的發現。

設計意圖：好的作業設計不僅僅是為了鞏固學生的知識基礎，更重要的是保證課堂教學的延續，提高課后活動的實際參與度。基于此，教師借助Phyphox軟件設計小實驗來表征課程知識（策略知識），激發學生的探究意識與探究樂趣。

（四）實踐反思

實踐中，也有教師用實驗室的設備——波的傳播與疊加演示儀開展實驗教學。學生可以很清楚地看到波的傳播和疊加過程，但沒能得到波疊加的定量解釋。這個演示實驗雖然直觀，但是實驗在很短的時間內完成，造成學生觀察不足，難以深入理解，實驗教學效果浮于表面。在TPACK視域下，教師利用GeoGebra軟件將實驗過程動態分階段地進行呈現，學生更容易觀察波的疊加過程，從而了解其原理。同時，利用該軟件可以進一步定量地探究波的干涉的形成條件。這有利于提升物理教學的精確性與嚴謹性。在課后的探究實驗中，學生積極分享自己的探究發現，這說明該作業激發了學生的好奇心和求知欲，同時也調動了學生的學習積極性。

教師基于TPACK理念開展教學，可以促進自身專業能力發展。教師專業能力發展遵循的一般路徑如圖9所示，其基本假設是：教師通過學習，促進知識的增長和信念的改變，進而改變課堂教學行為，以提高學生的學習能力[9]。授課教師學習了TPACK理論，在課前制作課程資源的過程中，信息技術能力得以提升，增長了知識和智慧。對于此課的教學，學生給予了積極評價，這種正向反饋提升了教師整合技術講解物理統領性概念的能力，使得教師進一步認識到信息技術與物理教學融合十分必要。總的來說，教師在TPACK理論指導下利用信息技術開展物理教學，既能夠提升自身的知識儲備和實踐能力，提高對信息技術賦能教學的認識，又能增強學生的學習興趣，提升學生的學習效果。

三、對TPACK物理教學的展望與建議

信息技術的快速發展給物理教學帶來了很多可能性。教師基于TPACK理論，以“波的干涉”為例，利用信息技術來整合物理教學，在變革教師的教學方式和學生的學習方式、提升課堂教學效果方面起到了積極作用。教師應將傳統教學和信息技術有機結合起來，增強學生的學習動力，實現教學效果最大化。教師需要著眼于學生物理核心素養的發展，落實立德樹人根本任務，持續推動信息技術與物理教學的有機融合，為促進教育發展與變革提供源源不竭的動力。關于信息技術與物理教學的整合，提出以下幾點建議。

（一）推廣TPACK理論，助力數字賦能行動

在基礎教育課程改革創新潮流下，教師教學與學生學習模式正在發生變革。應用信息技術已成為教師的必備技能。TPACK理論要求教師具有使用技術有效教學的知識水平，包含信息技術環境下教師對課程內容的理解、開展教學的整體觀念、對學生“如何學”的認識和對自己“如何教”的計劃。信息技術與教育教學深度融合，對教師的專業素養提出了更高的要求。為進一步推進數字技術賦能基礎教育，社會應大力推介TPACK理論。這不僅有助于提高教師數字化教學的能力，而且可助力學校構建信息技術背景下的新型教與學的模式。

（二）合理利用信息技術，豐富教學活動

TPACK理論不僅僅是要求教師使用信息技術，更是要求教師在充分研讀課標、了解課程內容和學生基礎上，借助信息技術設置豐富的教學活動。教師開展數字化教學絕對不能為了“炫技”而盲目使用各式各樣的技術，一定要在認識學生認知基礎和思維特點后，針對授課內容的重點，借助信息技術突破其中的難點。如“波的干涉”這一節課，教師發現學生對波的疊加、干涉現象形成的動態過程理解有困難，于是采用GeoGebra軟件模擬這一動態過程，幫助學生破除認知障礙。

（三）樹立正確觀念，有效指導教學

整合技術的物理統領性概念是TPACK整合觀的構成要素之一，指的是技術環境下教師開展教學的思想觀念。這一要素會影響教師對知識的呈現和運用。隨著時代發展，課程教學也在不斷變革，信息技術與課堂教學的融合逐漸被重視。教師在提升專業素養的同時，也需樹立正確的教育觀念。教師只有對數字化轉型背景下的物理課堂、學生情況和教材內容等有正確的認識，才能實現信息技術與物理教學有效融合。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于印發《基礎教育課程教學改革深化行動方案》的通知[EB/OL].（2022-05-26）[2023-09-17].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj_kcjcgh/202306/t20230601_1062380.html.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3] Mishra P， Koehler M J. Technological Pedagogical Content Knowledge： A Framework for Teacher Knowledge[J].Teachers College Record，2006（6）：1017-1054.

[4] 范兵，蔡亞璇，徐錢欣，等.TPACK視域下的高中物理新授課教學設計：以“磁感應強度磁通量”為例[J].湖南中學物理，2021（10）：36-39.

[5] 謝宇航，范兵，蔡亞璇.基于TPACK理論的高中物理新授課教學設計：以“牛頓第一定律”為例[J].物理通報，2022（11）： 105-109.

[6] NIESS M L. Preparing teachers to teach science and mathematics with technology： Developing a technology pedagogical content knowledge[J]. Teaching and Teacher Education，2005（5）：509-523.

[7] 段元美，閆志明，張克俊.初中數學教師TPACK構成研究[J].電化教育研究，2015（4）：114-120.

[8] 殷正徐，吳偉.Geogebra軟件在高中物理課堂教學中的應用案例分析：以簡諧振動和機械波為例[J].物理教師，2017（10）： 70-73.

[9] 宋乃慶，張莎莎，陳婷，等.基于“問題提出”的小學數學教師主題式專業發展：理論建構與實踐探索[J].數學教育學報，2021（1）：12-18.

（作者范兵系華南師范大學物理學院博士研究生；彭婷系重慶市武隆中學物理教師；張帥系陜西師范大學物理學與信息技術學院碩士研究生；劉荷娜系湖北大學物理學院碩士研究生）

責任編輯：祝元志