基于PCK理論下的高中物理教學設(shè)計

《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出在物理課程教學過程中，教師應(yīng)嚴格落實“發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)”這一要求，實現(xiàn)教學中以“素養(yǎng)為本”，教、學、評一體化的教學模式。近年來，隨著教育研究的一步步深入，許多物理教育工作者越來越重視學科教學知識（PCK）對教師課堂教學的指導和促進作用，但在PCK理論的相關(guān)研究中，與物理課程的具體教學實踐相結(jié)合的研究還比較少，物理學科作為自然科學的基礎(chǔ)學科，更應(yīng)該融入PCK理論加以研究。教師PCK、物理課程教學以及物理學科核心素養(yǎng)三者之間緊密聯(lián)系，“力的合成與分解”是力學中較難的一部分內(nèi)容，因此本研究以這部分內(nèi)容為例，運用PCK理論指導該內(nèi)容的教學設(shè)計，通過教與學活動的展開，有效引導學生在已掌握的知識基礎(chǔ)上深入學習“力的合成與分解”內(nèi)容，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)，促進學生個體發(fā)展。

1 PCK理論的內(nèi)涵及要素分析

1986年，美國斯坦福大學教授舒爾曼針對當時美國教育體系中出現(xiàn)教學知識與學科知識相割裂的問題提出學科教學知識（Pedagogical Content Knowledge，簡稱為PCK）的概念，并將其定義為教師應(yīng)該用有效的教學方式將學科知識傳授給學生的知識，其包括課程內(nèi)容（實驗、規(guī)律、概念等）知識、教學方法或策略的知識、教學過程情境以及評價學生掌握程度的知識。1990年，格羅斯曼在舒爾曼理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)理論研究將PCK理論分解為四個方面：學科的知識、課程的知識、教學的知識以及學生的知識。為了PCK理論更好地融入教學實踐，基于舒爾曼和格羅斯曼的理論研究，本研究對PCK理論的內(nèi)涵作出進一步具體化、實踐化地分析，結(jié)合課堂教學實際把PCK理論要素概括為六個維度：Why、Where、What以及三個How，簡稱“3W+3H”。其中Why表示教學內(nèi)容的價值，Where表示教學目標，What表示教學內(nèi)容，三個How分別表示學生的現(xiàn)實、教學方法以及教學評價。這六個維度“3W+3H”與PCK內(nèi)涵的四個部分的對應(yīng)關(guān)系如表所示。Why（教學內(nèi)容的價值）及Where（教學目標）歸屬于學科的知識；What（教學內(nèi)容）歸屬于課程的知識；How（教學策略）及How（教學評價）歸屬于教學的知識；How（學生的現(xiàn)實）歸屬于學生的知識。依據(jù)六個維度將PCK理論與物理學科相融合，使教師在物理課堂教學中發(fā)揮充分的作用，立足于學生發(fā)展角度，讓學生在物理課堂學習中充分發(fā)散思維，才能體現(xiàn)物理課堂教學的真正意義。

2 PCK理論指導下的“力的合成與分解”教學解析

2.1 學科的知識

教學內(nèi)容的價值（Why）是指為什么教學。“力的合成與分解”這部分內(nèi)容是學生在物理課程學習中分析和解決力學相關(guān)問題的基礎(chǔ)，同時也是物理學科高頻考點。本節(jié)內(nèi)容的學習為后續(xù)動量、沖量等部分知識的學習做鋪墊，從內(nèi)容上看，“力的合成與分解”章節(jié)承上啟下，上接三種常見的力（重力、彈力、摩擦力）部分內(nèi)容，下續(xù)力學中重要定律應(yīng)用的內(nèi)容，同時是物理學科中“等效替代”方法的具體運用，并且為學生學習后續(xù)相關(guān)內(nèi)容打下堅實的基礎(chǔ)。

教學目標（Where），基于普通高中物理課程標準落實學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的理念要求以及本節(jié)課相關(guān)內(nèi)容，確定本節(jié)課的教學目標分為四部分。第一部分：物理觀念維度，包含掌握“矢量”“標量”的概念、“合成”與“分解”的定義以及“力的合成與分解”在實際問題中的應(yīng)用。第二部分：科學思維維度，包含對簡單的“力的合成與分解”問題進行推理與分析，深刻認識“等效替代”的方法及思想在科學研究中的重要作用，為后續(xù)物理課程學習培養(yǎng)良好的思維習慣。第三部分：科學探究維度，使學生掌握實驗過程中的基本步驟和方法，在實驗過程中培養(yǎng)學生的動手技能及探究能力，學會用等效代替思想分析和解決生活中遇到的問題。第四部分：科學態(tài)度與責任維度，通過情境創(chuàng)設(shè)和物理學史的融入，激發(fā)學生的民族自豪感和學習積極性；通過“力的合成與分解”實驗探究，培養(yǎng)學生嚴謹認真的科學態(tài)度；通過物理知識在生活中的應(yīng)用，引導學生樹立學好物理的信心和決心，落實物理課程立德樹人的根本任務(wù)。

2.2 課程的知識

教學內(nèi)容（What）是指本節(jié)課應(yīng)該讓學生學習的知識，旨在挖掘物理知識本質(zhì)以及物理學科核心素養(yǎng)。“力的合成與分解”來源于人教版必修課本高一《物理》中第三章第4、5節(jié)內(nèi)容，主要講授分力和合力的知識，理解力的合成與分解的意義，尋找等效力，掌握平行四邊形定則的使用方法。本部分內(nèi)容是力學部分的基礎(chǔ)，為后續(xù)牛頓第二定律、動量定理等內(nèi)容的學習奠定根基。

教學內(nèi)容（What）中的重點與難點。基于本節(jié)課堂的教學內(nèi)容，同時結(jié)合學生當前認知和心理特征，本節(jié)課的教學重點設(shè)定為探究合力與分力的關(guān)系、等效替代思想的理解。教學難點設(shè)定為實驗的探究與設(shè)計、對于力的平行四邊形定則的應(yīng)用。同時經(jīng)過本節(jié)課的學習，希望學生能夠積極探究日常生活及實際應(yīng)用中蘊藏的物理知識，培養(yǎng)學生勇于思考、敢于探究的思維素養(yǎng)。

2.3 教學的知識

教學策略（How）是指如何開展教學過程。落實物理學科核心素養(yǎng)在物理課堂中的培養(yǎng)，離不開教師在教學過程中的引導。傳統(tǒng)的教學設(shè)計過于注重課程知識本身以及教師的主體地位，而忽略了知識與實際應(yīng)用的聯(lián)系以及學生在學習過程中的核心地位。結(jié)合本節(jié)課“力的合成與分解”的內(nèi)容，在課堂中通過啟發(fā)性教學、實驗探究以及多媒體的教學方法，在教學中設(shè)立獨立思考與分組討論等流程，讓學生學會利用現(xiàn)有實驗器材自主設(shè)計實驗過程、動手操作實驗、觀察實驗現(xiàn)象以及從現(xiàn)象中剖析原理，從而提高學生的分析和歸納能力。

教學評價（How）是指如何評價這堂課，不僅僅是評價教師教得如何，更重要的是評價學生學得怎樣。在課堂上，通過對學生自主設(shè)計實驗過程的交流，評價學生實驗探究的水平；通過對“力的合成與分解”內(nèi)容在實際生活中的應(yīng)用的討論，評價學生物理價值認知的水平。在課程結(jié)束后，教師可通過隨堂檢測及課后的練習情況來評價學生的學習效果。

2.4 學生的知識

學生的現(xiàn)實（How）是指所教學生目前的學習現(xiàn)狀，包括學生知識基礎(chǔ)、學生興趣以及認知特點。了解學生的認知水平是教師教學設(shè)計的起點。在初中學習階段，大部分學生已初步了解到力的相關(guān)基礎(chǔ)知識，并且對矢量有了初步認識，但是對于矢量的運算還沒有形成相應(yīng)習慣。同時部分學生在生活中也接觸過“力的合成與分解”的相關(guān)的簡單案例。而意識到高中學生具有較強的好奇心和求知欲，思維活躍，對實驗現(xiàn)象非常感興趣，因此通過實驗探究的過程幫助學生理解“力的合成與分解”內(nèi)容更能符合學生的現(xiàn)實（How）。學生在探究的過程中能夠體驗物理規(guī)律的形成過程，從而加深對所學知識的理解與掌握。

3 基于PCK理論的“力的合成與分解”教學設(shè)計

“力的合成與分解”是高一物理中十分重要的內(nèi)容，本節(jié)知識的學習為后續(xù)內(nèi)容奠定基礎(chǔ)，對學生構(gòu)建“等效替代”的物理思維起著十分重要的作用。力是一個抽象的概念，在課堂教學中，如果直接給出定義教學，就會形成死記硬背式的刻板教學。其后果就是學生只是簡單地記住了概念、公式等基礎(chǔ)知識，而不能真正理解“力的合成與分解”的內(nèi)涵及應(yīng)用。“力的合成與分解”內(nèi)容與生活息息相關(guān)，因此在授課時可以從簡單熟悉的情境引入開始，引發(fā)學生的學習興趣。

（1）創(chuàng)設(shè)教學情境，引入課題

[情境導入]通過曹沖稱象的經(jīng)典故事將學生帶入“力的合成與分解”的教學情境中，引出等效替代的思想，激發(fā)學生學習新知識的動力。

[設(shè)計意圖]以學生耳熟能詳?shù)慕?jīng)典故事出發(fā)，引出本節(jié)課內(nèi)容，激發(fā)學生學習興趣，引發(fā)學生探索未知的問題。從已知到與已知相似的未知，來研究未知，符合PCK的核心理念。同時，曹沖稱象顯示我國古代人們遇事善于觀察和思考的智慧，進一步激發(fā)學生的自豪感和學習的興趣。

（2）概念引出

[回顧舊知]前面的課程中學習了力的概念以及力的三要素，本節(jié)課通過圖片展示、演示實驗引出力的等效、合力與分力的概念。

[設(shè)計意圖]結(jié)合學生的現(xiàn)實（How），引導學生復習已學知識，通過展示受力圖片，設(shè)置問題，引發(fā)學生思考，同時為教師設(shè)計以下演示實驗埋下伏筆，彰顯本節(jié)課的教學策略（How）。

（3）演示實驗

[實驗準備]兩個彈簧測力計、鉛筆、直尺、橡皮筋、細線、白紙、夾子、木板。

[老師提問]請同學們思考：利用已有實驗器材，應(yīng)該如何設(shè)計開展實驗呢？

[實驗設(shè)計]用夾子將白紙固定在木板上，將橡皮筋的一端固定在夾子上，用手通過兩個彈簧測力計共同拉動橡皮筋的另一端，橡皮筋的另一端被拉到某一位置，用鉛筆標記為O點，沿著拉線的方向標出拉力的方向，通過彈簧測力計記錄拉力的大小。接下來，用另一個彈簧測力計單獨拉動小圓環(huán)使小圓環(huán)仍被拉到O點，沿著拉線的方向標出拉力的方向，根據(jù)彈簧測力計記錄拉力的大小。

[老師提問]在實驗過程中，如何實現(xiàn)合力與分力的作用效果相同？

[學生討論]針對老師提出的問題進行分組討論，分別給出小組討論結(jié)果如下。

學生1：兩次拉動橡皮筋的另一端，都能使橡皮筋的另一端保持靜止狀態(tài)，可以說明合力與分力的作用效果是一樣的。

學生2：兩次拉動橡皮筋的另一端，都能使橡皮筋的另一端靜止在O點，才能實現(xiàn)合力與分力的作用效果完全相同。

[老師提問]接下來，應(yīng)該如何處理實驗記錄下來的信息？

[學生猜想]將拉力的箭頭端分別與、的箭頭端連接，發(fā)現(xiàn)合力可能是平行四邊形的對角線，而這個平行四邊形是以兩個分力為鄰邊組成的。

[畫圖板書]猜想的合力與實際測量的合力，大小近似相等，方向幾乎重合。

[得出結(jié)論]在兩個力進行合成的時候，可以用表示這兩個力的有向線段為鄰邊做一個平行四邊形，這個平行四邊形兩個鄰邊之間的對角線就表示合力的大小和方向，這個規(guī)律被稱為“平行四邊形定則”。

[老師提問]假設(shè)要使測量盡可能地準確，需要注意哪些實驗操作細節(jié)？

[學生分組討論并歸納]

學生1：彈簧測力計在使用之前，應(yīng)該先調(diào)零，需估讀；

學生2：拉力與桌面平行，大小適當；

學生3：測量前先了解彈簧測力計的量程、單位以及分度值，在讀數(shù)時眼睛要正視刻度盤；

學生4：做力的圖示先取單位長度。

[教師總結(jié)]沿拉線方向做標記點確定力的方向時，該點與O點之間的距離不能太近，不然在確定力的方向時會出現(xiàn)較大偏差，從而影響實驗結(jié)果。

[設(shè)計意圖]《普通高中物理課程標準（2017年版）》中提出物理課程教學應(yīng)進一步提高學生的物理學科核心素養(yǎng)。因此在教學中利用實驗設(shè)計培養(yǎng)學生的實操能力以及利用現(xiàn)有實驗器材設(shè)計實驗的應(yīng)變能力，使學生敢于實驗，樂于探究，學會從實驗操作中總結(jié)、分析本節(jié)知識。經(jīng)過合力與分力的作用效果的展示，明確力的合力求法，并且通過實驗過程中反復驗證，培養(yǎng)學生科學探究精神，進一步落實本節(jié)教學內(nèi)容（What）。

（4）知識拓展

[老師提問]在得到力的合力求法后，請同學們進一步思考力的分解應(yīng)該遵循什么樣的規(guī)律？

[學生猜想]力的分解應(yīng)該是力的合成的逆運算。

[教師總結(jié)]力的分解實驗可以策劃為第一步用拉力把橡皮筋拉到O點固定，第二步則改用拉力和一起拉橡皮筋使其產(chǎn)生相同的效果，這種情況下和兩個力就可以當作力的分力。在這個實驗操作中，因為每個力的數(shù)值都沒有發(fā)生變化，所以我們知道平行四邊形定則同樣也適用于力的分解。依據(jù)前面的內(nèi)容分析，我們可以做出“力的合成與分解”的關(guān)系示意圖如圖所示。

[知識小結(jié)]

① 已知合力求分力是力的分解；已知分力求合力是力的合成。

② 力的合成與力的分解互為逆運算。

③ 平行四邊形定則適用于力的合成與力的分解，也就是說力的合成與力的分解都遵從平行四邊形定則。

④ 力的合成與分解核心思想：等效替代。

⑤ 力的分解應(yīng)以有利于解決實際問題為原則，一般按力的作用效果對力進行分解。

[設(shè)計意圖]PCK理論指出，課堂教學中應(yīng)弄清楚學生在學習過程中比較容易理解的知識、比較容易混淆的知識以及學生的常見錯誤是什么，并且找到能夠幫助學生辨析和糾正的方法。“力的合成與分解”中合成與分解互為逆運算，并且都遵從平行四邊形定則，教師應(yīng)當幫助學生加強這部分知識的理解與應(yīng)用，深度建構(gòu)“等效替代”的核心思維，完成本節(jié)教學目標（Where）。

（5）例題講解

[老師]請同學們認真獨立思考相應(yīng)例題，并給出自己的答案。

[設(shè)計意圖]將本節(jié)課所學知識通過練習達到鞏固的效果，循序漸進地引導學生掌握力的合成與分解中基本規(guī)律。

（6）作業(yè)布置

①復習本節(jié)課程所學知識點，畫思維導圖加深對課程知識的理解與記憶；

②完成課后三道練習題，對本節(jié)課內(nèi)容還有疑慮的同學及時與老師交流；

③同學們利用課余時間，研究拉鏈的拉開與合上過程，討論拉鏈拉開與合上過程中如何運用力的合成與分解的原理。

[設(shè)計意圖]：作業(yè)環(huán)節(jié)是對上課環(huán)節(jié)的必要補充。鼓勵學生課下對所學內(nèi)容進一步思考探究，通過課下練習鞏固課堂所學知識并總結(jié)力的合成與分解在生活中的應(yīng)用，形成“力的合成與分解”的應(yīng)用模型，學生能分析和思考其原理，了解學習物理與生活息息相關(guān)，增強學生物理服務(wù)社會的社會責任感，升華物理學科的核心素養(yǎng)。通過作業(yè)練習的反饋，鞏固新知識，實現(xiàn)新舊知識的連接，完成本節(jié)內(nèi)容的教學評價（How）。

（7）教師總結(jié)

“力的合成與分解”在日常生活中應(yīng)用十分廣泛，例如，細心的同學肯定會觀察到黃石長江公路大橋有一段很長的引橋，那么這個引橋的作用是什么呢？這個答案就離不開力的分解的相關(guān)知識。這些都充分說明了物理知識具有廣泛的應(yīng)用價值，尤其是在科技高速發(fā)展的今天，物理研究水平往往影響著人們的生活方式、思想方式等。所以，我們今天學好物理，將來才能更有可能為國家的發(fā)展作出貢獻。

[設(shè)計意圖]：物理知識最終會回歸到實際生活中，通過生活中的應(yīng)用舉例再次體現(xiàn)物理源于生活，并服務(wù)于生活，進一步落實PCK要素中教學內(nèi)容的價值（Why），將物理知識教學與學生思想教育相融合，引導學生樹立學好物理的信心和決心，落實物理課程立德樹人的根本任務(wù)。

4 結(jié)語

在將PCK理論與教學實踐相融合的過程中教師并不是簡單地傳輸知識給學生，而是需要做到“授人以魚不如授人以漁”，也就是要求教師在課堂教學中側(cè)重將理論與應(yīng)用相結(jié)合。讓學生學習到物理知識（概念、規(guī)律等）的同時，掌握探究、推理方法，將書本上的知識應(yīng)用到實際，實現(xiàn)教育的真正價值。

本文基于PCK理論“3W+3H”框架對“力的合成與分解”內(nèi)容進行教學設(shè)計，在課堂教學中強調(diào)了學生學習的主體地位以及教師教學的主導作用，立足于發(fā)展學生的知識、能力和素養(yǎng)的綜合培養(yǎng)，并且始終以學生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)為著力點，關(guān)注并開發(fā)知識的育人價值。教師將PCK理論融入教學設(shè)計時應(yīng)注意全面透徹分析“3W+3H”的核心內(nèi)涵。課堂教學是一個不斷創(chuàng)新、不斷總結(jié)、不斷完善的過程，PCK理論作為對教師最有用的知識，需要教師通過理論到教學實踐、教學實踐到教學反思的反復探索過程，構(gòu)建好自己的學科教學知識，不斷促進教師的專業(yè)成長，更好地達成每次課程的教學目標，使學生的能力和學科素養(yǎng)得到全面提升。

本文系2022年度湖北師范大學課程思政示范課程（項目編號：KCSZ202243）、湖北省級教學研究項目（項目編號：2020606）研究成果。

（作者單位：湖北師范大學物理與電子科學學院）