融合信息技術教學 促進核心素養達成

摘" "要：隨著信息技術的不斷進步，在物理教學過程中，應當充分利用信息技術與課堂教學的深度融合，以提升物理教學的整體質量，并引導學生探索新的物理問題解決思路與方法。以魯科版高中物理必修二第三章第二節“科學探究：向心力”的教學實踐為例，展示如何有效發揮信息技術在物理教學中的優勢，通過實現現代技術、課程教學與科學探究三者的有機結合，促進學生物理核心素養的培養與達成。

關鍵詞：數字傳感器；手機物理工坊；Excel功能應用；向心力探究

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》針對信息技術與物理教學的深度融合指出：積極開發和利用數字媒體課程資源。物理教學中要積極利用已有的數字媒體，主動開發適合教學、提高教學質量的信息產品，拓寬物理學習途徑，促進物理教學方式的改革。要重視數字實驗，創新實驗方式。數字實驗是學生創新能力培養的重要方法和手段[ 1 ]。

物理規律的形成通常以物理事實為依據，學生學習物理規律，必須在認識、分析和研究有關物理事實的基礎上進行。對于中學生來說，抽象思維能力不強，因此感性材料的獲取（實驗中獲取的精確大量的數據、物理量的函數關系圖像以及函數關系式）對他們理解和掌握物理規律尤為重要[ 2 ]。信息技術和物理教學的有機結合，讓學生在創新實驗中直觀獲取感性的數據，并且對數據的處理方法也更新穎快捷。這樣便于引導學生對數據的分析和對抽象規律的歸納總結，有效地培養學生物理科學思維核心素養。

下面借助TPACK理論促進教育教學的有機結合，通過“科學探究：向心力”這節課信息技術與教學的融合的探究體驗，來感受信息技術在物理教學中的賦能。

1" TPACK理論體系

1.1" TPACK概述

TPACK是Technological Pedagogical Content Knowledge 的縮寫，即整合技術的學科教學知識。TPACK 包含三個核心要素和四個復合要素，其中三個核心要素為TK、CK 和PK。TK的全稱是Technology Knowledge，指代教育教學運用到的各類教育技術知識，CK 的全稱是Content Knowledge，指代學科內容知識，PK全稱是Pedagogical Knowledge，指代教師開展教育教學活動所具有的教學法知識。四個復合要素包括PCK（學科教學法知識）、TCK（整合技術的學科內容知識）、TPK（整合技術的教學法知識）和 TPACK（整合技術的學科教學法知識）[ 2 ]。

1.2" “科學探究：向心力”教學中TPACK構成元素分析

表1展示了在“科學探究：向心力”教學中融合新的信息技術與教學知識的體系框架。

2" 傳統實驗設計及其局限性

2.1" 傳統實驗設計

魯科版教材“科學探究：向心力”一節中用“向心力演示器”實驗裝置（如圖1所示）來探究影響向心力大小和半徑、角速度、質量的定量關系。

本實驗采用控制變量法，半定量的來探究向心力大小與質量、半徑、角速度三者之間的關系。

2.2" 傳統實驗的局限性

傳統探究實驗在獲取科學證據過程中有很多的局限性：①采集數據少，學生對數據分析得出的結論缺乏嚴謹性和科學性。②本器材只能獲得向心力大小和質量、半徑、角速度的比值關系，半定量探究，不能達到課標的要求定量探究。③不能測量出向心力大小的具體數值，所以無法獲得向心力與角速度的關系式。

3" 應用TPACK理論的教學設計思路

基于以上傳統實驗的局限性，結合“科學探究：向心力”TPACK體系各要素，設計教學思路如表2所示，本設計的意圖是把恰當的信息技術融入具體的教學中來。

3.1" 線索連貫——環節銜接自然化

在引入環節，教師應挖掘恰如其分的視頻資源。例如游樂場的旋轉飛椅視頻、花樣滑冰運動員視頻等生活生產中具體的圓周運動的情境，引導學生分析向心力來源。不僅鞏固了向心力來源的知識點，同時也引出向心大小的研究。設計一個小實驗讓學生感受圓周運動所需要的向心力的大小。用數字拉力器來直觀讀取細繩穿過筆桿拉小鋼球做圓周運動所需要的向心力大小，學生通過探究實驗感受向心力大小決定因素，提出準確表述可探究的物理問題，做出有依據的假設。

TCK分析：播放的視頻，要與圓周運動向心力研究相關的運動真實情境。教師充分挖掘視頻資源（相關的網絡資源非常多，比如Bilibili站，抖音等），視頻要“有趣、驚險、疑惑”為依據。比如高空飛椅視頻刺激、驚險，隨著飛椅越飛越高，人和飛椅做圓周運動所需要的向心力大小怎么變呢？充分調動學生的好奇心和求知欲。

PTK分析：設計學生通過數字拉力器感受向心力大小的探究小實驗，激發學生探究熱情，引發學生思考。學生在面對真實的情境時，能從不同切入點提出探究的問題，做出合理的猜想。向心力大小可能與圓周運動快慢、半徑、質量有關。教師引導學生驗證猜想，設計探究方案。根據學生設計的方案，教師通過“向心力演示器”和學生一起來進行傳統實驗器材的探究實驗。驗證猜想假設的正確性，讓學生一起經歷傳統實驗探究過程，也讓其發現傳統實驗無法定量來探究向心力的大小的弊端，同時讓學生感受實驗要創新，技術要創新，實驗儀器也要創新。

TCK分析：DIS實驗和“手機物理工坊”向心加速度傳感器的應用可以直觀和精確地測量出各個研究物理量的大小，讓定性的探究變成定量的探究。促進向心力大小和各個物理量之間關系的加工和整合。

3.2" 傳感器和軟件相結合——操作簡單直觀化

采用DISLab數據傳感器和對應的配套軟件（“手機物理工坊”APP向心加速度傳感器）進行探究實驗，能進行歸納總結實驗結論如圖2所示。在學生開始實驗探究前，教師應先介紹拉力傳感器、光電計時器與數據采集器的連接方式及其配套的軟件的使用方法和原理、“手機物理工坊”APP向心加速度傳感器的使用方法和原理。這兩個技術的引入都具有操作簡單、實時采集數據、繪制相關圖像的留痕優勢。減少大量數據處理的時間、克服學生繪制相關物理量關系圖的困難。

利用數字化實驗，學生使用傳感器獲得的實時、動態、真實的實驗數據，以此來進行物理規律的尋找，并突破傳統實驗需要捕捉瞬時數據的弊端，同時幫助學生進行真實探究，如圖3、圖4所示。教師通過收集不同組的實驗采集到的數據，應用同屏分享給同學平板電腦，引導學生應用Excel表格功能探究物理量之間的表達式（F=mw2r），如圖5、圖6所示。為接下來深入研究圓周運動規律打下堅實的知識基礎。

TPK分析：通過學生的分組探究，進一步科學論證物理量之間的定量關系。根據圖像的直觀表現學生進一步分析得出向心力大小和角速度的平方成正比關系，并能通大量的具體數據深入探究物理量之間的關系式。數字實驗在探究實驗教學中充分發揮著它獨特的優勢。

3.3" 關注細節——歸納總結深度化

傳統實驗教學中給定設計方案，設計好實驗表格，學生分組實驗填寫好表格。學生要從這樣的分割化、碎片化任務中分析歸納總結出物理規律難度很大。由于數據采集量少，數據誤差大。顯然要從這樣零碎的數據中得出正確的結論是嚴謹性和科學性欠缺。所以從學生的認知水平出發，讓學生經歷完整的探究實驗過程，引導學生從數字采集器采集大量的實驗數據入手，撥開實驗數據表象，看到現象背后蘊含的物理規律是教師教學要著重關注的點。教師可以提前設計一個任務清單如表3所示。

表 3" 實驗探究任務清單

根據小組分組完成實驗探究任務清單，教師應用投屏技術展示學生探究思維全過程，方便師生、生生之間相互了解并討論。在這個過程中，教師在教學中應該要關注到兩個細節。要對細節進行跟蹤和反饋，引導學生深度思考并促進思維的進階提升。

關注一：關注學生的前知識。在學生完成本節課的相關前知識后，透過屏幕共享調取學生完成情況，看學生理解向心力來源是否到位，能解釋為什么繩子拉著小球做圓周運動拉力的大小就是反應向心力的大小。避免學生認知不到位造成探究目標不明確。此外也可以通過問題鏈來引導學生：①物體做圓周運動向心力是什么力提供？②向心力大小如何測量？③如何改變向心力大小？③向心大小與很多因素有關，如何實現物理量關系的定量探究？并方便記錄數據，便于分析歸納，得出規律。用問題鏈來啟發學生，充分調動學生的思維主觀能動性。鼓勵學生利用智能APP進行自定義實驗設計，探索新的實驗方法和思路，培養他們的創新思維。

關注二：關注師生互動和生生互動。學生完成實驗數據采集，并對數據進行處理分析，歸納總結。學生進行投屏分享講解。這個過程培養學生能綜合性地對研究問題進行分析和推理，能考慮論據的可靠性并合理使用證據證明自己的結論，能和老師、同學進行深入的交流和互動。教師提出相關問題：①使用這套儀器采集數據有什么優點？②數據如何進行處理？③探究過程有沒有出現新問題？結合學生的分享過程來深入了解學生的科學思維方式和對感性材料的加工分析能力。培養了學生語言組織能力和邏輯推理能力，分析概括能力。同時可以進行小組PK賽。提出各自的設計理念，設計優點，改進方案。不僅可以讓學生獲得不同的設計思路，同時也可以發現自己小組設計過程沒有發現的缺陷，提出不同的解決方案，深度挖掘學生的思辨能力，進行從現象到本質，再到發現新問題，提出新方案，解決新問題的抽象性創造性工作的轉化。不再拘泥單一問題的研究，讓學生的思維進階性地發展。

4" 結束語

本文以一個具體的信息技術實驗課例為依托，通過具體的教學實施過程中，充分融合創新技術來突破核心素養科學培養目標，讓培養學生的科學思維方式有章可循。當然信息技術與物理教育教學的融合方式方法是多樣性，每一次的教學過程其實就是一次創新和改進的過程，讓探究實驗真實，尊重實驗過程，尊重科學事實。充分調動起學生的積極性、能動性和創造性，教師的教學引導往往不能一步到位。很多時候在繞彎路的過程中也是一次發現問題，提出問題，分析問題，解決問題的過程，看似不太完美卻是一次真實的探究創新教學。教無定法，所以教學方式的創新，教學手段的改進，教學技術的改革，信息技術在教學中的深度融合是一線教師保持教學長青的必修課，更是培養適應新時代、新要求的新型創新型人才的重要手段和方法。

參考文獻：

［1］ 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.

［2］ 譚雪梅，潘健.整合技術的學科教學法知識（TPACK）測評及發展模式研究[J].教師教育學報，2016，3（6）：96-103.

［3］ 趙馨樂、莊偉.技術賦能教育 減輕認知負荷[J].中學物理，2023，41（21）：37-39.