TPACK視角下的高中物理教學案例分析與思考
——以“學習包—電磁波”的教學為例

郭雅潔

(上海市浦東教育發展研究院,上海 200127)

2018年1月22日,教育部教師工作司發布了關于印發《教育部教師工作司2018年工作要點》(以下簡稱《要點》)的通知,《要點》中強調要大力提升教師新技術應用能力,推動新技術與教師專業發展有機融合．2017年底出臺的《普通高中物理課程標準》倡導物理教師通過多樣化的教學方式,利用現代信息技術,來引導學生理解物理學的本質,增強學生的探究能力和解決實際問題的能力．[1]由此看來,信息技術的變革給教育教學帶來了重大的影響,利用信息技術開展教育教學的能力將成為信息時代下中學物理教師專業能力中的一項重要能力．

1 TPACK框架與內涵

2009年美國密西根州立大學學者Koehler和Mishra就曾在《What Is Technological Pedagogical Content Knowledge?》一文中提出了整合技術的學科教學知識(TPACK),首次將技術知識納入教師知識結構．這一理論的提出,不僅詮釋了學科知識、教學知識和技術知識三者之間復雜交疊的關系,也為信息技術時代下技術與學科教學的融合提供了理論依據．

TPACK包含3種核心知識元素:學科知識(Content Knowledge,簡稱CK)、教學知識(Pedagogical Knowledge,簡稱PK)和技術知識(Technological Knowledge,簡稱TK)．其中,學科知識(CK)包括教師要教的知識和教師對知識的理解;教學知識(PK)指關于所有教與學過程、實踐或方法相關的知識;技術知識(TK)是指關于技術特點和應用的知識,對具體技術的操作和適應以及學習新技術的能力．

由于這3種核心元素的交叉融合,又衍生了4種復合要素:學科教學知識(PCK)、整合技術的學科知識(TCK)、整合技術的教學知識(TPK)和整合技術的學科教學知識(TPACK)等．學科教學知識指關于如何選用不同的教學法來促進某門學科教學的知識,即具體學科知識的“教學轉化”;整合技術的學科知識指關于如何整合技術來呈現該學科內容的知識;整合技術的教學知識指如何使用技術來支持教學的知識;整合技術的學科教學知識指關于技術的產生如何影響學科內容的組織和教學法選擇的知識．[2]

2 TPACK視角下的高中物理教學案例

本文以上?？茖W技術出版社高中二年級第2學期物理教材的第11章“學習包—電磁波”的教學為例,以TPACK的視角進行教學分析,并給出相應的教學設計．

2.1 基于TPACK的“學習包—電磁波”的教學分析

學科內容分析：本節學習包的內容主要涉及電磁波的概念,電磁波的產生、傳播和接收,電磁波譜,以及電磁波的特點、性質及其簡單應用,是本章前兩節電磁感應和感應電流相關知識的延伸和應用．電磁波的概念較為抽象,在教學過程中只作定性介紹,不作深刻的理論分析．

教學重點: (1) 麥克斯韋電磁場理論; (2) 電磁波譜．

教學難點:麥克斯韋電磁場理論．

教學法分析： 學生在初中階段已經接觸到有關電磁波的知識,但是對電磁波的產生原理、電磁波譜以及不同波段的電磁波的性質和應用卻并不熟悉．因此本節課通過演示實驗激發學生的學習熱情和求知欲,將電磁波的概念和產生原理闡釋清楚,同時通過學生實驗激發學生的學習興趣和探究熱情,也讓學生感受到物理知識與實際生產生活的緊密聯系．高中生已經具備了較強的自主學習的能力,所以本節課提供給學生“學習包”的平臺,讓學生自主學習,了解電磁波的特點和應用．

技術分析： 本節課將技術與教學相結合,通過技術來輔助解決傳統課堂中難以解決的問題、無法呈現的效果,這在一定程度上豐富了學生的學習體驗,提升了教學有效性,促進教學目標的有效達成．

2.2 基于TPACK的“學習包—電磁波”的教學設計

環節1:情境引入.

演示“氖燈發光”實驗,學生觀察實驗現象,思考氖燈發光的原因．(實驗如圖1所示)

提問1:回憶電路中的知識,要使燈發光,需要什么能量?

提問2:氖燈與高壓發生器之間并無導線連接,能量是通過什么傳遞的呢?

由此引入本節課題——電磁波．

圖1 高壓發生器激發氖燈發光實驗圖

設計意圖： 此處通過演示實驗激發學生學習興趣,并通過兩次追問引發學生思考．學生對氖燈發光的原理并不知曉,但是學生已經有了第9章“電路”的基礎,知道用電器工作必須要有電能,所以對“電能”的來源產生疑問．

實現方式： 本實驗作為本節課的導入環節的演示實驗,必然要使得全班學生能夠清晰看到完整的實驗現象．然而實驗中使用的氖泡很小,即使發光明亮也很難確保全班學生都能看清．因此在此環節中,筆者使用了蘋果手機的錄屏功能，啟動錄屏軟件,確保手機和教室中的計算機在同一網絡環境中,讓手機和錄屏設備相連接．打開手機攝像頭,讓手機攝像頭對準實驗裝置,將實驗現象投射到教室的顯示屏上,放大實驗現象．

環節2:新課講授.

由演示實驗引出“電磁波”的概念,那么什么是電磁波呢?教師從學生已有的知識基礎出發,引導學生回顧“電磁感應現象”和“電流的磁效應”,讓學生思考一段時間后由學生自己描述．

教師補充:在變化的磁場中放一個閉合電路,電路里將會產生感應電流,這就是電磁感應現象．麥克斯韋從場的觀點解釋,電路里之所以會產生感應電流,實際上是因為這個變化的磁場產生了電場,電荷在電場的作用下定向移動形成了感應電流．既然變化的磁場能產生電場,那變化的電場是否也能產生磁場呢?研究表明，變化的電場也能產生變化的磁場，這種變化的電場和變化的磁場交替產生,從而形成了一個不可分割的統一體——電磁場．電磁場從發生區域向空間傳播,就形成了電磁波．電磁波傳播過程中同時伴隨著能量的傳遞．

學生對電磁波產生原理有了初步的認識,教師此時可以向學生解釋本節課開始時候的演示實驗的原理:高壓發生器發射出電磁波信號,氖燈接收到通過電磁波傳遞的電能,所以發光．1887年德國物理學家赫茲以實驗證實電磁波的存在,與這一演示實驗的原理相似．

設計意圖： 這部分內容是本節課的重點,也是難點．2017年新頒布的《普通高中物理課程標準》中對“電磁波”這部分內容提出了明確的要求“初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想;初步了解場的統一性與多樣性,體會物理學對統一性的追求．”《上海市高中物理學科教學基本要求》中對這部分內容的學習水平要求為A,即學生僅需要“知道”電磁場的概念以及麥克斯韋電磁場理論的基本思想．[3]所以本節課沒有對此進行深刻探討．

實現方式： 通過PPT回顧“電磁感應現象”和“電流的磁效應”等重要規律,呈現電磁、磁場相互激發的原理圖,幫助學生理解電磁波形成和傳播的基本原理．

環節3:實驗探究.

通過DIS微電流實驗探測電磁波,了解電磁波的特性．

實驗器材:DIS6.0實驗系統、微電流傳感器、干電池、鋁箔紙、手機(自帶)．

(1) 讓學生舉例說說他們知道的電磁波發射源．

學生回答:手機、電動剃須刀、半導體收音機、音箱、微波爐等等．

(2) 學生分組實驗.通過DIS實驗檢測電磁波的發射、接收與屏蔽，并完成“學習卡”上的相關要求．

操作步驟:

a. 手機靜止在感應線圈附近,不做任何操作,觀察波形變化;b. 手機靜止在感應線圈附近時,撥打電話,再一次觀察波形變化;c. 當撥打電話的手機距離感應線圈較遠時,觀察波形變化;d. 用金屬鋁箔紙包住手機,看是否能夠接收到來電信號．

(3) 學生交流觀察到的實驗現象,并得出相關結論．

設計意圖： 讓學生利用DIS微電流傳感器以及電磁波信號源檢測電磁波接收、發射與屏蔽的效果，以此來激發學生興趣,感受生活中的電磁波,讓學生切身體會到“電磁波無處不在”．

實現方式： 將“實驗器材”、“實驗原理”、“實驗準備”、“實驗內容和操作”以及要填寫的“實驗現象和結論”通過“學習卡”的形式呈現,學生人手一張．學生自主閱讀“學習卡”進行操作和記錄,教師在學生實驗的過程中一邊觀察一邊加以引導．

環節4:新課講授.

通過PPT向學生介紹電磁波的一些基本屬性以及電磁波譜．

環節5:學習與分享.

了解電磁波的特點、應用及危害．

(1) 自由閱讀環節.

為學生提供6個不同波段電磁波的相關資料,學生通過掃描二維碼,選擇一個感興趣的進行瀏覽,也可閱讀課本中提供的“學習包”材料,完成表格,表格中需要填寫的內容包括選讀的波段、產生機理、分類、性質或特點、用途和危害．

(2) 交流分享環節.

請學生介紹所了解的電磁波的性質、應用和特點,與其他學生分享．

設計意圖： 與電磁波譜有關的信息量巨大,課堂上有限的時間無法使學生了解所有波段電磁波的基本知識,所以本環節設計了讓學生自主選擇感興趣的信息自主學習并在組內交流共享的方式．“學生是課堂的主人”,“學習包”的理念也正是要突出學生的自主性,讓學生在探究、思考和交流的過程中深入了解電磁波的性質以及電磁波的應用和發展．另外,二維碼將相關信息整合在一起,也節省了學生大量搜索網頁以及了解無關信息的時間．

實現方式： 教師在課前通過“草料二維碼”軟件將各波段電磁波的知識內容或相關網頁鏈接編輯、整合在一個二維碼中,制作各波段的電磁波的二維碼．每個二維碼中的內容可以任意編輯、美化,可以包含文字、圖片或網址鏈接等多種形式的信息．學生在課堂上或者課后通過掃碼可以閱讀各波段電磁波的相關特性與應用．圖2是筆者制作的“紅外線”二維碼中的閱讀材料．

圖2 “紅外線”二維碼的閱讀材料

2.3 TPACK框架下的“學習包—電磁波”的教學案例分析

根據TPACK各構成要素的定義,筆者對本節課的教學內容和教學過程進行分析見表1,從而更清晰地呈現出教師的學科知識、教學法知識、技術知識三者之間的融合,以及其在中學物理教學中所起到的積極的作用．

表1 “學習包—電磁波”教學中TPACK構成要素分析

續表

3 關于TPACK視角下高中物理教學的幾點思考

隨著信息社會的高速發展,各種各樣新興的技術不斷涌入,信息技術在教育教學領域中的作用和影響已經受到廣泛關注．對于物理這樣一門實驗科學而言,多媒體技術、DIS數字化實驗技術等的引入對教師們的教學方式和教學行為的改變起著不可忽視的作用．這些年來,中學物理教師們不斷地主動或被動地接受著各種與技術有關的學習與培訓,掌握了越來越多的新的與教學有關的技術,這使得信息技術支撐下的中學物理教學逐漸成為常態．

然而,如何使技術更好地服務于我們的教學實踐?筆者從TPACK理論出發,結合前面介紹的教學案例談幾點思考．

3.1 重視學科知識的積累,提升學科專業素養

一個最佳的知識結構,必須突出自己所從事的職業與專業知識,而教師作為一種高度專業化的職業,必然首先要精通自己所教的學科．中學物理教師既要從物理教材的整體結構上,又要從物理知識的科學體系上掌握物理知識[4]．尤其對于高中物理教師而言,僅僅掌握教材上的知識內容已經無法滿足教學與學生的需求了,要能夠站在更高的高度對物理學科知識的完整體系有比較清晰的理解．在理解每個概念和原理的同時,還要了解和掌握與此相關的背景知識、發展過程,明確知識內容和整體學科的發展趨勢,包括相關的物理學史知識以及前沿知識．例如在“學習包—電磁波”的教學中,我們知道,麥克斯韋在提出電磁場的基本思想后,用數學形式將電磁場基本定律歸納為4個方程,完美統一了整個電磁場．麥克斯韋方程組定量地給出了電場與磁場以及產生這些場的電荷、穩恒電流及時變電流之間的關系,但這一方程組無論是微分形式還是積分形式都是高中學生無法理解的,而作為高中物理教師需要有完備的電磁學知識作為支撐．對麥克斯韋電磁場理論的深刻理解可以讓中學物理教師更好地理解電磁現象,教師可以通過介紹法拉第、麥克斯韋等科學家的生平事跡和科學貢獻讓學生了解他們探究自然的科學方法．這對幫助學生樹立正確的科學觀有至關重要的作用．

3.2 積極嘗試信息手段與傳統課堂的整合,構建信息化教學模式

在TPACK三個基本要素中,學科知識固然是基礎,是教學法選擇和技術選擇的依據,但技術的革新對課堂教學法的選擇、教學內容的組織產生的影響不可忽視．例如在本文的教學案例中,在網絡、攝影與投屏等技術的支持下,演示實驗的微小現象的放大成為可能,一方面教學效果得到顯著提升,另一方面學生對實驗現象的追問和思考能加深其記憶和理解．物理教師應更新自身的教學觀念,加強對技術的學習,同時提高使用各種信息技術的意識,嘗試使用多種工具來優化課堂教學,這對培養學生的信息素養、提升學生的思維品質有重要的意義．

4.3 合理使用技術,讓技術融入有意義的教學中

在課堂上廣泛地使用技術,不是為了課堂氣氛的熱鬧和活躍,而是為了幫助教師解決傳統教學手段無法解決的問題,或者是更高效地實現課堂教學目標．面對各種各樣的技術,物理教師要懂得如何選擇、運用合適的技術,以更好地闡述教學知識,通過適當的教學策略有效地運用技術來支持自己的教學,而不是為了技術而使用技術．過多無關的技術引入課堂往往會分散學生的注意力,技術的不合理使用也無法達到提升教學效果的作用,甚至會產生負面的影響．技術是一種工具或者手段,而正確地使用某一種技術才是教師知識和能力的體現．在使用技術的時候既要充分考慮這一技術與學科知識、與教學方法的融合,又要根據具體的教學內容以及所教學生的能力、情感、興趣的差異調整技術的使用[5]．