基于TPACK理論的跨學(xué)科實(shí)踐活動設(shè)計(jì)研究*
——以蘇科版初中物理“生活中的杠桿”為例

陳其娟

(南京市南站中學(xué) 江蘇 南京 210012)

季衛(wèi)新

(南京市雨花臺區(qū)教師發(fā)展中心 江蘇 南京 210012)

2022年版義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)中新增了一級主題——“跨學(xué)科實(shí)踐”,其中包含“物理學(xué)與日常生活”這個二級主題[1].隨著科技日新月異的發(fā)展,學(xué)生身邊熟悉的新事物早不是教材中的那些物品,研究組覺得可以在TPACK視野下根據(jù)學(xué)生的實(shí)際生活來建立物理概念.

1 TPACK核心概念

TPACK即整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識.TPACK框架如圖1所示[2].

圖1 TPACK技術(shù)教學(xué)內(nèi)容知識結(jié)構(gòu)圖

TPACK框架的3個核心要素為學(xué)科內(nèi)容知識(CK)、教學(xué)法知識(PK)、技術(shù)知識(TK),4個復(fù)合要素為學(xué)科教學(xué)知識(PCK)、整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識(TCK)、整合技術(shù)的教學(xué)法知識(TPK)、整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(TPACK)[3].

2 整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識分析

2.1 學(xué)科內(nèi)容知識(CK)分析

生活實(shí)際的負(fù)遷移在一定程度上影響學(xué)生對杠桿的認(rèn)識,僅憑教材上的使用工具,學(xué)生一般認(rèn)為杠桿是一種工具,像羊角錘拔釘子,則羊角錘是杠桿,像生活中的空調(diào)外機(jī)支架、人的手臂等學(xué)生很難建立起杠桿模型.所以本節(jié)課希望通過學(xué)生尋找自己能看到或者使用過的物品來建立杠桿的概念;探究并了解杠桿的工作原理;能分析生活中的杠桿在使用過程中的優(yōu)缺點(diǎn),或者是否存在安全隱患并能提出合理的改進(jìn)建議.能夠做到從生活走向物理,能夠運(yùn)用物理解決簡單的實(shí)際問題,使學(xué)生體會物理學(xué)習(xí)的成就感.

2.2 教學(xué)法知識(PK)分析

教學(xué)方法是與一定教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)相關(guān)的具體操作程序,一般有講授法、演示法、實(shí)驗(yàn)法、讀書指導(dǎo)法等[4].本節(jié)課和生活聯(lián)系比較緊密,因此可以設(shè)計(jì)成綜合實(shí)踐活動,學(xué)生先自行預(yù)習(xí)課本“11.1 杠桿”,通過閱讀初步知道支點(diǎn)、動力、阻力、力臂的概念,教師引導(dǎo)其根據(jù)杠桿實(shí)物圖片簡單畫出杠桿模型.再基于學(xué)生的經(jīng)驗(yàn),尋找自己家里或者外面看到過的杠桿,并嘗試畫出杠桿模型,找出杠桿在使用過程中的支點(diǎn)、動力、阻力、力臂,建立杠桿的概念[5].再測量并尋找五要素之間的關(guān)系,找出平衡條件,分析該杠桿為生活帶來的便利之處.

2.3 技術(shù)知識(TK)分析

在信息化教學(xué)手段當(dāng)中用得最多的是多媒體教學(xué),學(xué)校教室內(nèi)都有多媒體教學(xué)設(shè)備,學(xué)生可以將其實(shí)踐活動過程拍成短視頻在課堂播放,這樣教學(xué)的時間和空間重新構(gòu)建,抽象的杠杠模型也可以直觀展示,大大降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度,也提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和效度.

2.4 整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(TPACK)分析

“生活中的杠桿”的TPACK構(gòu)成元素如表1所示.

表1 “生活中的杠桿”TPACK構(gòu)成元素分析表

通過以上基于TPACK理論進(jìn)行模塊化的研究性備課,其設(shè)計(jì)的流程化相對比較清晰、明了.

將各模塊進(jìn)行合理整合之后,“生活中的杠桿”設(shè)計(jì)思維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 “生活中的杠桿”TPACK整合結(jié)構(gòu)圖

3 TPACK理論下的跨學(xué)科實(shí)踐活動教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 杠桿概念及平衡條件

活動1：平常學(xué)生在整理講義的時候,用到了夾子,如圖3所示,請同學(xué)們拿出夾子,用手捏住夾子的一端,觀察夾子在進(jìn)行怎樣的轉(zhuǎn)動?

圖3 夾子

活動2:夏威夷果果殼堅(jiān)硬,為方便人們食用,一般廠家會在夏威夷果的一側(cè)開一個縫隙,并隨袋附送一個鐵片式開果器,如圖4所示.請同學(xué)們利用開果器,一手握緊果殼,另一手使用鐵片撬動夏威夷果的縫隙,以使夏威夷果的果殼分裂,取出果仁.引導(dǎo)學(xué)生思考,誰在轉(zhuǎn)動?進(jìn)行了怎樣的轉(zhuǎn)動?

圖4 開果器

分析：針對上述活動找共性,找特點(diǎn),抽象概括杠桿定義,用文字表述出來.對不同學(xué)生表述進(jìn)行總結(jié),用最簡單的語言概括,得出杠桿的定義.

小組合作,利用鉤碼、測力計(jì)、鐵架臺、杠桿來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究平衡條件,并交流匯報(bào)方案、實(shí)驗(yàn)過程、注意點(diǎn)、結(jié)論、誤差等.

3.2 家庭中的杠桿——學(xué)生實(shí)踐過程

調(diào)動學(xué)生尋找家庭中的杠桿,畫出他們的簡圖,提煉出杠桿模型,分析五要素,了解他們在具體情境中的含義.

(1)學(xué)生實(shí)踐活動1——窗簾桿

情境描述:家中用于掛窗簾的羅馬桿如圖5(a)所示,為雙支架雙桿模式,內(nèi)桿掛較輕的窗紗,外桿掛較重的窗簾.有一天固定在墻上的膨脹螺絲突然脫落.首先分析原因,三角形支架實(shí)際上是杠桿模型,畫出草圖如圖5(b)所示,三角形ABC為杠桿,畫出杠桿五要素,B為杠桿的支點(diǎn),C、D點(diǎn)為動力作用點(diǎn),A點(diǎn)為阻力作用點(diǎn),分別作出動力F1和F3,動力臂L1和L3,阻力F2,阻力臂L2,其中F1、F3的大小分別等于窗簾、窗紗自身的重力(杠桿自身重力忽略不計(jì)),根據(jù)杠桿平衡條件,動力乘以動力臂等于阻力乘以阻力臂可得

圖5 窗簾桿實(shí)物及工作原理圖

F1L1+F3L3=F2L2

膨脹螺絲容易脫落說明:F2過大,超出極限,為了窗簾桿不出故障,應(yīng)該想辦法盡量使膨脹螺絲與墻壁之間的實(shí)際作用了減小,即減小F2.根據(jù)杠桿平衡條件發(fā)現(xiàn)理論上有3種思路.

1)增大L2;

2)減小L1和L3;

3)減小窗簾的重力.

如何修復(fù)窗簾呢?有如下建議.

1)換輕質(zhì)的窗簾;

2)將較輕的窗紗和較重的窗紗互換位置;

3)縮短支架的橫向距離(AC);

4)增大支架縱向距離(AB);

5)多處打入膨脹螺絲.

(2)學(xué)生實(shí)踐活動——開果器

情境描述:開果器撬動果殼的時候,開果器在力的作用下繞開果器與果殼的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動,可以簡化成杠桿模型.如圖6所示,O點(diǎn)為支點(diǎn),A點(diǎn)為動力作用點(diǎn),B點(diǎn)為阻力作用點(diǎn).畫出此杠桿的五要素,動力臂大于阻力臂,為省力杠桿,所以用此開果器比徒手掰果殼省力多了.

圖6 開果器杠桿原理圖

(3)學(xué)生實(shí)踐活動3——成果匯報(bào)

活動目標(biāo):引導(dǎo)學(xué)生從生活中能尋找杠桿并建立杠杠模型,通過實(shí)踐活動了解杠桿五要素以及平衡條件,能夠?qū)Ω軛U分類并運(yùn)用杠桿知識解決實(shí)際問題.

活動方案:學(xué)生自行閱讀蘇科版教材“11.1 杠桿”,根據(jù)杠桿的定義去尋找家庭中的杠桿并拍攝其使用過程;畫出杠桿模型,找出杠桿五要素;把學(xué)習(xí)成果在課堂上以投屏的形式介紹展示;分析在使用過程中的優(yōu)缺點(diǎn)并嘗試改造優(yōu)化.

學(xué)生的活動成果如表2所示.

表2 學(xué)生活動成果匯報(bào)

4 研究結(jié)論

學(xué)生在尋找并建立杠桿模型的過程中,能更加深入理解杠桿五要素的概念.在教學(xué)實(shí)踐活動中也遇到一點(diǎn)問題:能否在杠桿使用過程中,測量出力和力臂,并尋找規(guī)律?在探究杠桿平衡條件的教學(xué)活動中,一般選用教材中杠桿演示器(配有鉤碼、彈簧測力計(jì))進(jìn)行探究.筆者認(rèn)為這種探究方法的優(yōu)點(diǎn)是杠桿模型比較簡單,容易得出規(guī)律,缺點(diǎn)是過于理想化,離生活實(shí)際中使用的杠桿有點(diǎn)遙遠(yuǎn).所以可以在杠桿使用過程中,用刻度尺直接測量力臂,用力傳感器測量動力和阻力,這樣再尋找平衡條件.

基于TPACK理論的跨學(xué)科實(shí)踐活動體現(xiàn)了教學(xué)分析在備課過程中的重要性,TCK技術(shù)學(xué)科內(nèi)容知識是教師將技術(shù)有意義地整合到學(xué)科教學(xué)領(lǐng)域的路徑,PCK學(xué)科教學(xué)知識為教師在教學(xué)中提供進(jìn)一步理論支持,TPK的學(xué)科教學(xué)知識則是 TPACK 在教學(xué)環(huán)境中合理應(yīng)用的策略[6].基于TPACK 的研究性備課可以真正做到在傳統(tǒng)教學(xué)與實(shí)踐活動相結(jié)合之間找到其平衡點(diǎn),提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力.