基于PCK理論下的高中物理教學設計

《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，教師應嚴格落實“發展學生物理學科核心素養”這一要求，實現教學中以“素養為本”，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理論的相關研究中，與物理課程的具體教學實踐相結合的研究還比較少，物理學科作為自然科學的基礎學科，更應該融入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三者之間緊密聯系，“力的合成與分解”是力學中較難的一部分內容，因此本研究以這部分內容為例，運用PCK理論指導該內容的教學設計，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上深入學習“力的合成與分解”內容，提高教學質量，培養學生物理學科核心素養，促進學生個體發展。

1 PCK理論的內涵及要素分析

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，其包括課程內容（實驗、規律、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上，結合相應理論研究將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理論的內涵作出進一步具體化、實踐化地分析，結合課堂教學實際把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表示教學內容的價值，Where表示教學目標，What表示教學內容，三個How分別表示學生的現實、教學方法以及教學評價。這六個維度“3W+3H”與PCK內涵的四個部分的對應關系如表所示。Why（教學內容的價值）及Where（教學目標）歸屬于學科的知識；What（教學內容）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（學生的現實）歸屬于學生的知識。依據六個維度將PCK理論與物理學科相融合，使教師在物理課堂教學中發揮充分的作用，立足于學生發展角度，讓學生在物理課堂學習中充分發散思維，才能體現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

教學內容的價值（Why）是指為什么教學。“力的合成與分解”這部分內容是學生在物理課程學習中分析和解決力學相關問題的基礎，同時也是物理學科高頻考點。本節內容的學習為后續動量、沖量等部分知識的學習做鋪墊，從內容上看，“力的合成與分解”章節承上啟下，上接三種常見的力（重力、彈力、摩擦力）部分內容，下續力學中重要定律應用的內容，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相關內容打下堅實的基礎。

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培養的理念要求以及本節課相關內容，確定本節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，為后續物理課程學習培養良好的思維習慣。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：科學態度與責任維度，通過情境創設和物理學史的融入，激發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，培養學生嚴謹認真的科學態度；通過物理知識在生活中的應用，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。

2.2 課程的知識

教學內容（What）是指本節課應該讓學生學習的知識，旨在挖掘物理知識本質以及物理學科核心素養。“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節內容，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。本部分內容是力學部分的基礎，為后續牛頓第二定律、動量定理等內容的學習奠定根基。

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

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在物理課堂中的培養，離不開教師在教學過程中的引導。傳統的教學設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用的聯系以及學生在學習過程中的核心地位。結合本節課“力的合成與分解”的內容，在課堂中通過啟發性教學、實驗探究以及多媒體的教學方法，在教學中設立獨立思考與分組討論等流程，讓學生學會利用現有實驗器材自主設計實驗過程、動手操作實驗、觀察實驗現象以及從現象中剖析原理，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”內容在實際生活中的應用的討論，評價學生物理價值認知的水平。在課程結束后，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

學生的現實（How）是指所教學生目前的學習現狀，包括學生知識基礎、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基礎知識，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”內容更能符合學生的現實（How）。學生在探究的過程中能夠體驗物理規律的形成過程，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”教學設計

“力的合成與分解”是高一物理中十分重要的內容，本節知識的學習為后續內容奠定基礎，對學生構建“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、公式等基礎知識，而不能真正理解“力的合成與分解”的內涵及應用。“力的合成與分解”內容與生活息息相關，因此在授課時可以從簡單熟悉的情境引入開始，引發學生的學習興趣。

（1）創設教學情境，引入課題

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

[設計意圖]以學生耳熟能詳的經典故事出發，引出本節課內容，激發學生學習興趣，引發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。

[設計意圖]結合學生的現實（How），引導學生復習已學知識，通過展示受力圖片，設置問題，引發學生思考，同時為教師設計以下演示實驗埋下伏筆，彰顯本節課的教學策略（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，應該如何設計開展實驗呢？

[實驗設計]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使小圓環仍被拉到O點，沿著拉線的方向標出拉力的方向，根據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，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，才能實現合力與分力的作用效果完全相同。

[老師提問]接下來，應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，發現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，這個規律被稱為“平行四邊形定則”。

[老師提問]假設要使測量盡可能地準確，需要注意哪些實驗操作細節？

[學生分組討論并歸納]

學生1：彈簧測力計在使用之前，應該先調零，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]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較大偏差，從而影響實驗結果。

[設計意圖]《普通高中物理課程標準（2017年版）》中提出物理課程教學應進一步提高學生的物理學科核心素養。因此在教學中利用實驗設計培養學生的實操能力以及利用現有實驗器材設計實驗的應變能力，使學生敢于實驗，樂于探究，學會從實驗操作中總結、分析本節知識。經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，培養學生科學探究精神，進一步落實本節教學內容（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該遵循什么樣的規律？

[學生猜想]力的分解應該是力的合成的逆運算。

[教師總結]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，因為每個力的數值都沒有發生變化，所以我們知道平行四邊形定則同樣也適用于力的分解。依據前面的內容分析，我們可以做出“力的合成與分解”的關系示意圖如圖所示。

[知識小結]

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。

[設計意圖]PCK理論指出，課堂教學中應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，教師應當幫助學生加強這部分知識的理解與應用，深度建構“等效替代”的核心思維，完成本節教學目標（Where）。

（5）例題講解

[老師]請同學們認真獨立思考相應例題，并給出自己的答案。

[設計意圖]將本節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律。

（6）作業布置

①復習本節課程所學知識點，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，對本節課內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。

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

（7）教師總結

“力的合成與分解”在日常生活中應用十分廣泛，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知識。這些都充分說明了物理知識具有廣泛的應用價值，尤其是在科技高速發展的今天，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展作出貢獻。

[設計意圖]：物理知識最終會回歸到實際生活中，通過生活中的應用舉例再次體現物理源于生活，并服務于生活，進一步落實PCK要素中教學內容的價值（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。

4 結語

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重將理論與應用相結合。讓學生學習到物理知識（概念、規律等）的同時，掌握探究、推理方法，將書本上的知識應用到實際，實現教育的真正價值。

本文基于PCK理論“3W+3H”框架對“力的合成與分解”內容進行教學設計，在課堂教學中強調了學生學習的主體地位以及教師教學的主導作用，立足于發展學生的知識、能力和素養的綜合培養，并且始終以學生的終身發展奠定基礎為著力點，關注并開發知識的育人價值。教師將PCK理論融入教學設計時應注意全面透徹分析“3W+3H”的核心內涵。課堂教學是一個不斷創新、不斷總結、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，構建好自己的學科教學知識，不斷促進教師的專業成長，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）