TPACK框架下信息技術與高中物理教學的深度融合與實踐

【摘要】在教育信息化2.0階段，數字信息技術如何在具體教學中得到充分應用已成為研究熱點.本文從TPACK框架出發，建構信息技術與物理教學深度融合的教學設計模型，以輔助高

中物理簡諧運動的教學為例，為數字信息技術與物理教學深度融合提供教學模式參考.

【關鍵詞】TPACK理論；高中物理；融合教學

我國正處于教育信息化2.0階段，不僅要求將信息技術應用到物理教學中去，更強調將二者真正徹底地融合［1］.同時《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中也強調要積極探索信息技術與物理教學的深度融合，積極開發與利用數字媒體課程資源，通過設計各種學習活動讓學生利用信息技術提升物理學習能力［2］.

本文以TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge，簡稱TPCK或TPACK）理論下的TPACK框架為基礎，建構數字信息技術與物理教學深度融合的教學設計模型，對傳統物理教學進行優化，利用數字化工具進行教學，并以Algodoo軟件在高中物理簡諧運動一節的教學為例，進行信息技術與物理教學深度融合的優化教學案例探索.

1 高中物理TPACK教學框架

TPACK理論即整合技術的學科教學知識.2006年科勒和米什拉基于TPACK理論提出TPACK框架，認為教學由信息技術（TK）、教學法（PK）和學科教學內容（CK）三個基本元素構成，由于境脈的不同，三個元素的占比和表現形式不同.TPACK框架告訴我們三者之間并不是孤立的個體，而是可以有機融合到一起，整合為七個領域，能夠使教學變得更加簡捷有效、直觀易懂［3］.

在物理教學過程中，以TPACK框架為指導，將三個基本要素進行有機融合為七個知識領域，就需要對每個要素所包含的物理教學內容進行嚴謹的分析，找到合適的技術和方法.

2 建構教學設計模型

以TPACK為核心，建構數字信息技術與物理教學深度融合的教學設計模型，最終探索出信息技術與物理教學深度融合的優化路徑.

2.1 分析階段

（1）教學目標分析：教師首先要對教學內容進行分析，主要對于課標要求、本節內容的地位和作用以及本節內容所蘊含的思想進行分析.然后對學習者進行分析，包括對學習者學情及其學習需求進行分析，如學生之前的學習基礎、已構建的知識框架、學生的心理特征以及學生對之前所學知識的掌握情況，同時了解不同層次的學生的學習難點.最后對于教學條件進行分析，對能夠應用的信息技術資源進行匯總和分析，了解其特點和功能.

（2）信息技術分析：通過對教學目標的分析，深入了解所匯總的信息技術資源的功能和特點，選擇能夠實現該教學目標的信息技術，分析其能夠應用于物理教學的技術表征.本教學設計的重要特點是突出技術在教學中的作用，信息技術在教學中主要表現為信息表征功能.

（3）教學法分析：通過所分析出來的教學目標和信息技術，選擇合適的一種或者幾種教學方法.常見的教學方法主要有講授法、案例教學法、情境教學法、討論法、多媒體教學法、小組合作學習法等.

2.2 整合階段

將分析階段得到的基本元素與TPACK框架的TK、PK、CK基本元素進行對應.以教學目標為導向，使其依次融合為TCK、TPK、PCK三個整合元素，其具體為：

TCK：利用數字技術展現教學內容；

TPK：利用數字技術支持教學方法；

PCK：根據教學內容選擇教學方法.

最終得到完整的整合技術的物理教學TPACK.

2.3 設計階段

通過前面幾個階段的分析，在TPACK框架的基礎上，將信息技術與物理教學深度融合作為實現教學目標的方式，將整體教學過程分為多個環節，設置不同環節的教學目標，以TCK、PCK、TPK和TPACK為實現方式，進行具體的教學設計.

3 呈現教學設計模型

以高中物理簡諧運動的教學為例，呈現信息技術和物理教學深度融合的教學設計模型.

3.1 分析階段

（1）教學目標分析：在高中物理課程標準中對于簡諧運動教學的要求是能根據現實生活中的振動或擺動的特點，建構簡諧運動、單擺等物理模型.在學習該章節之前學生對于簡諧運動的認知主要是日常生活中的接觸，對于有規律的機械運動的學習主要在拋體運動、圓周運動和直線運動，并沒有進行簡諧運動的系統的學習，也就不具備簡諧運動的模型建構和認知能力.故根據學生的認知水平，由淺入深確定本節的教學目標為：

①發現生活中的機械振動及其特點；

②總結日常生活中常見的機械振動，尤其是彈簧，并將其抽象出來；

③知道什么是簡諧運動；

④能夠建立簡諧運動模型，并將模型理想化；

⑤對模型進行定性分析，發現簡諧運動的特點；

⑥通過對簡諧運動的圖像分析，得到簡諧運動的定量特點；

⑦學生具備模型建構能力和抽象思維能力，能夠與模型進行交互性操作.

（2）信息技術分析：為了將簡諧運動從日常生活中抽象出來，教師可以采用使用PPT向學生播放機械振動視頻，尋找這些運動的特點.教師在進行具體簡諧運動教學時，真實實驗會或多或少存在能量損耗、阻尼影響以及運動圖像難以表現的問題，而且實驗過程運動速度很快，容易出現學生難以觀察清楚且課堂參與感較弱的問題.因此要選擇一款能夠將真實生活中的簡諧運動抽象出來，建構忽略阻尼和能量損耗等問題的理想模型，同時還可以將物體運動情況展現出來的數字信息技術軟件.

能夠應用于物理教學的數字信息技術非常多，比較常見的有Geogebra、Nobook和Algodoo等.Geogebra是一種3D仿真軟件，它對于數學水平要求較高，學生的使用感可能會比較差；Nobook更傾向于模擬真實實驗操作，很多模擬實驗為收費項目，且難以實現師生交互教學；而Algodoo軟件作為一款免費的軟件不僅能夠進行真實的物理模擬，而且能夠直接修改參數，以建構理想化模型，此外還具備形象生動、與物理教學貼合度高、可修改仿真模擬速度、能夠實現師生交互學習的優點，能夠很好地應用于高中物理教學，尤其是類似于簡諧運動這樣2D的物理教學.

（3）教學法分析：結合教學內容分析和信息技術分析，本節內容可以使用情境教學法、演示法、交互式教學法進行教學.

3.2 整合階段

根據TPACK理論將分析階段的基本元素進行整合得到TCK、PCK、TPK及最終的TPACK，如下表1.

3.3 設計階段

通過以上分析和整合的過程，形成以簡諧運動為例的教學設計，對信息技術與物理教學的深度融合的優化教學過程進行呈現.

環節1 以真實情境為引導，對知識進行抽象

教學目標：學生能夠由日常生活抽象得到機械振動，并認識彈簧振子

（1）教師播放PPT，引導學生認識生活中的機械振動；

（2）教師展示真實的彈簧拉重物的模型，并詢問同學彈簧來回拉重物的這個過程與視頻中展示的生活場景是否類似，使用生活化場景引入新知.

環節2 以模型建構為基礎，模擬理想情況

教學目標：培養學生的抽象思維能力和模型建構能力，并對理想情況的彈簧振子模型進行定性分析.

（1）通過Algodoo軟件建構一個彈簧振子模型；

（2）彈簧最終會停下，請同學思考彈簧停下來的原因（由于能量的轉化）；

（3）請同學思考如果我們不考慮能量的轉移，也就是將其變為理想化模型，我們該怎樣抽象出來，需要忽略哪些因素；

（4）使彈簧的阻尼為0，取消空氣阻力，使用Algodoo軟件建構理想化的彈簧振子模型；

（5）啟動彈簧振子模型，將演示速度設置為0.2倍速，引導學生觀察彈簧振子運動的特點，感受其“對稱”和“周期”的特點；

（6）小組討論總結，得出結果.

環節3 以拓展模型為應用，實現思維碰撞

教學目標：通過建構彈簧振子的應用拓展模型，開拓學生思維的深度和廣度以及對彈簧振子的理解程度.

（1）建立一個拓展模型，使得小車勻速向右運動，內部有一理想的彈簧振子模型在做簡諧運動，展示小球的運動軌跡，將簡諧運動的特點清晰直觀地展現出來；

（2）教師最后對簡諧運動的特點進行總結.

環節4 以模型分享為紐帶，搭建師生交互橋梁

教學目標：通過對于簡諧運動的深度思考和交互學習，培養學生的探究能力以及自主學習能力.

利用Algodoo軟件的模型分享功能，將模型分享給學生，讓學生自行使用Algodoo軟件進行拓展學習.

4 結語

信息技術通過影響教師，進而影響學生，本文基于TPACK理論的TPACK框架建構數字信息技術與物理教學深度融合的教學設計模型，以高中物理“簡諧運動”一節的教學設計為例，嘗試為教師在使用信息技術進行教學的過程中提供一種教學設計模型，對傳統教學進行優化.這不僅為物理教師提供了新的教學思路和方法，也增加了學生學習的體驗感和課堂的參與感.

參考文獻：

［1］楊宗凱，吳砥，鄭旭東.教育信息化2.0：新時代信息技術變革教育的關鍵歷史躍遷［J］.教育研究，2018，39（04）：16-22.

［2］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.

［3］高成軍，李曉明.基于TPACK的中學物理微課設計策略［J］.物理之友，2022，38（06）：19-21.