基于TPACK理論的高中原始物理問題教學(xué)設(shè)計

隨著新時代信息化和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，2022年教育部官網(wǎng)發(fā)布《教育部基礎(chǔ)教育司2022年工作要點》，要求大力實施基礎(chǔ)教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動，不斷深化基礎(chǔ)教育綜合改革。這要求基礎(chǔ)教育和信息技術(shù)深度融合，彰顯著信息技術(shù)融入高中物理課堂中的信心與決心[1]。信息化教學(xué)手段已是大勢所趨，如何在高中物理的問題解決課堂中有效應(yīng)用信息化教學(xué)手段，是需要探討的焦點。

一、TPACK簡介

TPACK是Technological

Pedagogical Content Knowledge的縮寫，具體內(nèi)容如下：三個核心要素分別為學(xué)科內(nèi)容知識（CK）、教學(xué)法知識（PK）、技術(shù)知識（TK），四個復(fù)合要素學(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）。TPACK理論的應(yīng)用，能幫助課堂從教師主導(dǎo)轉(zhuǎn)化到以學(xué)生為主體。學(xué)生從被動接受轉(zhuǎn)為主動進行信息加工、知識建構(gòu)和情感體驗。教學(xué)信息化手段不僅是輔助教師教學(xué)的工具，也能促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在高中物理課堂中，結(jié)合TPACK理論思考原始物理問題，提升學(xué)生的問題解決能力。

二、基于TPACK理論的教學(xué)設(shè)計

采用TPACK理論可以豐富物理情景，從單一的講解習(xí)題轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極的問題探討。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠深入體驗物理情境，鍛煉科學(xué)思維，從而掌握物理觀念。學(xué)生能夠發(fā)展自身物理學(xué)科核心素養(yǎng)，因此教學(xué)質(zhì)量得以提升。

以2018年高考物理北京第22題為例，進行原始物理問題的改編，形成如下的“跳臺滑雪問題”：2022年我國舉行第24屆冬奧會，跳臺滑雪是其中最具觀賞性的項目之一。裁判通過飛行距離和動作姿勢來評分。跳臺滑雪可分為助滑、起跳、飛行和著陸四個部分，其中，起跳階段對飛行距離至關(guān)重要。如圖，某滑道示意圖如下，為了達(dá)到理想飛行距離（一般要在130m以上），運動員應(yīng)注意哪些方面的訓(xùn)練？這些方面應(yīng)達(dá)到什么標(biāo)準(zhǔn)？

針對這道原始物理問題的解決，分析教學(xué)過程中的TPACK成分：1.CK：勻變速直線運動、平拋運動、功能關(guān)系；2.PK：啟發(fā)法、提問法、討論法、演示法；3.TK：交互性課件、視頻、電子白板、動畫；4.PCK：結(jié)合生活經(jīng)驗，提問斜面上運動的性質(zhì)，關(guān)注斜面末端的運動狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生思考問題解決可以嘗試的方法；5.TCK：結(jié)合電子白板和網(wǎng)絡(luò)檢索功能，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建跳臺滑雪真實場景并設(shè)置基本參數(shù)；結(jié)合跳臺滑雪比賽視頻，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)運動的多過程；結(jié)合動畫演示，幫助學(xué)生理解勻變速直線運動、平拋運動的軌跡特征；通過課件展示，規(guī)范學(xué)生的解題過程；6.TPK：通過視頻和生活經(jīng)驗演示物理過程，提出原始問題；7.TPACK：運用Authorware軟件制作交互性課件，將物理情境、視頻、動畫、規(guī)范性步驟等內(nèi)容進行整合，形成一套問題解決的專用應(yīng)用程序。

1.提出問題 引入新課。學(xué)習(xí)物理知識可以解決生活中的問題。我們已經(jīng)了解了運動學(xué)和能量的觀念，可以研究真實、原始和生活化的問題。冬奧會中跳臺滑雪是其中最具觀賞性的項目之一，也是高考題目的熱門背景。裁判通過飛行距離和動作姿勢來評分。跳臺滑雪可分為助滑、起跳、飛行和著陸四個部分，其中，起跳階段對飛行距離至關(guān)重要。首先利用視頻展示跳臺滑雪運動的過程，分析多段運動過程的特點以及銜接點特征，從而感受現(xiàn)實物理問題的復(fù)雜性和多樣性。

2.動畫模擬，分析解題思路。運動員起跳速度越大 ，則飛行距離越長。運動員在空中停留的時間越久，飛行距離越長。因此，我們可以從兩方面考慮，一方面是如何增大運動員的起跳速度，另一方面是運動員以何種姿勢在空中維持更久的飛行時間。1.利用課件動畫功能，研究運動員的起跳速度。達(dá)到理想飛行距離需要最小的起跳速度，可以用平拋運動相關(guān)知識點解答。為了在助滑道上滑出這樣的速度，則需要簡單地討論何種姿勢可以獲得更大的升力，以抵消在助滑道AB受到的阻力。2.利用視頻播放功能，運動員的飛行姿勢。在助滑道，運動員受到的滑道摩擦力和空氣阻力，應(yīng)兩腿盡量深蹲，上體前傾呈流線型姿勢，利用升力減小滑道與滑雪板間的阻力。根據(jù)流體的流速與大，壓強越小的原理，當(dāng)運動員呈流線型姿勢時，能保證滑雪板的氣流流速比運動員上體氣流流速慢，這樣可以產(chǎn)生壓強差，是運動員獲得升力抵消滑雪板受到的阻力，從而在助滑道獲得更大的速度。

3.白板書寫功能，規(guī)范解題過程。為了使運動員的飛行距離更長，需要增大起跳速度。在白板上進行規(guī)范板書，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成規(guī)范作答的良好習(xí)慣。

4.課件展示功能，拓展課外物理。從空氣動力學(xué)的角度來看，運動員要在起跳后盡快調(diào)整一個穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，利用流線型姿勢減小自身阻力。同時還要保持角動量平衡。之后的飛行階段，迎風(fēng)角的變化對作用在運動員身體上的升力和阻力有很大影響。飛行員的滑雪器材和滑雪服也會影響飛行階段的氣動力。因此，跳臺滑雪過程主要涉及彈道學(xué)和空氣動力學(xué)。起跳過程中運動員的氣動升力有助于減輕負(fù)荷，最有效地利用起跳階段的氣動升力是目前研究的熱點。未來還會通過計算流體力學(xué)研究跳臺滑雪的理論模型，智能化風(fēng)洞實驗訓(xùn)練館必定是重要的研究工具，可以廣泛用于戶外現(xiàn)場環(huán)境的模擬、氣動力測量、運動員技術(shù)動作輔助訓(xùn)練以及運動裝備優(yōu)化設(shè)計實驗等方面。

三、教學(xué)反思

1.TPACK理論融入課堂教學(xué)。隨著社會的不斷發(fā)展與進步，學(xué)校的信息技術(shù)手段也更加多樣。作為中學(xué)教師應(yīng)加強對TPACK理論的學(xué)習(xí)，不斷嘗試將信息技術(shù)融入傳統(tǒng)教學(xué)。例如對于原始物理問題的解決，沒有明確的運動過程和解題條件。TPACK教學(xué)模式就可以輔助學(xué)生問題解決的每個過程。首先視頻、圖片等功能可以幫助學(xué)生將客觀存在的物理現(xiàn)象進行文字性描述得到原始問題；其次白板作圖等功能可以幫助學(xué)生經(jīng)過抽象賦值，得到傳統(tǒng)習(xí)題；然后提前進行動畫制作，讓學(xué)生利用所學(xué)知識演算推導(dǎo)。最后還可以規(guī)范解題步驟。TPACK理論讓傳統(tǒng)習(xí)題課堂不再單一枯燥，通過信息技術(shù)活躍課堂氛圍，讓學(xué)生思維活躍，提升科學(xué)推理能力。

2.合理運用TPACK理論。在信息技術(shù)日益發(fā)展的時代，學(xué)生也經(jīng)常接觸各式各樣的信息技術(shù)。物理是一門實驗科學(xué)。對學(xué)生來說，在物理學(xué)家探索自然界的歷史中，切身體會物理學(xué)家遇到的問題和實驗思路，是極其重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容。物理課堂不能一味地依賴信息技術(shù)。在問題解決的課堂中，運用信息技術(shù)手段可以大大改善課堂氛圍。傳統(tǒng)實驗方法讓學(xué)生更加理解和經(jīng)歷物理規(guī)律得出的過程，現(xiàn)代技術(shù)手段的改良實驗更加方便，但無法培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。因此，物理教學(xué)中要在恰當(dāng)?shù)恼n程中合理運用TPACK理論。

【注：本文系廣東省教育科學(xué)研究課題“基于 TPACK 理論的中學(xué)新型教與學(xué)模式實證研究”（課題編號：2021YQJK591）研究成果】

責(zé)任編輯 邱 麗