TPACK理论框架下大学物理实验教学设计与整合

范 婷，李金平

(石河子大学 理学院，新疆 石河子 832000)

整合技术的学科教学法知识(TPACK)，是美国密歇根州立大学的密舒拉和科勒教授于 2006 年正式提出的[1].TPACK知识由技术知识TK(Technologyknowledge)、教学法知识PK(Pedagogicalknowledge)、学科内容知识CK(Contentknowledge)3个核心要素互动产生，TPACK的理论框架要求教师在综合考虑三者的基础上，根据具体的教学情境需要，与具体学科融合，设计恰当的教学方案，有效地把技术整合到教学设计中.

大学物理实验课程是高等院校理工农医各专业课程体系中重要的基础课程，其内容涉及面广、实用性强，在引导学生掌握物理知识与技能、培养实践动手能力、提高科学研究素养、提升参与实践与科学研究内驱力、建立科学的世界观、人生观和价值观方面具有非常重要和深远的作用. 现有大学物理实验教学模式存在许多问题，如：教学模式单一、教学资源难以有效利用、考评方式存在较大弊端、教学内容老化、不利于创新人才培养等[2].

利用信息技术弥补大学物理实验教学中的不足，是提升教学质量的重要途径. 目前现代教育技术手段在大学物理实验教学中的应用已较多，如在实验理论讲授中，运用电子教案、实物投影和插播录像等手段，将讲课、演示和实验结合起来[3]. 但是如何将技术有效整合到教学实践中，利用技术优化教学内容，进行教学管理和教学组织实施，则需要在真实具体的情境中进行设计. 本文基于TPACK理论框架，从教学内容、教学方法、教学技术等3方面对大学物理实验教学进行了深层次的整合与设计.

1 建构大学物理实验TPACK教学框架

借鉴美国杨百翰大学苏齐·考克斯(Cox)的 TPACK 精致化框架理论[4]，结合大学物理实验课程具体教学实例，对整合技术的学科教学知识中各组成要素进行更加细致的界定，明确各元素复合的内在联系和方式，提出了基于精细化整合技术的大学物理实验课程学科教学知识框架，如图1所示.

该框架包含大学物理实验内容体系知识(CK)、大学物理实验教学法知识(PK)和多媒体网络等信息技术知识(TK)3个核心要素，还有4个由核心元素相互交织形成的复合要素，包括：

1)通过开放式学习建立大学物理实验学科内容教学的教学法知识(PCK)；

2)通过资源共享建立大学物理实验学科内容相应的信息技术知识(TCK)；

3)通过混合式教学整合信息技术的教学法知识(TPK)；

4)关注“境脉”因素，学生、教师、资源多因素协同作用，有效开展“教与学”的整合技术的大学物理实验学科教学知识(TPACK).

此TPACK教学框架，坚持Blended learning的教育思想，兼取“传递—接受”和“自主—探究”二者之所长，形成 “有意义传递”和“教师主导下自主探究”相结合的教与学活动的新实验教学理念和方法. 有助于培养大学生的实践、创新能力及科学素养，从而促进适应社会与时代需求的创新人才的培养.

图1 大学物理实验TPACK教学框架

2 优化大学物理实验教学内容体系(CK)，实现学生多元智能发展

大学物理实验教学内容涵盖力、热、光、电、近代物理等知识，要求学生掌握并了解各种物理实验背景、基本原理、实验装置的工作原理及使用方法，旨在培养学生独立思考、查阅资料、确定实验原理和方法、物理过程公式推导、实验方案设计、合理选择实验仪器设备等能力，培养大学生敏锐的观察力、严谨的思维能力及实际操作能力.

TPACK框架下的大学物理实验教学内容体系设置方案(图2)遵循学生的认知规律，适应不同潜质的学生，达到提高“综合实验素养”的教学目标，培养学生多元智能. 具体有以下特点：

1)丰富教学内容，适应新时代大学生内在需求，开展系列化实验. 面向一、二年级学生开设趣味演示实验和基础物理实验，开放虚拟仿真实验系统，在激发学习兴趣和掌握基本技能后，面向三、四年级学生开设自组研究实验和创新设计实验.支持和鼓励以“大学生创新创业训练计划项目”和“挑战杯”等各级学生竞赛做外延拓展，并安排骨干教师精心指导.

2)针对不同专业学生特点，因材施教，层次化教学，阶梯式发展. 课程设置由浅入深，从基础测量实验、基础应用实验、综合提高性实验到设计研究性实验，层层深入，符合循序渐进的教学规律，易于学生接受和掌握.

3)整合实验项目，凝练实验内容，以专题化形式开设综合提高实验. 专题包括基于同一实验仪器的多项内容系列实验(如图2中专题1～专题5)，基于同一物理测量量的多种方法系列实验(如图2中专题6～专题9)，基于探测器的综合测量系列实验，基于计算机的可视化优化方案系列实验等. 理论知识、实验技能、专业素养三者融会贯通，全面提升实验能力.

4)体现了以“学生为本”的教育理念，利用信息技术整合实验内容体系，学生可通过网上选课预约系统及网络教学平台资源，在完成必修基础实验内容后，选修感兴趣的综合提高专题实验和自组系列实验，网上自修虚拟仿真实验，申请开展研究创新性实验. 实现面向学生不同层次的个性化学习.

图2 大学物理实验TPACK教学内容体系设置方案

3 开发信息技术(TK)支持下的教学资源，建设技术支持下的教学环境

基于“互联网+”技术构建的实验教学信息资源服务平台可有效整合实验资源，实现资源共享.在大学物理实验教学资源建设中，利用“云计算”技术构建的资源平台，为获取、收集、整理各类实验教学素材、课件等提供了更方便快捷的途径，实验资源可以在网络上无限地添加和更新，所有教师和学生在实验教学过程中都可以不断地改进、充实教学资源库，从而构建起开放的、可持续发展的实验教学资源生态环境，更好地实现资源共享和优化利用[2].

如表1所示，构成大学物理实验TPACK教 学信息资源服务平台的4个模块(网上实验选排课系统、网络教学平台或微信公众号、网上考评系统和虚拟仿真实验系统)协同发挥作用，是整合教学内容、施展教学法的线上舞台，综合构建开放式教学环境，实现必修、选修和自修的个性化学习，面向不同层次学生开展专题化、系列化教学. 有助于提升学生课前实验预习效果、课堂实验教学效果、课后拓展研究效果、全面考核反馈效果.

表1 大学物理实验TPACK教学信息资源服务平台

TPACK教学框架下教学资源环境的建设，不仅要关注硬件技术的开发，还需要更多关注“软件”建设. 提高教师信息化教学设计能力、信息化教学资源应用能力、信息化教学实施能力和信息化教学评价能力[5]. 分析学生学习特征和需求，创作出学生爱看、贴近生活、利于知识转化成能力的课程特色微视屏及精品教学资源；有效开展播客单元、课程管理、答疑讨论、作业测试、研究型教学等线上教学活动.

4 研究实践教学策略，设计符合学情的探究型大学物理实验混合式教学方法(PK)

大学物理实验是学生开始科学研究的入门课程，通过不断探索、解决实践问题，从而培养创新和科研基本技能. 教师通过创设问题情境，培养学生兴趣，激发并维持学生内源性学习动机，引导学生思考，明确解决问题的方向；学生在解决问题的过程中，给予自身反馈，自我激励，最终解决全部问题，完成实验，提升能力[6]. 探究型教学模式以学生的主体活动为中心，以内容、任务或问题为载体，引发学生探究与思考，从而展开基于问题的学习(PBL)[3]. 教师关注操作知识的综合应用和实验问题的创造性解决的“应用、分析、评价和创造”等高阶思维活动，转变为学生学习过程中的指导者、协助者和促进者.

在TPACK教学框架下将符合物理实验规律的探究型教学策略，通过线上、线下模式开展混合式教与学活动. 如图3所示，基于TPACK教学信息资源服务平台，创设混合式教学环境，融入传统教学方式和电子媒体信息技术优势，使教学“主导”与“主体”密切结合起来，从而形成“教与学齐头并进”的教学设计模式. 采用“创设实验问题情境—分析论证实验问题—制订实验解决方案—实施实验方案—总结评价反思—创新设计实验”的基于问题的流程,通过面对面讲解、讨论、实践、评价、引导探究开展课堂教学活动；通过自主预习、协作讨论、成果展示、研究互助、反馈评测开展在线教学活动；通过课程设置体现探究型实验教学和研究性自主学习的个性化发展,使学生更易于实现学习迁移，从而大幅度提高实验教学的水平和质量.

图3 大学物理实验基于问题的混合式教学模式

5 结 论

基于TPACK框架，从物理实验学科内容知识、教学法知识、技术知识3个方面整合教学方案. 将大学物理实验内容系列化、层次化、专题化、个性化，体现了以“学生为本”的教育理念；基于“互联网+”技术构建实验教学信息资源服务平台，优化教育环境，实现资源共享；基于问题的混合式教学法，发展不同层级学生的创新思维，增强学生的实践操作能力，内化学生的自主创新性研究能力. 利用信息技术整合实验内容和教学法，学生可通过网上选课预约系统及网络教学平台资源，在完成必修基础实验内容后，选修感兴趣的综合提高专题实验和自组系列实验，网上自修虚拟仿真实验，申请做研究创新性实验. 实现面向学生不同层次的个性化学习，促进适应社会与时代需求的创新人才的培养.

参考文献：

[1] Mishra P, Koehler M J．Technological pedagogical content knowledge: A framework for teacher knowledge [J]．Teachers College Record，2006(8):1017-1054．

[2] 李松,刘秀琴. “互联网+”大学物理实验教学体系构建[J]. 实验技术与管理,2017,34(1):172-174.

[3] 池水莲,石娟. 基于TPACK框架的大学物理实验教学设计与应用[J]. 现代教育技术,2012,22(8):33-35.

[4] 戴锡莹. 基于TPMK的数学教师教育技术知识构建研究[D]. 长春：东北师范大学，2014:18-25.

[5] 齐灿,张宏. TPACK框架下高校青年教师信息化教学能力的培养[J]. 中国成人教育,2017,(3):137-139.

[6] 蒋芸,王亚芳,董爱国,等. 问题引导型物理实验自主学习模式的探究[J]. 实验室研究与探索,2017,36(8):237-239.