TPACK视角下的高中物理教学案例分析与思考——以“学习包—电磁波”的教学为例

郭雅洁

(上海市浦东教育发展研究院,上海 200127)

2018年1月22日,教育部教师工作司发布了关于印发《教育部教师工作司2018年工作要点》(以下简称《要点》)的通知,《要点》中强调要大力提升教师新技术应用能力,推动新技术与教师专业发展有机融合．2017年底出台的《普通高中物理课程标准》倡导物理教师通过多样化的教学方式,利用现代信息技术,来引导学生理解物理学的本质,增强学生的探究能力和解决实际问题的能力．[1]由此看来,信息技术的变革给教育教学带来了重大的影响,利用信息技术开展教育教学的能力将成为信息时代下中学物理教师专业能力中的一项重要能力．

1 TPACK框架与内涵

2009年美国密西根州立大学学者Koehler和Mishra就曾在《What Is Technological Pedagogical Content Knowledge?》一文中提出了整合技术的学科教学知识(TPACK),首次将技术知识纳入教师知识结构．这一理论的提出,不仅诠释了学科知识、教学知识和技术知识三者之间复杂交叠的关系,也为信息技术时代下技术与学科教学的融合提供了理论依据．

TPACK包含3种核心知识元素:学科知识(Content Knowledge,简称CK)、教学知识(Pedagogical Knowledge,简称PK)和技术知识(Technological Knowledge,简称TK)．其中,学科知识(CK)包括教师要教的知识和教师对知识的理解;教学知识(PK)指关于所有教与学过程、实践或方法相关的知识;技术知识(TK)是指关于技术特点和应用的知识,对具体技术的操作和适应以及学习新技术的能力．

由于这3种核心元素的交叉融合,又衍生了4种复合要素:学科教学知识(PCK)、整合技术的学科知识(TCK)、整合技术的教学知识(TPK)和整合技术的学科教学知识(TPACK)等．学科教学知识指关于如何选用不同的教学法来促进某门学科教学的知识,即具体学科知识的“教学转化”;整合技术的学科知识指关于如何整合技术来呈现该学科内容的知识;整合技术的教学知识指如何使用技术来支持教学的知识;整合技术的学科教学知识指关于技术的产生如何影响学科内容的组织和教学法选择的知识．[2]

2 TPACK视角下的高中物理教学案例

本文以上海科学技术出版社高中二年级第2学期物理教材的第11章“学习包—电磁波”的教学为例,以TPACK的视角进行教学分析,并给出相应的教学设计．

2.1 基于TPACK的“学习包—电磁波”的教学分析

学科内容分析：本节学习包的内容主要涉及电磁波的概念,电磁波的产生、传播和接收,电磁波谱,以及电磁波的特点、性质及其简单应用,是本章前两节电磁感应和感应电流相关知识的延伸和应用．电磁波的概念较为抽象,在教学过程中只作定性介绍,不作深刻的理论分析．

教学重点: (1) 麦克斯韦电磁场理论; (2) 电磁波谱．

教学难点:麦克斯韦电磁场理论．

教学法分析： 学生在初中阶段已经接触到有关电磁波的知识,但是对电磁波的产生原理、电磁波谱以及不同波段的电磁波的性质和应用却并不熟悉．因此本节课通过演示实验激发学生的学习热情和求知欲,将电磁波的概念和产生原理阐释清楚,同时通过学生实验激发学生的学习兴趣和探究热情,也让学生感受到物理知识与实际生产生活的紧密联系．高中生已经具备了较强的自主学习的能力,所以本节课提供给学生“学习包”的平台,让学生自主学习,了解电磁波的特点和应用．

技术分析： 本节课将技术与教学相结合,通过技术来辅助解决传统课堂中难以解决的问题、无法呈现的效果,这在一定程度上丰富了学生的学习体验,提升了教学有效性,促进教学目标的有效达成．

2.2 基于TPACK的“学习包—电磁波”的教学设计

环节1:情境引入.

演示“氖灯发光”实验,学生观察实验现象,思考氖灯发光的原因．(实验如图1所示)

提问1:回忆电路中的知识,要使灯发光,需要什么能量?

提问2:氖灯与高压发生器之间并无导线连接,能量是通过什么传递的呢?

由此引入本节课题——电磁波．

图1 高压发生器激发氖灯发光实验图

设计意图： 此处通过演示实验激发学生学习兴趣,并通过两次追问引发学生思考．学生对氖灯发光的原理并不知晓,但是学生已经有了第9章“电路”的基础,知道用电器工作必须要有电能,所以对“电能”的来源产生疑问．

实现方式： 本实验作为本节课的导入环节的演示实验,必然要使得全班学生能够清晰看到完整的实验现象．然而实验中使用的氖泡很小,即使发光明亮也很难确保全班学生都能看清．因此在此环节中,笔者使用了苹果手机的录屏功能，启动录屏软件,确保手机和教室中的计算机在同一网络环境中,让手机和录屏设备相连接．打开手机摄像头,让手机摄像头对准实验装置,将实验现象投射到教室的显示屏上,放大实验现象．

环节2:新课讲授.

由演示实验引出“电磁波”的概念,那么什么是电磁波呢?教师从学生已有的知识基础出发,引导学生回顾“电磁感应现象”和“电流的磁效应”,让学生思考一段时间后由学生自己描述．

教师补充:在变化的磁场中放一个闭合电路,电路里将会产生感应电流,这就是电磁感应现象．麦克斯韦从场的观点解释,电路里之所以会产生感应电流,实际上是因为这个变化的磁场产生了电场,电荷在电场的作用下定向移动形成了感应电流．既然变化的磁场能产生电场,那变化的电场是否也能产生磁场呢?研究表明，变化的电场也能产生变化的磁场，这种变化的电场和变化的磁场交替产生,从而形成了一个不可分割的统一体——电磁场．电磁场从发生区域向空间传播,就形成了电磁波．电磁波传播过程中同时伴随着能量的传递．

学生对电磁波产生原理有了初步的认识,教师此时可以向学生解释本节课开始时候的演示实验的原理:高压发生器发射出电磁波信号,氖灯接收到通过电磁波传递的电能,所以发光．1887年德国物理学家赫兹以实验证实电磁波的存在,与这一演示实验的原理相似．

设计意图： 这部分内容是本节课的重点,也是难点．2017年新颁布的《普通高中物理课程标准》中对“电磁波”这部分内容提出了明确的要求“初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想;初步了解场的统一性与多样性,体会物理学对统一性的追求．”《上海市高中物理学科教学基本要求》中对这部分内容的学习水平要求为A,即学生仅需要“知道”电磁场的概念以及麦克斯韦电磁场理论的基本思想．[3]所以本节课没有对此进行深刻探讨．

实现方式： 通过PPT回顾“电磁感应现象”和“电流的磁效应”等重要规律,呈现电磁、磁场相互激发的原理图,帮助学生理解电磁波形成和传播的基本原理．

环节3:实验探究.

通过DIS微电流实验探测电磁波,了解电磁波的特性．

实验器材:DIS6.0实验系统、微电流传感器、干电池、铝箔纸、手机(自带)．

(1) 让学生举例说说他们知道的电磁波发射源．

学生回答:手机、电动剃须刀、半导体收音机、音箱、微波炉等等．

(2) 学生分组实验.通过DIS实验检测电磁波的发射、接收与屏蔽，并完成“学习卡”上的相关要求．

操作步骤:

a. 手机静止在感应线圈附近,不做任何操作,观察波形变化;b. 手机静止在感应线圈附近时,拨打电话,再一次观察波形变化;c. 当拨打电话的手机距离感应线圈较远时,观察波形变化;d. 用金属铝箔纸包住手机,看是否能够接收到来电信号．

(3) 学生交流观察到的实验现象,并得出相关结论．

设计意图： 让学生利用DIS微电流传感器以及电磁波信号源检测电磁波接收、发射与屏蔽的效果，以此来激发学生兴趣,感受生活中的电磁波,让学生切身体会到“电磁波无处不在”．

实现方式： 将“实验器材”、“实验原理”、“实验准备”、“实验内容和操作”以及要填写的“实验现象和结论”通过“学习卡”的形式呈现,学生人手一张．学生自主阅读“学习卡”进行操作和记录,教师在学生实验的过程中一边观察一边加以引导．

环节4:新课讲授.

通过PPT向学生介绍电磁波的一些基本属性以及电磁波谱．

环节5:学习与分享.

了解电磁波的特点、应用及危害．

(1) 自由阅读环节.

为学生提供6个不同波段电磁波的相关资料,学生通过扫描二维码,选择一个感兴趣的进行浏览,也可阅读课本中提供的“学习包”材料,完成表格,表格中需要填写的内容包括选读的波段、产生机理、分类、性质或特点、用途和危害．

(2) 交流分享环节.

请学生介绍所了解的电磁波的性质、应用和特点,与其他学生分享．

设计意图： 与电磁波谱有关的信息量巨大,课堂上有限的时间无法使学生了解所有波段电磁波的基本知识,所以本环节设计了让学生自主选择感兴趣的信息自主学习并在组内交流共享的方式．“学生是课堂的主人”,“学习包”的理念也正是要突出学生的自主性,让学生在探究、思考和交流的过程中深入了解电磁波的性质以及电磁波的应用和发展．另外,二维码将相关信息整合在一起,也节省了学生大量搜索网页以及了解无关信息的时间．

实现方式： 教师在课前通过“草料二维码”软件将各波段电磁波的知识内容或相关网页链接编辑、整合在一个二维码中,制作各波段的电磁波的二维码．每个二维码中的内容可以任意编辑、美化,可以包含文字、图片或网址链接等多种形式的信息．学生在课堂上或者课后通过扫码可以阅读各波段电磁波的相关特性与应用．图2是笔者制作的“红外线”二维码中的阅读材料．

图2 “红外线”二维码的阅读材料

2.3 TPACK框架下的“学习包—电磁波”的教学案例分析

根据TPACK各构成要素的定义,笔者对本节课的教学内容和教学过程进行分析见表1,从而更清晰地呈现出教师的学科知识、教学法知识、技术知识三者之间的融合,以及其在中学物理教学中所起到的积极的作用．

表1 “学习包—电磁波”教学中TPACK构成要素分析

续表

3 关于TPACK视角下高中物理教学的几点思考

随着信息社会的高速发展,各种各样新兴的技术不断涌入,信息技术在教育教学领域中的作用和影响已经受到广泛关注．对于物理这样一门实验科学而言,多媒体技术、DIS数字化实验技术等的引入对教师们的教学方式和教学行为的改变起着不可忽视的作用．这些年来,中学物理教师们不断地主动或被动地接受着各种与技术有关的学习与培训,掌握了越来越多的新的与教学有关的技术,这使得信息技术支撑下的中学物理教学逐渐成为常态．

然而,如何使技术更好地服务于我们的教学实践?笔者从TPACK理论出发,结合前面介绍的教学案例谈几点思考．

3.1 重视学科知识的积累,提升学科专业素养

一个最佳的知识结构,必须突出自己所从事的职业与专业知识,而教师作为一种高度专业化的职业,必然首先要精通自己所教的学科．中学物理教师既要从物理教材的整体结构上,又要从物理知识的科学体系上掌握物理知识[4]．尤其对于高中物理教师而言,仅仅掌握教材上的知识内容已经无法满足教学与学生的需求了,要能够站在更高的高度对物理学科知识的完整体系有比较清晰的理解．在理解每个概念和原理的同时,还要了解和掌握与此相关的背景知识、发展过程,明确知识内容和整体学科的发展趋势,包括相关的物理学史知识以及前沿知识．例如在“学习包—电磁波”的教学中,我们知道,麦克斯韦在提出电磁场的基本思想后,用数学形式将电磁场基本定律归纳为4个方程,完美统一了整个电磁场．麦克斯韦方程组定量地给出了电场与磁场以及产生这些场的电荷、稳恒电流及时变电流之间的关系,但这一方程组无论是微分形式还是积分形式都是高中学生无法理解的,而作为高中物理教师需要有完备的电磁学知识作为支撑．对麦克斯韦电磁场理论的深刻理解可以让中学物理教师更好地理解电磁现象,教师可以通过介绍法拉第、麦克斯韦等科学家的生平事迹和科学贡献让学生了解他们探究自然的科学方法．这对帮助学生树立正确的科学观有至关重要的作用．

3.2 积极尝试信息手段与传统课堂的整合,构建信息化教学模式

在TPACK三个基本要素中,学科知识固然是基础,是教学法选择和技术选择的依据,但技术的革新对课堂教学法的选择、教学内容的组织产生的影响不可忽视．例如在本文的教学案例中,在网络、摄影与投屏等技术的支持下,演示实验的微小现象的放大成为可能,一方面教学效果得到显著提升,另一方面学生对实验现象的追问和思考能加深其记忆和理解．物理教师应更新自身的教学观念,加强对技术的学习,同时提高使用各种信息技术的意识,尝试使用多种工具来优化课堂教学,这对培养学生的信息素养、提升学生的思维品质有重要的意义．

4.3 合理使用技术,让技术融入有意义的教学中

在课堂上广泛地使用技术,不是为了课堂气氛的热闹和活跃,而是为了帮助教师解决传统教学手段无法解决的问题,或者是更高效地实现课堂教学目标．面对各种各样的技术,物理教师要懂得如何选择、运用合适的技术,以更好地阐述教学知识,通过适当的教学策略有效地运用技术来支持自己的教学,而不是为了技术而使用技术．过多无关的技术引入课堂往往会分散学生的注意力,技术的不合理使用也无法达到提升教学效果的作用,甚至会产生负面的影响．技术是一种工具或者手段,而正确地使用某一种技术才是教师知识和能力的体现．在使用技术的时候既要充分考虑这一技术与学科知识、与教学方法的融合,又要根据具体的教学内容以及所教学生的能力、情感、兴趣的差异调整技术的使用[5]．