TPACK理论在高中物理教学中的应用研究*——以自由落体运动为例

闵文静 黄文登

(陕西理工大学物理与电信工程学院 陕西 汉中 723000)

TPACK(Technological Pedagogical Content Knowledge)是指整合技术的学科教学法知识，是当代教师必备的教育理论素养.自教育部颁布《国家中长期教育改革发展规划纲要(2010-2020)》以来，信息技术在教育教学中的应用不断得到推广，在随后的几年里，教育部门针对基础教育中信息技术的应用问题制定并发布了一系列的文件，旨在向广大基础教育工作者强调新时代下教育也需跟紧时代步伐，教育者应当丰富自身教学理论，通过新技术改善传统课堂教学，提高现代化教学质量[1].在此过程中，教师的信息素养水平成为教学的重要影响因素.因此，将信息技术与教育教学深度融合成为当代教师必备的专业能力.而TPACK理论正是当下将信息技术与教育教学相结合的最具科学性的教师专业知识模型，在这一理论模型中，数字设备在教学中不再被视为一个附加组件，教师需要整合不同的知识维度，才能有效地运用技术教学[2].而物理本身就是一门与信息技术联系紧密的学科，将TPACK理论应用于高中物理课程中，就可以利用信息技术来解决物理教学中的问题，这样的教学过程将更加行之有效[3].

1 TPACK理论概述

TPACK理论框架的形成源于斯坦福大学教授舒尔曼(Shulman)1986年提出的学科教学知识理论PCK (Pedagogical Content Knowledge) ，PCK理论论述了教师职业的专业性和不可替代性[1].在此理论的基础上，美国学者科勒(Koehler)和米什拉(Mishra)将技术知识的组成部分整合到PCK理论模型中，于2005年提出了整合技术的学科教学知识理论(TPACK)[1].TPACK理论框架包括3个核心知识类别：技术知识(TK)、教学知识(PK)、内容知识(CK)，将这3种核心知识类型结合在一起，在它们的交叉处还形成了另外3种类型的一级混合成分：教学内容知识(PCK)、技术教学知识(TPK)、技术内容知识(TCK)，以上6种知识类别相结合形成了第二层次的混合成分，即技术教学知识(TPACK)，这是最复杂的知识类别，它依赖于前面提到的所有知识类别的创造性组合和相互作用[2].TPACK理论在实际教学过程中表现为教师创设特定的教学情境，选择适当的技术手段融入到教学过程中，这其中涵盖了4个方面的核心内容:

第一，技术与学科教学整合的整体性观念；

第二，技术与学科教学整合的教学策略和教学表征知识；

第三，学生用技术来理解、思考和学习学科主题的知识；

第四，技术与学科教学整合的课程和课程材料的知识[3].

教师只有牢牢把握这4个方面的内容才能有效开展信息技术下的课堂教学.

2 TPACK理论应用的必要性

物理学是自然学科领域的一门基础性学科，也是当今社会信息技术发展和科学技术进步的动力源泉，而高中物理知识具有更强的理论性，同时涉及到许多生活现象和科学技术相关的内容，因此TPACK理论在物理学科领域当中具有很强的应用性，更能够发挥出它的有效性，对于物理教师的教学具有更加深刻的含义.

首先，可视技术降低物理认知难度.新课标对高中物理提出了新要求，许多内容要求学生具有一定逻辑思维能力和空间想象能力.比如电磁学部分，就涉及到电流运动和磁场分布等十分抽象的内容，由于这些内容不能被学生直接观察到，因此教师在讲解这部分知识时就需要借助现代化可视技术，通过计算机将内容呈现给学生，以便于学生观测到其中蕴含的物理规律[4].

其次，信息技术提高物理实验教学效果.高中物理知识是以实验为基础的，很多内容都需要进行实验探究或实验验证，在教学过程中也会使用到各种实验器材.目前课本上许多实验可以进一步拓展，教师可以进行积极探索，将物理课本上的实验与现代信息技术相结合，使原本难以实现的实验具有更强的可行性，帮助部分实验获得更佳的演示效果，还可以提升一些实验的说服力，以便于学生更好地理解知识.

最后，新课改要求信息技术与物理知识相融合.物理新课标教材中与信息技术相关的内容明显增多，比如传感器内容、DIY实验板块以及提供学习资源的网络链接等，这些内容的添加也进一步说明信息时代下物理教学也应该注重对信息技术的应用，学科教学与信息技术相融合已经成为教学领域的一个趋势所在[4].

3 TPACK理论应用策略及实施方案

3.1 应用策略

传统教学设计下的物理课堂往往是教师围绕着知识点进行单一的知识讲解和习题训练，往往忽视了教学内容当中的信息技术因素，同时教师也缺少对教学方法和信息技术的整合使用，常常局限于通过多媒体课件向学生展示一些基本概念和演示实验，而在TPACK理论指导下教师在进行教学设计时能够在学科教学知识的基础上将信息技术与学科知识和教学法知识相结合，针对不同的教学内容在选择不同的教学方法并结合相应的技术手段辅助教学，以达到最好的教学效果.

将TPACK理论实践于教学当中，教师首先应当转变以往的传统教学观念，从物理教学观、物理学习观、信息技术观3个方面出发树立整合技术的学科教学知识统领性观念[4]，从思想上理解并认同信息技术在物理教学中的重要价值，懂得技术是手段而非目的，学会选择合适的技术来呈现知识，从而达到教学目标.其次，教师应当创新教学方法，从教学策略、课堂管理、教学内容3个方面出发将TPACK理论实践于教学过程的各个环节，将信息技术融入到教学的各个环节中，以此提高学习者的学习兴趣，拓展教学内容.

3.2 实施方案(以“自由落体运动为例”)

设计思路：“自由落体运动”出自于鲁科版高中物理教材必修1第三章第3节内容，是继匀变速直线运动的规律和实验探究之后，要求学生掌握的一种具体的匀变速直线运动实例.课本上实验探究部分利用牛顿管了进行验证，但实验中并没有对抽真空前后牛顿管内压强进行定量描述，并且实验操作过程需要学生用肉眼观察管内物体下落的时间是否一样，由于牛顿管内物体做自由落体运动存在高度小、距离短的问题，因此实验现象不够直观，学生观察起来比较困难，这给学生理解知识造成了不便[5].而如果教师使用DIS技术，通过压强传感就可以直接测量出牛顿管内气体压强的数值，学生就会发现随着压强数值的减小(真空状态下压强值最小)牛顿管内物体下落时间越来越接近，当管内处于真空状态时，两物体就会同时落到牛顿管底部，这样实验过程就更加具有说服力，学生对自由落体概念的理解也会更加透彻.最后在研究自由落体运动的性质时，使用手机APP软件VernierVideo Physics就能得到物体做自由落体运动时的运动轨迹图像和相关数据，利用这些数据就可以对物体下落的规律进行定量分析，得出自由落体运动是一种匀变速直线运动[5].这样通过将教学内容知识与信息技术方法相融合，有效解决了之前教学过程中实验造操作不便和误差大的问题.

“自由落体运动”的TPACK体系分析如表1所示.

表1 “自由落体运动” TPACK体系分析

3.3 主要教学环节

(1)自由落体运动概念

演示实验1：让纸片和小钢球在同一高度同时自由下落，根据实验结果教师向学生介绍亚里士多德的观点.

演示实验2：将纸片揉成纸团，重复上述实验，引发学生认知冲突，为什么同一张纸片前后下落时间不同？

分析实验：教师应引导学生分析两次实验结果不同的原因——空气阻力的存在,并向学生介绍伽利略的比萨斜塔实验以及他的观点.

提出问题：当物体处于真空中时，从同一高度同时自由下落，现象应该如何呢？

牛顿管实验探究：学生4人为一组，每组分得一个有机玻璃管、小铁球、羽毛、真空泵、压强传感器(图1).教师指导各小组学生按照PPT上的图依次连接各个实验器材.在进行实验前，教师需要向学生解释真空是一种理想状态，没有绝对真空存在，一般低于一个大气压力(101 kPa)的气体状态就可以视为真空状态.学生连接好实验器材后打开真空泵就可以将牛顿管中的空气排出，随着空气排出，管内就逐渐接近真空状态.抽真空过程中通过DIS实验系统中的压强传感器可以将管内气体压强的具体数值测量出来，学生就可以目测到管内压强的变化过程(图2),在这一过程中可以进行多次实验，对比每次实验中两个物体的下落情况，可发现随着牛顿管内气体被抽出，管内达到真空状态时小铁球和羽毛就会同时落至底部.

图1 牛顿管实验的器材

图2 抽真空前后压强值

根据牛顿管实验可得出在真空条件下物体所做的运动就是自由落体运动，进而总结出“自由落体”运动的定义.教师要向学生指出“只受重力”是一种理想状态，由于地球表面附近的物体都会受到一定空气阻力，因此实际上只要物体所受的空气阻力远小于自身重力就可以视为自由落体运动.

(2)自由落体运动的性质

利用手机APP软件Vernier Video Physics研究小铁球的自由落体运动.首先使用手机摄像功能先录制一段小铁球做自由落体运动的完整视频，然后打开软件将录制好的视频导入进去，点击“Track”就可以获得小铁球下落过程中的一系列位置，进而生成y-t图像(图3)和v-t图像，如图4所示，最后根据图像和软件导出的数据信息进行计算分析就可以得到小铁球自由落体运动的性质：初速度为零的匀加速直线运动，加速度为g.由图3我们不难发现自由落体运动的位移-时间关系为二次函数关系，基本符合

图3 y-t图

图4也基本符合线性关系

图4 v-t图

v=gt

对其进行误差分析得出可能是由于空气阻力的影响，点2有些偏离.

采用这种方式可以改善使用打点计时器时不便捷的问题，学生只需要一部手机就可以进行实验，并且实验操作流程也较为方便，过程较为直观，学生眼中看到的自由落体运动被手机软件复制转化为清晰明了的位移-时间和速度-时间图像，避免了在使用打点计时器时要将物体下落过程和小车运动过程进行同一转化，同时借助手机软件来研究物理知识更能够将信息技术渗透进课堂，培养学生的科学意识和创新思维.

(3)自由落体运动的规律

学生利用软件得到自由落体运动的性质后，教师可引导学生根据之前所学匀变速直线运动规律进一步总结出自由落体运动的相关公式，完善知识体系.

4 结束语

基于以上分析，教师在将TPACK理论应用于教学实践中时，应该深刻理解构成该理论的三要素技术知识(TK)、教学知识(PK)、内容知识(CK)是既相互独立又相互融合的，在应用时不能孤立地看待这3类知识，教师应该积极思考，以内容知识作为切入点，找寻合适的教学知识和技术知识使其相互配合，将内容知识以最佳方式呈现给学生[6].此外，本文对具体学科知识进行TPACK体系分析和教学设计的过程中发现，该理论一方面有利于教师专业素养的提升，增强教师对信息技术的使用,促进教师教学方法的变革，完善教学过程中的不足，提高教学效率；另一方面有利于培养新时代创新型人才，TPACK理论指导下的课堂和信息技术是深度融合的，学生不仅可以完成学习目标，掌握很久以前科学家们的智慧结晶，还可以在学习过程中通过信息技术的使用，了解一些较为前沿的学科成果，帮助学生开阔眼界[7].总之，TPACK理论为广大教师进行信息技术化教学提供了坚实的理论依据，在此基础上教师可以不断探索学习，提高自身水平，改善教学效果，同时促进教育信息化发展.