基于 TPACK的科学教育专业基础物理课程设计及实践

齐海燕 张永恒

【摘要】以科学教育专业为背景，针对目前基础物理课程存在的问题，引入 TPACK 框架，优化精选学科内容;采用线上线下混合式教学，坚持以问题为导向进行教学活动设计;选择具有通用性和先进性的技术平台和技术手段为课程服务，促进学生的主动学习，从而达成学习目标。

【关键词】TPACK  科学教育  物理  教学设计

【基金项目】吉林省教育科学“十三五”规划课题《科学教育师范生整合技术的学科教学知识（TPACK）发展研究》（编号：GH16451）;吉林省教育厅人文社科研究项目《基于TPACK框架的科学教育师范生发展现状与策略研究》（编号：JJKH20170675SK）。

【中图分类号】G64   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2022）07-0178-03

根据国家互联网信息办公室发布的《数字中国发展报告（2020年）》，截至2020年底，98.35%的中小学配备了多媒体教室，99.92%的学校出口带宽达到了100M，中小学互联网接入率达到100%[1]。随着互联网及信息技术的普及，《国家信息化发展战略纲要》[2]和《“十三五”国家信息化规划》[3]的落实，“互联网+教育”“信息技术+教育”推动了虚拟现实、大数据统计、AI人工智能等全新技术融入到传统课堂。

而教师作为懂教育和懂技术的专业群体，可以根据学科特点、教学内容，基于TPACK框架选择恰当的教学方法和技术手段进行教学设计，其特点是能够将学科内容知识（CK）、教学法知识（PK）和技术知识（TK）这三者有机平衡和融合，为传统课堂教学带来技术革新，也为学习者提供充足的学习动力。

1.TPACK框架与内涵

2005年，TPACK（Technological Pedagogical Con？鄄tent Knowledge）理论由米什拉（Mishra）与科勒（Koehler）提出。TPACK框架理论详细地阐述了三种基本元素CK（学科内容知识）、PK（教学法知识）、TK（技术知识）及其复合元素（TCK、PCK、TPK）之间的关联与意义[4]，如图1所示。

成功的TPACK教学应该覆盖所有教学内容，贯穿整个多维度教学过程。教师需要熟悉技术运用的原则，深刻理解不同的教学内容，做到教学方法的创新，从而达到信息技術与教学设计的融合[5]。

2.科学教育专业基础物理课程教学现状

科学教育（Science Education）属教育学类本科专业，该专业培养的人才具有良好的思想道德品质、扎实的自然科学知识和较强的科学教育能力，能胜任中小学科学教师或综合实践活动教师工作，以及在教育科研部门、公共事业单位从事科普工作的复合型人才[6]。

基础物理学是科学教育专业必修的专业基础课程，与其他理工科专业开设的大学物理课程相比，除了要求学生具备清晰的物理思维及分析能力，善于观察细节、头脑灵活，形成自己的思维模式之外，还对学生提出了更高的要求，即应能将物理知识、技术、工程与数学知识进行整合和迁移，形成综合的知识结构和跨学科的思维方式。

目前，传统课堂下的基础物理教学存在着以下问题：

（1）教学理念落后，教师仍以教为中心。教师是学习过程的主体，而学习者却沦为客体。无论教学质量如何，学生只能被动适应，甚至对教师所讲毫不怀疑。

（2）教学方法单一，以讲授法为主。以讲授法为主的教学虽然课堂效率高，但弊端也十分明显。似乎教师无所不知，学生一无所知，学习者的主观能动性完全被忽略。偶尔的课堂提问更倾向于固定答案的提问，而非学生的自主思考和探索。

（3）教学内容过于理论化，过分强调数学推导。科学教育专业的培养目标是培养学生成为中小学科学教师、综合实践活动教师或从事相关科普工作。因此一味强调复杂的数学推导，忽视对物理规律简洁的定性描述，并不利于科学教育专业培养目标的达成。

（4）忽视理论与生活实际及工程技术实践的联系。长期的应试教育，造成了教师和学生都倾向于解决标准化的、易批改的规范性问题，而对这些标准化问题的来源，即实际生活和工程技术中的复杂真实问题则视而不见。教学和实际脱节，给学生造成课堂讲授的知识永远是“纸上谈兵”的错觉。

（5）课堂上信息技术与教学的融合较为薄弱。课堂上信息技术应用被简单地理解为平台、软件及各种多媒体技术的罗列。教学内容与技术的呈现没有达到相辅相成的深度融合。课堂有限的时间内，不加选择和缺乏设计的追求技术，只能是脱离了内容的炫技。

3.基于TPACK的基础物理课程设计原则

以TPACK框架为依据进行教学设计，根据科学教育专业师范生的学情以及基础物理的课程特点，将三种基本要素进行重构和有机融合，以取得更好的教学效果[7]。

3.1优化教学内容，选择经典，精选前沿，紧密联系实际（CK）

基础物理的教学内容常常以力学、热学、电磁学、光学、量子物理几部分独立划分，对于实际复杂问题中多种物理规律的融合运用体现得不明显。针对科学教育专业，需要将物理、技术、工程与数学知识进行整合和迁移，形成综合的知识结构和跨学科的思维方式。因此在内容选择和优化上建立了物质与时空、运动与相互作用、能量转化与守恒、波和粒子四大专题，力求阐述清楚各种实验现象中物理规律的内在本质联系。

另外，设立前沿物理专题、物理与工程专题、物理与社会专题，以科普学术报告和专题讲座的形式，为学生创造一个拓宽知识面，开阔视野的机会。

3.2 重构学习目标，兼用多种教学方法，开展丰富的学习活动，推进多元评价，引导主动学习（PK）

以学习者为中心，重构基础物理课程学习目标。在以往的教学中，从教师视角而非学习者视角设计课程，因此常常把学习目标称为教学目标[8]。但在以学为中心的教学中，学习者是课程的主体，学习目标是整门课程的基础，统领课程的其余部分，同时也为学习者提供清晰和明确的努力方向。这是在优化教学内容、选择教学方法和采纳信息技术之前不可或缺的重要步骤，通过明晰学习目标，教师建立良好的评价准则，并且向学习者说明，以达到要求的学习成果。

科学教育专业的目标是培养政治信念坚定，师德高尚，扎实掌握自然科学和教育科学基本知识和技能，具有跨学科思维和教学能力，能在小学、教育机构从事教学与教研工作的骨干科学教师[9]。根据此培养目标重构了基础物理课程的学习目标，即掌握物理学的基础知识，理解物质运动和相互作用的基本规律，能运用物理学知识解释常见自然现象、解决生活中的一些物理问题;通过观察现象、提出问题、分析问题和解决问题的过程，掌握物理学中的研究方法，培养科学思维能力;能将物理、技术、工程与数学知识进行整合和迁移，形成综合的知识结构和跨学科的思维方式;培养学生坚持实事求是的科学态度，勇于创新的科学意识与严谨求实的科学作风。

精心设计与学习目标相一致的学习活动，坚持以问题为导向，推进线上线下混合式教学。除作业、随堂测验、期末笔试传统考核方式外，教师还可以对主题讨论、分组任务表现以多元动态的方式做出综合评价。针对每节课的学习目标，线上布置以问题为导向的课前任务，线下分组合作完成。以分组展示形式在线下课程完成基本概念回顾、典型例题讲解、实际问题分析等学习活动。线上开展主题讨论并建立讨论量规，鼓励学生积极参与，根据讨论参与程度做出评价。

3.3 充分利用各种网络平台、现代化信息技术，推进线上与线下混合教学（TK）

技术平台应具有通用性和先进性，为课程服务，促进学生的主动学习，并有助于学习目标的达成。随着信息技术的快速发展，利用超星泛雅、雨课堂、中国大学MOOC等平台实现课程资源的共享，辅助教师与学习者线上线下互动。利用平台的便利性完成课堂的分组讨论、作业布置、随堂测验等学习活动。同时可以利用数学软件GeoGebra（简称GGB）演示物理量随时间的演化过程，让学习者直观感受各物理量之间的关联性。制作符合科教教育专业学生的视频微课，以便学生复习和预习。

4.基于TPACK的基础物理课程设计实践

圆周运动是基础物理中运动学的重要内容，以本节课为例，基于TPACK框架理论对课程进行设计并分析圆周运动课程设计中的TPACK各元素，如表1所示。

根据科学教育专业的特点，明确圆周运动本节课的学习目标，重新设计学习活动并给出评价量规：

（1）圆周运动的学习目标：准确闡述切向加速度和法向加速度的物理意义;说出线量与角量的量值关系;会计算匀变速圆周运动的基本问题;简单定性分析生活中的匀变速圆周运动问题。

（2）圆周运动的学习活动：课前自主观看线上知识点微课;线下课堂对微课视频提出的问题进行启发式问答或分组讨论;线上开展主题讨论，线下课堂分组展示讨论成果;线下课程结束后，完成线上作业。

（3）圆周运动的分组任务（PBL）设计：夏季奥运会以及冬奥会中有哪些项目属于圆周运动或曲线运动？每组选取一种体育项目对其运动规律进行详细分析。

（4）圆周运动的分组主题讨论开展：道路修建、铁轨铺设等工程问题中都会出现曲线部分即弯道，结合本节课所学的圆周运动并查找相关资料，谈谈这些实际问题中的技术问题。

（5）主题讨论评价量规：如表2所示。

5.总结

课程设计准则和标准并不唯一，在互联网时代，无论哪种设计准则必须考虑到技术对课程设计的影响。无疑TPACK框架理论可以三种要素相融合，意味着技术运用也需要纳入到课程设计中。因此，在真正运用TPACK框架理论时，仍然要在深刻理解学科知识，熟练运用教学方法的前提下，做到让技术服务于学习者和课程本身，而非单单作为资源的载体。

推行基于TPACK的基础物理课程设计改革，坚持以问题为导向，以学习者为中心，重构适合科学教育专业的基础物理课程学习目标。将传统讲授法与讨论法、问题导向法等多种教学方法相结合，借助先进信息技术平台，推进线上线下混合式教学。实践表明，TPACK 框架下的普通物理课程教学有助于提高学习者的参与度、激发其学习物理的内驱力，增强了学习者的协同合作能力。同时教师团队也逐渐由懂知识过渡为懂教学，最终成长为懂设计和懂技术的卓越教师。

参考文献：

[1]国家互联网信息办公室.数字中国发展报告（2020年）[EB/OL].（2021-04-25）[2022-02-15].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-07/03/content_5622668.htm.

[2] 国务院办公厅.国家信息化发展战略纲要[EB/OL].（2016-07-27）[2022-02-15].http：//www.gov.cn/xin wen/2016-07/27/content_5095297.htm.

[3]国务院办公厅.“十三五”国家信息化规划[EB/OL]（2016-12-27）[2022-02-15]. http：//www.gov.cn/xinwen/2016-12/27/content_5153558.htm.

[4]季卫新，陈栋.TPACK视域下研究性备课的区域实践研究——以“欧姆定律”备课为例[J].物理教学，2021，43（2）：36-41+35.

[5]顾启元，王俊祥.TPACK视角下翻转课堂教学模式研究[J].中国教育信息化，2016（22）：66-69.

[6]马永双，郭飞君.我国高师科学教育专业定位的分析[J].教育与职业，2014（2）：101-103.

[7]郭艳燕.基于TPACK模型的程序设计实验课程混合式教学改革[J].实验技术与管理，2019，36（10）：238-242+264.

[8]田泽林.促进自主学习的教学设计研究[D].东北师范大学，2007.

[9]齐海燕，杨光敏，刘博.高师科学教育专业人才培养模式的研究与实践[J].中国现代教育装备，2017（5）：57-59.