TPACK视域下物理教学设计*——以“圆周运动”复习课为例

齐海燕 张永恒

（长春师范大学物理学院）

当今社会，信息技术已经成为教师教学中不可缺少的元素之一。我国在促进教育信息化发展的过程中，也做出了相应部署。如2018年颁布的《教育信息化2.0行动计划》，指出了 “应用信息技术解决教学、学习、生活中问题的能力成为必备的基本素质”[1]。因此信息化走进课堂是必然趋势。教师作为课堂的设计者和引导者，拥有相应的信息技术能力，不仅能提高教学效率，也能为学生带来更好的学习体验。

一、TPACK框架与内涵

2005年，TPACK（Technological Pedagogical Content Knowledge）理论由米什拉（Mishra）与科勒（Koehler）提出[2]。TPACK理论详细的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[2]，如图1所示。

图1 TPACK的构成框架

随着越来越多的信息化技术涌入课堂，如何有效的利用和整合这些技术，提高教师的教学效率和教学质量，是每一个教师都应思考的。物理教师应该通过使用多样化的教学方式和信息技术手段，来培养和引导学生对于物理的兴趣，培养学生的核心素养[3]。所以当代教师有必要系统的学习和应用TPACK理论，掌握在不同的教学情境中恰当的融合信息技术，以此提升教学效率与教学质量。

二、传统复习课的弊端

传统课堂下的圆周运动复习课主要是串联本章知识点和讲解典型题型为主。复习圆周运动的基本物理量和物理概念；掌握各物理量之间的关系；掌握匀速圆周运动的特点；解决圆周运动的具体实例；会分析向心力的来源并列出动力学方程。

在知识点的串联上以口述讲解和静态图像展示为主，依靠同学们的想象来理解圆周运动的整体模型，难以有效地串联知识点和激发学生兴趣。而且在讲解典型题型时，对动态分析和临界状态的理解要求较高，造成了空间想象能力较差的学生在面对复杂多变的条件时，无法直观地理解物体的运动状态，从而导致了圆周运动的复习课无法有效地串联起知识点和构建逻辑框架。

三、TPACK框架下的教学设计

以TPACK框架为依据进行教学设计，根据教学内容选择恰当的教学方法和技术手段，其优势在于能够将学科知识（CK）、教学知识（PK）和技术知识（TK）这三者有机融合，以取得好的教学效果。在圆周运动的复习课中，教师运用GeoGebra数学软件（简称GGB），模拟不同条件下物体做圆周运动时的运动情况，增强圆周运动情景的真实性，使原本只能通过教师口述与静态图像展示的圆周运动变化过程得以动态化呈现。

（一）“圆周运动”复习课的设计思路

圆周运动是《普通高中教科书·物理·必修第二册》第六章的内容，圆周运动的复习课是对于本章知识点的串联与巩固，也是对本章典型题型的专项分析。本章复习的重难点在于掌握圆周运动的基本规律与日常生活联系的典型情境。首先，使用GGB数学软件对常见问题进行简单形象化演示，增强学生对于类似情况的判断能力[4]。然后，将圆周运动涉及的概念——线速度、角速度、向心力和向心加速度等分别用GGB数学软件有针对性的进行不同条件下的动态化呈现，再引导学生回忆相应的知识点。最后，用GGB数学软件模拟典型题型中圆周运动的临界状态与实时数据变化，提升解决复杂多变临界问题的应变能力。

（二）“圆周运动”复习课的教学过程及TPACK分析

1.复习线速度与角速度

【知识回顾】回顾线速度、角速度的定义与公式。

线速度：质点做圆周运动通过的弧长∆l和所用时间∆t的比值叫做线速度，用符号v表示，则当∆t趋近零时，弧长∆l就等于物体的位移，式中的v就是直线运动中学过的瞬时速度，即单位：m/s。

【软件展示】

使用GGB数学软件来模拟在不同条件下质点线速度与角速度的改变过程，例如：使质点在半径r=3m，时间0s≤t≤12s的条件下做圆周运动。如图2所示。

图2 GGB线速度和角速度演示图

【知识应用】

提出问题：请同学们根据软件展示中观察到的圆周运动现象，结合相应的条件计算出此过程中角速度ω和线速度v。

【TPACK分析】

TK：使用GGB数学软件模拟物体做圆周运动的过程中，线速度与角速度在不同条件下的改变情况，便于学生直观的观察和理解。TCK：通过回顾线速度、角速度的定义，结合所观察的运动情况进行计算。TPK：使用GGB数学软件演示线速度、角速度运动过程，使抽象的圆周运动直观化。CK：复习线速度、角速度定义与公式。PK：演示圆周运动过程，练习巩固。

2.复习向心力

【知识回顾】回顾向心力定义与公式。

定义：做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向圆心，这个指向圆心的力就叫做向心力，即Fn=mω2r，且可以由v=ωr求

【软件展示】

在使用GGB数学软件模拟线速度与角速度的基础上，增大物体质量m，模拟不同条件下，质点向心力的改变过程。例如：使质点在半径r=3m，时间0s≤t≤12s，质量m=2kg的条件下做圆周运动。如图3所示。

图3 GGB向心力演示图

【知识应用】

提出问题：请同学们根据软件展示中观察到的圆周运动现象，结合相应的条件，计算出此过程中向心力nF。

【TPACK分析】

TK：使用GGB数学软件模拟物体在不同条件下的向心力，便于学生直观的观察和理解。

TCK：学生通过回顾向心力的知识，结合所观察的运动情况，应用公式进行计算。TPK：使用GGB数学软件演示向心力改变过程，使抽象的圆周运动直观化。CK：向心力定义与公式。PK：演示圆周运动过程，练习巩固知识。

3.复习向心加速度

【知识回顾】回顾向心加速度定义与公式。

向心加速度：任何做匀速圆周运动的物体的加速度都指向圆心，这个加速度叫做向心加速度。向心加速度的作用只改变速度的方向，对速度的大小无影响。向心加速度的方向总指向圆心，方向时刻改变，方向总是与速度方向垂直。

图4 GGB向心加速度演示图

【软件展示】

【知识应用】

提出问题：请同学们根据软件展示中观察到的圆周运动现象，结合相应的条件，计算出此过程中向心加速度an。

【TPACK分析】

TK：使用GGB数学软件模拟物体在不同条件下的向心加速度，便于学生直观的观察和理解。

TCK：学生通过回顾向心加速度的知识，结合所观察的运动情况，应用公式进行计算。TPK：使用GGB数学软件演示向心加速度改变过程，使抽象的圆周运动直观化。CK：复习向心加速度定义与公式。PK：演示圆周运动过程，练习巩固知识。

4.总结圆周运动中的临界问题

【典型题型总结】回顾临界状态的定义与几种常见类型题。

定义：当物体从某种特性变化为另一种特性时发生质的飞跃的转折状态，通常称为临界状态。常见类型题：轻绳类；轻杆类；汽车过拱桥类；摩擦力提供向心力。

【类型题分析——摩擦力提供向心力】

一个物体放置在水平圆盘上，当圆盘旋转时，向心力F与摩擦力f满足什么条件物体才不会移动？当物体处于临界状态时二者之间的关系？

【软件动态展示】

使用GGB数学软件模拟以摩擦力提供向心力类的运动状态，并在运动过程中实时显示物体的向心力与向心加速度。可以通过控制圆周半径r、物体质量m、圆盘线速度v来模拟不同条件下的圆周运动，帮助学生判断理解。

将r,m,v具体数值输入软件中，就可以看到物体的运动状态，再将向心力nF与摩擦力f相比较便可以判断物体的运动情况。例如：以r=3m,m=2kg,v=3m/s的条件输入软件，得到当f≥6N时，物体不发生相对移动，当f<6N时，物体脱落。如图5所示。

图5 GGB临界状态演示图

【TPACK分析】

TK：用GGB数学软件来模拟不同临界状态下，物体做圆周运动的状态和显示物理量相应数值。TCK：通过GGB数学软件模拟物体的临界状态，增强了学生分析问题的能力，有利于学生对于临界状态变化过程的理解和判断。TPK：用GGB数学软件展示了临界状态的动态分析，加强了学生的空间想象能力，从多角度来思考问题的解决方法。TPACK：使用GGB数学软件模拟圆周运动的不同条件下的运动情况，并通过及时有效的知识串联、应用和巩固，提高学生分析问题的能力，有利于学生更深入的理解知识和构建起系统的知识体系。

四、结语

TPACK核心内容是TK、CK和PK以及这三部分相互交叉作用 的TCK、TPK、PCK、TPACK等其他内容共同构成的。它可以使教师明确如何在教学中，什么地方可以使用恰当的信息技术，去促进教学，甚至可以延伸到课外的一些知识。

近年来，随着信息技术在教育方面的发展，已经涌现了许多优秀的物理教学软件，它们可以在教学的许多方面的提供有效的帮助，使我们的教学效率得到增强和优化。但是不能过度依赖软件去教学，这些信息技术是帮助我们进行教学优化的起促进作用。而不要为了使用技术而使用这样不一定能产生好的效果，反而容易适得其反。在教学过程中，通过理解CK、PK、TK以及它们的交叉因素相互作用，在结合相应的学科内容，就构成了新的教学框架，使各种新兴的教学技术不断涌入教育教学中。教师也在使用信息技术的道路上也越发成熟，推动着教学方式的进步。所以学校也应该不断加强教师在有关方面的技术培训，让课堂上信息技术的使用成为当代教师的一种基本能力。