基于TPACK理论的跨学科实践活动设计研究*——以苏科版初中物理“生活中的杠杆”为例

陈其娟

(南京市南站中学 江苏 南京 210012)

季卫新

(南京市雨花台区教师发展中心 江苏 南京 210012)

2022年版义务教育物理课程标准中新增了一级主题——“跨学科实践”,其中包含“物理学与日常生活”这个二级主题[1].随着科技日新月异的发展,学生身边熟悉的新事物早不是教材中的那些物品,研究组觉得可以在TPACK视野下根据学生的实际生活来建立物理概念.

1 TPACK核心概念

TPACK即整合技术的学科教学知识.TPACK框架如图1所示[2].

图1 TPACK技术教学内容知识结构图

TPACK框架的3个核心要素为学科内容知识(CK)、教学法知识(PK)、技术知识(TK),4个复合要素为学科教学知识(PCK)、整合技术的学科内容知识(TCK)、整合技术的教学法知识(TPK)、整合技术的学科教学知识(TPACK)[3].

2 整合技术的学科教学知识分析

2.1 学科内容知识(CK)分析

生活实际的负迁移在一定程度上影响学生对杠杆的认识,仅凭教材上的使用工具,学生一般认为杠杆是一种工具,像羊角锤拔钉子,则羊角锤是杠杆,像生活中的空调外机支架、人的手臂等学生很难建立起杠杆模型.所以本节课希望通过学生寻找自己能看到或者使用过的物品来建立杠杆的概念;探究并了解杠杆的工作原理;能分析生活中的杠杆在使用过程中的优缺点,或者是否存在安全隐患并能提出合理的改进建议.能够做到从生活走向物理,能够运用物理解决简单的实际问题,使学生体会物理学习的成就感.

2.2 教学法知识(PK)分析

教学方法是与一定教学目标和任务相关的具体操作程序,一般有讲授法、演示法、实验法、读书指导法等[4].本节课和生活联系比较紧密,因此可以设计成综合实践活动,学生先自行预习课本“11.1 杠杆”,通过阅读初步知道支点、动力、阻力、力臂的概念,教师引导其根据杠杆实物图片简单画出杠杆模型.再基于学生的经验,寻找自己家里或者外面看到过的杠杆,并尝试画出杠杆模型,找出杠杆在使用过程中的支点、动力、阻力、力臂,建立杠杆的概念[5].再测量并寻找五要素之间的关系,找出平衡条件,分析该杠杆为生活带来的便利之处.

2.3 技术知识(TK)分析

在信息化教学手段当中用得最多的是多媒体教学,学校教室内都有多媒体教学设备,学生可以将其实践活动过程拍成短视频在课堂播放,这样教学的时间和空间重新构建,抽象的杠杠模型也可以直观展示,大大降低学生学习的难度,也提升了学生自主学习的兴趣和效度.

2.4 整合技术的学科教学知识(TPACK)分析

“生活中的杠杆”的TPACK构成元素如表1所示.

表1 “生活中的杠杆”TPACK构成元素分析表

通过以上基于TPACK理论进行模块化的研究性备课,其设计的流程化相对比较清晰、明了.

将各模块进行合理整合之后,“生活中的杠杆”设计思维结构图如图2所示.

图2 “生活中的杠杆”TPACK整合结构图

3 TPACK理论下的跨学科实践活动教学设计

3.1 杠杆概念及平衡条件

活动1：平常学生在整理讲义的时候,用到了夹子,如图3所示,请同学们拿出夹子,用手捏住夹子的一端,观察夹子在进行怎样的转动?

图3 夹子

活动2:夏威夷果果壳坚硬,为方便人们食用,一般厂家会在夏威夷果的一侧开一个缝隙,并随袋附送一个铁片式开果器,如图4所示.请同学们利用开果器,一手握紧果壳,另一手使用铁片撬动夏威夷果的缝隙,以使夏威夷果的果壳分裂,取出果仁.引导学生思考,谁在转动?进行了怎样的转动?

图4 开果器

分析：针对上述活动找共性,找特点,抽象概括杠杆定义,用文字表述出来.对不同学生表述进行总结,用最简单的语言概括,得出杠杆的定义.

小组合作,利用钩码、测力计、铁架台、杠杆来设计实验探究平衡条件,并交流汇报方案、实验过程、注意点、结论、误差等.

3.2 家庭中的杠杆——学生实践过程

调动学生寻找家庭中的杠杆,画出他们的简图,提炼出杠杆模型,分析五要素,了解他们在具体情境中的含义.

(1)学生实践活动1——窗帘杆

情境描述:家中用于挂窗帘的罗马杆如图5(a)所示,为双支架双杆模式,内杆挂较轻的窗纱,外杆挂较重的窗帘.有一天固定在墙上的膨胀螺丝突然脱落.首先分析原因,三角形支架实际上是杠杆模型,画出草图如图5(b)所示,三角形ABC为杠杆,画出杠杆五要素,B为杠杆的支点,C、D点为动力作用点,A点为阻力作用点,分别作出动力F1和F3,动力臂L1和L3,阻力F2,阻力臂L2,其中F1、F3的大小分别等于窗帘、窗纱自身的重力(杠杆自身重力忽略不计),根据杠杆平衡条件,动力乘以动力臂等于阻力乘以阻力臂可得

图5 窗帘杆实物及工作原理图

F1L1+F3L3=F2L2

膨胀螺丝容易脱落说明:F2过大,超出极限,为了窗帘杆不出故障,应该想办法尽量使膨胀螺丝与墙壁之间的实际作用了减小,即减小F2.根据杠杆平衡条件发现理论上有3种思路.

1)增大L2;

2)减小L1和L3;

3)减小窗帘的重力.

如何修复窗帘呢?有如下建议.

1)换轻质的窗帘;

2)将较轻的窗纱和较重的窗纱互换位置;

3)缩短支架的横向距离(AC);

4)增大支架纵向距离(AB);

5)多处打入膨胀螺丝.

(2)学生实践活动——开果器

情境描述:开果器撬动果壳的时候,开果器在力的作用下绕开果器与果壳的接触点转动,可以简化成杠杆模型.如图6所示,O点为支点,A点为动力作用点,B点为阻力作用点.画出此杠杆的五要素,动力臂大于阻力臂,为省力杠杆,所以用此开果器比徒手掰果壳省力多了.

图6 开果器杠杆原理图

(3)学生实践活动3——成果汇报

活动目标:引导学生从生活中能寻找杠杆并建立杠杠模型,通过实践活动了解杠杆五要素以及平衡条件,能够对杠杆分类并运用杠杆知识解决实际问题.

活动方案:学生自行阅读苏科版教材“11.1 杠杆”,根据杠杆的定义去寻找家庭中的杠杆并拍摄其使用过程;画出杠杆模型,找出杠杆五要素;把学习成果在课堂上以投屏的形式介绍展示;分析在使用过程中的优缺点并尝试改造优化.

学生的活动成果如表2所示.

表2 学生活动成果汇报

4 研究结论

学生在寻找并建立杠杆模型的过程中,能更加深入理解杠杆五要素的概念.在教学实践活动中也遇到一点问题:能否在杠杆使用过程中,测量出力和力臂,并寻找规律?在探究杠杆平衡条件的教学活动中,一般选用教材中杠杆演示器(配有钩码、弹簧测力计)进行探究.笔者认为这种探究方法的优点是杠杆模型比较简单,容易得出规律,缺点是过于理想化,离生活实际中使用的杠杆有点遥远.所以可以在杠杆使用过程中,用刻度尺直接测量力臂,用力传感器测量动力和阻力,这样再寻找平衡条件.

基于TPACK理论的跨学科实践活动体现了教学分析在备课过程中的重要性,TCK技术学科内容知识是教师将技术有意义地整合到学科教学领域的路径,PCK学科教学知识为教师在教学中提供进一步理论支持,TPK的学科教学知识则是 TPACK 在教学环境中合理应用的策略[6].基于TPACK 的研究性备课可以真正做到在传统教学与实践活动相结合之间找到其平衡点,提高学生的科学素养,培养学生的实践能力.