黃 樺

（嶺南師范學院 物理科學與技術學院，廣東湛江 524048）

TPACK視角下的高中物理翻轉課堂實踐探索

黃 樺

（嶺南師范學院 物理科學與技術學院，廣東湛江 524048）

信息技術與學科教學深度融合下的翻轉課堂，應在課程技術化的基礎上，理解翻轉課堂的內涵，加強“技術—教學—學科知識”體系的創(chuàng)新性運用，整合JiTT（Just-in-Time Teaching，適時學習）和PI（Peer Instruction，同伴教學）教學模式，才能發(fā)揮翻轉課堂應有的教學功效。文章以“外力作用下的振動”教學實踐為例，從TPACK理論框架出發(fā)，應用有著先進教學理念、良好教學效果、信息技術融合度高等特點的JiTT和PI教學方法作為翻轉課堂的基本教學框架，構建了能有效實施的中學物理翻轉課堂。

翻轉課堂；TPACK；高中物理；教學實踐

近十年來，“技術—教學—學科知識”（Technological Pedagogical and Content Knowledge，TPACK）這一理論的興起和發(fā)展，不僅揭示了技術知識、教學知識和學科知識三種知識形態(tài)之間復雜交疊的關系，也為探索技術與學科教學融合提供了理論框架[1]。TPACK特別強調，技術知識不僅是了解技術，更重要的是技術在課堂教學、交流、問題解決、決策等方面的有效應用，凸顯技術不僅是問題解決的手段，也是問題解決的過程的價值觀[2]。考慮到TPACK的高度融合性和情境性以及技術、教學、學科的專屬性，本研究應用有著先進教學理念、良好教學效果、信息技術融合度高等特點的JiTT和PI教學方法作為翻轉課堂的基本教學框架，結合科學探究等物理教學方法，探索翻轉教學下的高中物理概念教學，以豐富翻轉課堂和TPACK的相關研究。

一 翻轉課堂的知識體系與教學方法

1 翻轉課堂的知識體系：TPACK

TPACK主要是指信息技術與學科教學整合的知識體系，主要有三種核心知識元素：技術知識（Technological Knowledge，TK）、教學知識（Pedagogical Knowledge，PK）、學科知識（Content Knowledge，CK）[3]。其中，TK是指ICT知識，如通用軟件、互聯網技術、教育軟件、模擬實驗、建模工具等；PK是指教與學的實踐、流程、策略、方法等知識；CK是指教學的學科內容知識，如高一物理、高二化學等都是不同的學科內容。但是，TPACK框架遠不止這三種知識，因為三者的交叉融合，又衍生出了“技術—教學”知識（TPK）、“技術—學科”知識（TCK）、“教學—學科”知識（PCK）和“技術—教學—學科”知識（TPACK）等。PCK包括教學策略和教學技術，科學概念的表征和表述，科學概念學習的影響因素，學生的錯誤概念、先前知識、認知困難、認識論等知識；TCK是指信息技術給學科內容帶來的變化，如解決科學問題的技術手段和工具、計算機建模、仿真虛擬軟件的運用等。TPK是指技術如何支持特定教學策略的知識，如數字化科學探究、基于網絡的科學探究等。為了更好地區(qū)分這7種知識成分，表1給出了每種知識成分的操作性定義，并列舉了高中理科教學中TPACK的主要內容。

表1 TPACK 7成分的定義與例子

2 翻轉課堂的教學方法：JiTT和PI

JiTT主要通過在課前、課后使用簡練的基于網絡的學習任務，來提高學生的學習效果。教師在課前會檢查學生的回答，分析學生的前概念和認知困難，進而設計有效的課堂教學活動，讓學生掌握課前難以理解的概念；課后進一步評估學生新概念的掌握情況，及時調整教學。成功實施JiTT的關鍵有兩點：一是設計行之有效的JiTT學習任務，二是專門的學習任務發(fā)布平臺，即JiTT課程管理系統。JiTT學習任務通常是開放性的問題，要求學生通過閱讀書本或文章，觀看一段視頻，操作一個模擬動畫，或者分析一組數據等任務，在規(guī)定時間內作答；學習任務的預期反饋必須利于教師分析、甄別不同類型的答案，篩選代表性的展示分析案例，設計交互式課堂教學活動。課程管理系統要便于教師發(fā)布各種載體的學習任務，幫助教師快速收集、分析學生的反饋[4]。JiTT的實施流程如圖1所示。

圖1 JiTT的實施流程

圖2 PI的實施流程

PI使用專門設計的概念測試題，在即時反饋系統或者其它投票手段等技術的幫助下，可促進學生錯誤概念的發(fā)現、糾正，以及正確概念的建立、深化，引導學生深入開展科學探究，并在大班教學中實現和諧、有效的生生互動和師生互動，促進學生的自主學習、合作學習。成功實施PI的關鍵因素有兩個：一是概念測試題的設計，二是即時反饋系統的構建。概念測試題是PI教學法的核心，其設計的好壞，決定了能否激發(fā)學生的思考和討論，也進而決定了PI的成效。教師可根據課前學生JiTT的反饋，甄別學生難掌握的概念，基于真實實驗或者虛擬實驗的科學探究，設計概念測試題，引導學生深入探索物理概念。即時反饋系統一般使用課堂表決器（Clicker），其好處在于可提高學生的參與度和關注度，讓每個學生有機會表達自己的想法，并對自己的學習負責，而不是隨意作答；其匿名性也有助于減輕學生的壓力，表現自己的真實想法。同時，也有助于老師迅速了解班級或個別學生對概念的掌握程度和是否存在學習困難，并利用回答結果的差異，調整上課內容，激發(fā)學生的好奇和認知沖突，促使學生深入思考。考慮到成本問題，也有研究者使用A、B、C、D四張教學用的抽認卡（Flashcards）來代替表決器，同樣收到了不錯的教學效果[5]。PI的實施流程如圖2所示。

二 翻轉課堂的教學實踐：以“外力作用下的振動”為例

1 設計思路

“外力作用下的振動”是人教版《高中物理·選修3-4》中第十一章機械振動第五節(jié)的內容，主要介紹了阻尼運動、受迫振動和共振這三個核心概念，并在教材后安排了“科學漫步”的內容，介紹生活中的共振和減振。本節(jié)的教學重點有兩點：一是受迫振動的頻率等于驅動力的頻率，與系統的固有頻率無關；二是共振發(fā)生的條件及了解生活中的共振現象。由于真實實驗無法幫助學生準確探究驅動力頻率與固有頻率的關系，故前者更是成了本節(jié)課的教學難點。

通過實驗培養(yǎng)學生的觀察操作、合作、由實驗現象提煉規(guī)律、推理分析、綜合處理以及交流表達等能力，一直都是中學物理教學的重難點。此外，受限于傳統教學的時間和空間，讓學生將物理學習聯系生活、科技和社會，培養(yǎng)學生用物理知識和研究方法解決實際問題的意識和能力，更是難以落到實處。尤其是類似“科學漫步”等教學內容，大多數教師的處理是安排學生課后閱讀，但學生對這些內容乏味、形式單調、沒有學習壓力且學習動力不足的學習任務并不感興趣，導致教學流于形式，并無實際教學效果。但如果教師設計得足夠巧妙，該部分內容卻是實施STEM教育——科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）教育的最好載體。為了突出重點，突破難點，打破常規(guī)，實現創(chuàng)新，本研究在TPACK理論框架的統領與指導下，在本節(jié)課的教學中采用了翻轉課堂的教學模式，構建了JiTT課前準備、PI課中探究、JiTT課后鞏固拓展的教學框架。

為了全面探索信息技術與高中物理學科教學的融合，強調技術不僅是解決問題的手段，更是問題解決的一個過程，通過“設計學習”的策略，教師可根據課程要求、教學內容、學生情況、信息技術等實踐能力和現有條件，參照表1中TPACK 7成分的操作性定義，確定本節(jié)教學的TPACK知識體系，如表2所示。

表2 “外力作用下的振動”的TPACK體系

2 教學實踐

（1）教學環(huán)節(jié)一：課前JiTT

在新課教學前兩天的晚修時間，物理老師會在JiTT課程管理系統，即物理學習班級QQ群，發(fā)布JiTT學習任務，標題是：“外力作用下的振動”的JiTT課前學習任務，鏈接到任課教師的個人博客，觀看教師已經編輯好并發(fā)布的視頻，內容是第2012.10.06期“快樂大本營啊啊啊啊科學實驗站”（時長5分鐘），然后回答問題：①聲音看不見摸不著，前面的課程學習了用計算機觀察聲音的波形，視頻中運用了哪兩種方法讓聲音“看得見”？②陳奕迅是怎樣震碎杯子的，其他人要怎樣才能做到這樣？回答時盡可能利用前面學習過的物理概念，如波形、頻率、固有頻率等。要求學生獨立思考，限定15分鐘的時間，將回答通過手機QQ發(fā)給老師，不要在QQ群討論和發(fā)布自己的作答。此JiTT學習任務的目的有兩個：一是通過一道反饋題，鞏固和拓展前面課程“科學漫步”的內容“樂音和音階”、“做一做”的內容“用計算機觀察聲音的波形”；二是概念測試題，測試學生對共振概念的掌握情況。

（2）教學環(huán)節(jié)二：課堂PI教學

本節(jié)課的教學手段是融合PI教學理念和方法，采用計算機投票系統，調控教學進程；運用PhET提供的虛擬仿真實驗：單擺實驗和共振實驗，以及教師編輯創(chuàng)建的共振棒演示實驗、視頻資料等，引導學生開展探究性學習，深化概念理解，感受物理之美。教學實踐中，根據中學物理教學的實際情況，本研究將圖2的PI教學主流程修改為：展示概念測試題—個人思考或與同伴討論—設計實驗—收集數據—分析數據—投票作答—班級討論。由于學生的學習需要多人使用一臺電腦，所以本節(jié)課教學在專門的計算機課室進行，教師在課前要保障每一臺電腦能夠在線或者離線運行PhET仿真實驗。為了保障實驗探究的效率，教師需要在學生操作前介紹清楚仿真實驗的界面和使用方法?？紤]到篇幅，在不影響理解的前提下，本文僅展示概念測試題與學生需要掌握的核心概念，不贅述課堂實施的細節(jié)。

①何謂阻尼運動？

測試題1：圖3的單擺實驗，將阻力設為“中間位置”，單擺從40度位置釋放，振幅會怎樣變化？選項：A）不變；B）越來越大；C）越來越小；D）不清楚

測試題2：圖3的單擺實驗，將阻力依次設為“0、中間位置、大”這三種情況，單擺從40度位置釋放，振幅減少最快的是？選項：A）“0”；B）“中間位置”；C）“大”；D）不清楚

測試題3：圖3的單擺實驗，將阻力設為“0”，并令“g=0”，單擺從40度位置釋放，振幅會怎樣變化？選項：A）不變；B）越來越大；C）越來越?。籇）不運動；E）不清楚

本小節(jié)結論：振幅逐漸減少的振動，叫做阻尼振動；受到的阻尼越大，振幅減少得越快；當阻力過大時，振動不能發(fā)生。

圖3 PhET單擺實驗

圖4 PhET共振實驗

②何謂受迫振動？

測試題4：圖4的實驗，撥動彈簧，彈簧振子的振幅會怎樣變化？

測試題5：圖4的實驗，打開驅動器，穩(wěn)定時，彈簧振子的振幅會怎樣變化？

選項：A）不變；B）越來越大；C）越來越小；D）不清楚

測試題6：圖4的實驗，打開驅動器，穩(wěn)定時，彈簧振子的頻率比自身的固有頻率？

測試題7：圖4的實驗，打開驅動器，穩(wěn)定時，彈簧振子的頻率比驅動器的頻率？

選項：A）大；B）小；C）相等；D）不清楚

本小節(jié)結論：系統在驅動力作用下的振動，叫做受迫振動；在穩(wěn)定時受迫振動的頻率總等于驅動力的頻率，與系統的固有頻率無關。

③何謂共振？

測試題8：圖4的實驗，啟用5個共振器，固有頻率依次為1、1.5、2、2.5、3HZ，調節(jié)啟動器的頻率為1.8HZ，穩(wěn)定時，哪個共振器的振幅最大？

選項：A）1；B）2；C）3；D）4；E）5

本小節(jié)結論：驅動力頻率等于系統的固有頻率時，受迫振動的系統振幅最大的現象叫共振；當固有頻率不等于驅動力頻率時，二者越接近，振幅越大。

④生活中的共振

測試題9：播放課前JiTT的視頻，杯子被震碎的原因是？選項：A）陳奕迅聲音的頻率比杯子的固有頻率高；B）陳奕迅聲音的頻率比杯子的固有頻率低；C）陳奕迅聲音的頻率與杯子的固有頻率相同；D）不清楚。

⑤體驗物理之美：播放東方衛(wèi)視的一則新聞：“音樂家輕敲高腳杯演奏美妙音樂”。要求學生結合本節(jié)課的學習，分析音樂家是如何做到的。

（3）教學環(huán)節(jié)三：課后JiTT

本環(huán)節(jié)主要讓學生復習鞏固和拓展課堂學習的知識，實施STEM教育。時間主要安排在周末，一般是兩周一個課題。由于是學生休息時間，故內容和形式要求生動活潑、輕松自由，能激發(fā)學生學習的積極性。本單元教學安排了兩個STEM活動，一是思維活動：偵探破案；二是實踐活動：玻璃杯奏樂。偵探破案中，節(jié)選了日本影片《神探伽利略》第一季第三集“顯靈”的三個片段：①湯川到高野家調查，收集地圖資料比對，發(fā)現房子在一傾斜的下水道口上頭，聯想到工廠排放廢棄的熱蒸氣與此下水道口震動而引發(fā)房子的共振；②湯川請助理假冒行政人員騙走房子內的男人，與熏一同進入房內驗證共振的猜想；③由塔科馬大橋傾毀解釋共振原理以及與本劇劇情的關聯。之后，要求學生根據劇情，撰寫案發(fā)情況、現場偵查、證詞聽述、收集證據、分析證據等破案過程，形成一份總結報告。該活動主要是借助懸疑影視劇的魅力，幫助學生在體驗破案的過程中，能靈活運用所學的物理知識。實踐活動中，為了鞏固課堂上最后的環(huán)節(jié)，動手體驗物理之美，教師提供《科學游戲實驗室》網站中“玻璃杯音樂”的網絡鏈接，讓學生根據網頁詳細的操作提示，使玻璃杯發(fā)出美妙動人的音樂，并把自己演奏的視頻共享給老師和同學。

3 教學反思

本節(jié)課設計的三個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、前后呼應，根據教學進程由淺入深地安排學習任務，課前概念的初接觸與測試、課中核心概念的探究、課后概念的鞏固與應用，有效促進了物理概念教學的深入開展。從學生的參與情況來看，JiTT的學習任務和PI的概念測試題的參與率均為100％，而且沒有一個學生抄襲別人的答案，或選擇“不清楚”等隨意作答，展示了JiTT和PI的教學內涵。從技術應用來看，能夠有效利用各種信息技術，構建翻轉課堂，在大班教學中實現良好的生生、師生互動，提升教學的效率。最大的亮點是充分融合了“技術—教學—學科知識”，利用學生非常喜歡的影視作品如快樂大本營、神探伽利略等，以及趣味性強、互動性好的PhET虛擬仿真實驗，豐富了教學內容和教學手段，促使課堂內外學生的學習興趣高、探索欲望強、探究效果好，課堂充滿活力。但該教學過程中也仍然存在不少瑕疵和挑戰(zhàn)，如課程管理平臺功能不夠強大、教師投入的時間精力多、教學素材整理難、學生討論互動的意識不強等，故該課程設計還有待進一步的提升。

三 結語

通過JiTT和PI的核心——反饋機制的建立，不僅讓教師能夠在課前、課中、課后實施有效教學，更使學生養(yǎng)成了良好的學習習慣，有效彌補了傳統大班教學中互動教學和個性教學的不足，調動了教師與學生投入教學的積極性、主動性和創(chuàng)造性，有效解決了如何以學生為中心、讓學生帶著準備進課堂、促進科學概念的深度掌握、科學探究的深入開展等傳統教學的難題，破解了教學內容多與教學時間少的矛盾。源于對JiTT和PI教育內涵的思考及實踐效果，本文所要重點闡述的，是形式上的“翻轉”并不難，但要實現翻轉學習、達成技術與學科教學深度融合的愿景，則不僅需要技術的支持，更需要教師加強TPACK的學習，重新審視自己的技術觀、教學觀，在實踐中體會技術知識、學科內容、教學法三者的融合貫通，尋求創(chuàng)新與突破，從“知識傳遞者”蛻變?yōu)椤爸R創(chuàng)造者”，提升教師的職業(yè)價值。

我們在不斷的教學實踐和探索中取得一定的教學效果，也發(fā)現教師與學生的技術素養(yǎng)有了很大的提升，而這也是21世紀對人才培養(yǎng)的核心訴求之一。如正確引導學生將手機、App學習游戲、課程網站等信息技術的軟硬件融入學習，而不是一味地打壓學生使用手機和網絡；幫助學生關注影視作品中的科學知識，培養(yǎng)學生運用知識解決實際問題的意識和能力，而不是“死讀書，讀死書”；幫助教師學會共建共享優(yōu)秀教學案例、借鑒和使用國際優(yōu)質的教學資源，而不是閉門造車。目前，結合教師的TPACK，構建JiTT和PI的高中物理翻轉課堂教學實踐，在國內外都還處于摸索階段，本文的研究也只是拋磚引玉。在今后的研究中，需要細化TPACK在該教學模式中的各項要素，深入探討基于該教學模式的教師TPACK發(fā)展機制等，期待更多感興趣的教育研究者能投入進來。

[1]Archambault L M,Barnett J H.Revisiting technological pedagogical content knowledge:Exploring the TPACK framework[J].Computers & Education,2010,(4):1656-1662.

[2]蔡敬新,鄧峰.“技術—教學—學科知識”(TPACK)研究:最新進展與趨向[J].現代遠程教育研究,2015,(3):9-18.

[3]何克抗.TPACK——美國“信息技術與課程整合”途徑與方法研究的新發(fā)展(下)[J].電化教育研究,2012,(6):47-56．

[4][5]黃樺.物理課程創(chuàng)新教學模式:JiTT和PI——基于技術的互動教學典范[J].電化教育研究,2012,(4):89-94.

Flipped Classroom Teaching Practice of High School Physics in Perspective of TPACK

HUANG Hua
（School of Physics Science and Technology,Lingnan Normal University,Zhanjiang,Guangdong,China 524048）

The due teaching effect flipped classroom,which is the deep integration of information technology and subject teaching,could be exerted,in case that it was fully utilized on the basis of course technicalization,the connotation of flipped classroom was understood,the innovative application of TPACK was intensified,and the teaching method of JiTT and PI was integrated.The paper took the teaching practice of “the vibration responses under the external force” in high school physics as example,embarked from the theoretical framework of TPACK,and applied the teaching method of JiTT and PI,which occupied the characteristics of advanced teaching theory,excellent teaching result and high integration with information technology,as basic teaching framework,to establish the flipped classroom of high school physics which can be effectively implemented.

flipped classroom; TPACK; high school physics; teaching practice

小西

G40-057

A 【論文編號】1009—8097（2016）01—0077—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.02.012

黃樺，講師，碩士，研究方向為物理課程與教學論，郵箱為huhu090138@163.com。

2015年8月29日