張永恒 齊海燕

（長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院）

信息技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代迅猛發(fā)展，極大地提高了教育領(lǐng)域的信息化程度。目前我國(guó)中小學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育資源使用普及率較高，課堂信息化環(huán)境建設(shè)也已經(jīng)初具規(guī)模[1]。同時(shí)基礎(chǔ)教育教師的信息素養(yǎng)也在逐步提升，部分教師職前已經(jīng)系統(tǒng)掌握了信息技術(shù)[2]，在職后能夠?qū)⑵渑c學(xué)科教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合。在信息化的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施方面，雖然教師積累了一定經(jīng)驗(yàn)，但仍然缺少一定的理論指導(dǎo)。如何在教育信息化理論指導(dǎo)下開展教學(xué)，運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)輔助課堂，是眾多一線教師急需思考和學(xué)習(xí)的。

一、TPACK理論框架

1986年，美國(guó)心理學(xué)教授Shulman提出，除了學(xué)科知識(shí)與教學(xué)知識(shí)之外，教師還應(yīng)該擁有一種全新的整合知識(shí)，即PCK（Pedagogical Content Knowledge，學(xué)科教學(xué)知識(shí)），它是上述這兩種知識(shí)的特殊整合[3]。

隨著教育信息化的發(fā)展，在2005年，美國(guó)的Mishra 博士與Koehler博士在PCK基礎(chǔ)上，加入了TK（技術(shù)知識(shí)），形成了TPACK（整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識(shí)）。TPACK理論詳細(xì)的闡述了三種基本元素CK（學(xué)科內(nèi)容知識(shí)）、PK（教學(xué)法知識(shí)）、TK（技術(shù)知識(shí)）及其復(fù)合元素（TCK、PCK、TPK、TPACK）之間的關(guān)聯(lián)與意義[3]，如圖1所示。

圖1 TPACK的構(gòu)成框架

隨著我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中小學(xué)的覆蓋和推廣，先進(jìn)的信息技術(shù)得以不斷地引入課堂。教師非常有必要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)TPACK理論體系，根據(jù)學(xué)科知識(shí)特點(diǎn)選擇和掌握相應(yīng)的信息技術(shù)，力求打破傳統(tǒng)課堂效率低下的僵局，為一線教學(xué)提供優(yōu)秀范例。以物理學(xué)科為例，應(yīng)在教學(xué)中使用能夠模擬理想環(huán)境或動(dòng)態(tài)展示運(yùn)動(dòng)過程的技術(shù)來輔助教學(xué)，從而促進(jìn)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

二、基于TPACK的“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”教學(xué)設(shè)計(jì)

“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”本節(jié)課選自《普通高中教科書·物理·必修（第三冊(cè)）》第十章第五節(jié)，研究了帶電粒子在電場(chǎng)中所做的運(yùn)動(dòng)，及運(yùn)動(dòng)的加速度、合速度、偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)角度等相關(guān)物理量的關(guān)系。電場(chǎng)在生活中無法直接有效展示，對(duì)首次接觸電場(chǎng)的學(xué)生來說，不易深刻理解其物理規(guī)律。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式主要以教師講授為主，配合課堂提問和靜態(tài)示意圖展示，教學(xué)過程較為枯燥乏味，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力和激發(fā)學(xué)生興趣，造成課堂效率較低。

以TPACK框架為依據(jù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和技術(shù)手段，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)W(xué)科知識(shí)（CK）、教學(xué)知識(shí)（PK）和技術(shù)知識(shí)（TK）這三者有機(jī)融合，以取得好的教學(xué)效果。在“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”中教師運(yùn)用GeoGebra數(shù)學(xué)軟件（簡(jiǎn)稱GGB），模擬帶電粒子在理想條件下的運(yùn)動(dòng)過程，并通過改變物理量量值來達(dá)到相應(yīng)效果。使帶電粒子的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由原來的靜態(tài)圖片和視頻觀察，變成了直觀、可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)展示，形象且科學(xué)，讓學(xué)生印象深刻，提高課堂專注力[4]。

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”這節(jié)課是通過學(xué)習(xí)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)及偏轉(zhuǎn)的一般規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理能力。本節(jié)課學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)在于處理帶電粒子偏轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)力學(xué)和電學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用。為了更好的分析現(xiàn)象和提高效率，“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”的教學(xué)過程中使用了多種信息化手段來輔助教學(xué)，本節(jié)課的TPACK各元素詳見表1。

表1 “帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”的TPACK框架

（二）“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”的教學(xué)過程及TPACK分析

1. 知識(shí)回顧與課程導(dǎo)入

師：使用多媒體課件展示歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)原理和北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的圖片，并講述觀看感受，介紹電子直線加速原理與世界粒子物理研究前沿對(duì)接。

師：在學(xué)習(xí)新知識(shí)前，先來回顧一下，在電場(chǎng)中的帶電粒子怎樣才能平衡？

【TPACK分析】

TK：使用投影儀將多媒體課件上的圖片視頻放大，清晰展示，從而提高課堂參與度。

TPK：教師使用多媒體課件講述與課程原理相聯(lián)系的前沿科學(xué)成果，有利于激發(fā)學(xué)生興趣和求知欲。

2. 新課講授

【提出問題】

師：如圖2所示，帶電粒子以初速度v垂直于電場(chǎng)線射入勻強(qiáng)電場(chǎng)中，場(chǎng)強(qiáng)為E，板長(zhǎng)為l，板間距離為d，帶電粒子的電量為q，質(zhì)量為m，初速度為v水平向右，帶電粒子能否從極板右側(cè)打出？

圖2 GGB演示圖

【思考討論】

①對(duì)帶電粒子進(jìn)行受力分析。

②你所觀察到的運(yùn)動(dòng)是否似曾相識(shí)？與過去學(xué)過的哪種運(yùn)動(dòng)形式類似？我們采取什么方法研究？

③通過類比推理，你是否能夠找出帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律?

學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)，自主分析推導(dǎo)（在投影儀上使用GGB數(shù)學(xué)軟件演示帶電粒子的運(yùn)動(dòng)過程，如圖3所示）。

圖3 GGB演示圖

【問題解答】

生：由于帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受力僅有電場(chǎng)力（與初速度垂直且恒定），不考慮重力，故帶電粒子做類平拋運(yùn)動(dòng)。

師：結(jié)合已知條件，求：①帶電粒子在射出電場(chǎng)瞬間，在豎直方向的偏轉(zhuǎn)距離是多大？②帶電粒子在離開電場(chǎng)時(shí)的速度偏轉(zhuǎn)角的正切值。

【TPACK分析】

TK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過程，便于學(xué)生更好的觀察和理解。

TCK：引導(dǎo)學(xué)生對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀察、思考和討論，有利于分析其規(guī)律，掌握其方法 。

TPK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件演示帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過程，使抽象的帶電粒子偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直觀化。

CK：帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的基本規(guī)律歸納總結(jié)。

PK：演示法，討論法的運(yùn)用。

3. 知識(shí)拓展

【思考討論】

①如果偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度增大，則帶電粒子的偏轉(zhuǎn)位移和偏轉(zhuǎn)角如何變化？

②如果偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，帶電粒子又會(huì)往哪兒偏轉(zhuǎn)？

【軟件展示】

使用GGB數(shù)學(xué)軟件來模擬不同條件下，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)過程，初始條件如圖4所示。

圖4 GGB演示圖

①除電場(chǎng)強(qiáng)度E外，其他條件固定，使E由小到大逐漸變化，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，帶電粒子的偏轉(zhuǎn)位移縮短和偏轉(zhuǎn)角變大。如圖5所示：

圖5 GGB演示圖

②其他條件不變，使電場(chǎng)的上極板、下極板分別帶有正電荷、負(fù)電荷，帶電粒子向下偏轉(zhuǎn)。如圖6所示：

圖6 GGB演示圖

【TPACK分析】

TK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬在不同情況下帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過程，便于學(xué)生直觀的觀察和理解。

TCK：使學(xué)生通過觀察帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合所學(xué)相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行判斷研究。

PK：演示法，討論法的運(yùn)用。

TPK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過程，使抽象的帶電粒子偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直觀化。

4.鞏固練習(xí)

【典型習(xí)題】

如圖7所示，在真空中橫向放置的兩塊電場(chǎng)強(qiáng)度為E，間距為d平行金屬板。質(zhì)量為m、電量為q的質(zhì)子，以初速度v0水平射入電場(chǎng)，觀察下面兩幅圖，回答有哪些原因會(huì)造成此結(jié)果？

圖7 GGB演示圖

【問題解答】

生：帶電粒子質(zhì)量m增加，會(huì)造成質(zhì)子偏轉(zhuǎn)位移增加和偏轉(zhuǎn)角減??；場(chǎng)強(qiáng)E減小、初速度v0增加也可以造成此情況。

【TPACK分析】

TK：使用GGB數(shù)學(xué)軟件模擬帶電粒子在電場(chǎng)中的兩種運(yùn)動(dòng)情況。

PK：演示法，討論法的運(yùn)用。

CK：鞏固和靈活運(yùn)用帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的相關(guān)規(guī)律。

PCK：通過課堂練習(xí)，提高學(xué)生的分析推理能力，幫助其鞏固和應(yīng)用帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的相關(guān)知識(shí)。

三、小結(jié)

近年來，學(xué)校的校園互聯(lián)網(wǎng)接入、信息技術(shù)整體環(huán)境等硬件條件都得到了極大的改善，這為教師創(chuàng)造了有利于促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科知識(shí)融合且持續(xù)發(fā)展的基本條件，同時(shí)學(xué)校還會(huì)定期組織教師集體培訓(xùn)、觀摩教學(xué)、交流研討，提升了教師的整體信息素養(yǎng)。

在教育信息化的背景下，TPACK作為一種新的整合技術(shù)的教學(xué)知識(shí)框架，通過對(duì)其核心內(nèi)容TK、CK和PK以及這三部分相互交叉作用的TCK、TPK、PCK、TPACK的理解和運(yùn)用，有助于教師在具體教學(xué)情境中有效利用信息技術(shù)，提高教學(xué)效率。諸如GeoGebra數(shù)學(xué)軟件、NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等優(yōu)秀信息技術(shù)資源都在物理課堂中得到了發(fā)揮，為物理教學(xué)提供了便利。同時(shí)一線教師通過不斷的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、進(jìn)行教學(xué)反思，為傳統(tǒng)物理課堂注入了技術(shù)活力。