TPACK理论下物理单元创新实践性作业的实施策略——以“电动机和发电机”章节复习为例

安徽省庐江县龙桥镇初级中学(231551) 刘信生

安徽省合肥市教育科学研究院(230071) 陶士金

1 TPACK理论对物理创新实验的指导意义

2021年7月24日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》(以下简称“双减”政策)。“双减”政策强调要“调控不同年级、不同学科作业数量和作业时间、严控书面作业总量”，指导学生“参与实践活动”和“强化实践性作业”。由于低效率、重复式、机械式、只能培养模仿能力的纸笔式作业的弊端正在凸显，所以大力提倡以培养学生探究实验能力为主题的创新实践性作业。TPACK理论中的技术、学科内容和教学法三大核心要素以及整合的四个复合要素如图1所示。这里的“技术”在物理创新实验中既包括实验设计中运用学科综合知识进行实验装置制作的创新创造能力，也包括整合教育信息化技术的能力。学科内容在物理创新实验中包括实验设计、实验操作、现象观察、证据收集和实验结论等。教学法知识除了常见的模式如：演示法、探究法等以外，还包括实验模型建构法、比较法、放大法、控制变量法、转换法等实验教学处理方法。笔者针对“电动机和发电机”章节复习课，摒弃传统的教学模式，尝试安排学生实施创新实践性作业，切实巩固“电动机和发电机”章节核心概念，提升学生物理核心素养。

图1 TPACK理论框架结构图

2 TPACK理论指导下展开创新实践性作业项目设计

初中物理实践性作业，是指学生在学习初中物理的过程中，基于问题和任务驱动的有指导、有一定挑战性的自主学习活动[1]。TPACK理论知识的专业性、综合性很强，对物理创新实验的指导作用必须要融合到具体的创新实验项目中。“电动机和发电机”章节主要阐述通电线圈在磁场中转动的电动机工作原理和根据电磁感应现象产生感应电流的发电机工作原理。该章节机械结构性知识和物理规律性思维占比大，是电与磁知识在生活和生产中的应用，也是高中物理电磁场和交流电知识的基础，初高中知识的衔接性强。在新课教学中，如果只是站在知识的传授角度去完成教学任务，无法真正落实教学目标与要求。如果再把复习课上成新授课的“压缩版”，止于知识的重现，那就大可不必了，而应该是新授课的“升级版”[2]。教师可以设计创新实验或者引导学生自主创新实验，再紧扣核心概念进行实践性作业操作，运用设计思维方式展开“小组合作+主题探究式”实践活动，将设计思维转化为物化的作品，达成复习多维目标，在一系列创新实验活动中体现TPACK理论对创新实践性作业的理论指导性价值，具体内容见表1。

表1 创新实践性作业中体现TPACK理论的指导性价值

3 基于TPACK理论下的单元创新实践性作业的实施

TPACK是教师必须具备的全新知识，它的贯彻实施离不开教师，必须强调教师是整个过程的设计者、引导者、实施者和监控者，是“有意义传递-主导下探究”的教学观念[3]。基于TPACK理论下的物理创新实验，乃至学生在课堂上的创新实践性活动都离不开教师的“主导作用”。

3.1 由真实事件引入探究主题，在探索中设计实践作业

对于以形象思维为主要特征的初中生而言，在“玩”实验中才会有收获，才会有问题发问，才会有探究的冲动，学习才得以真正发生。基于学生已经学习过电动机和发电机知识，笔者让学生从有趣的物理现象入手，实施主题作业。

主题作业1：小马达点亮LED和小灯泡。

给学生发1个小马达(微型发电机)，双LED二极管组合(大、小各1组)，LED二极管(白光)若干，3.8 V/0.5 A小灯泡，电池组，导线、回形针和图钉若干。请同学们任意地进行器材组合，分组展开实验，想办法让LED灯或小灯泡亮起来。

学生开始想方设法地去尝试。A组学生首先想到的是将小马达用导线直接接入双LED二极管组合，如图2(a)所示，顺时针转动小马达的摇把，发现红灯不亮、绿灯亮，加速转动摇把，绿灯变得更亮；逆时针转动摇把，发现绿灯不亮红灯亮。B组学生运用LED二极管(白光)和回形针，小组内展开项目式实验探究：先将两根回形针捋直，用图钉将其平行地固定在木块上，然后将两枚LED二极管(白光)的两脚扳开成一字型，依次将两脚分别轻放在平行的回形针上，如图2(b)所示，再将小马达接入到回形针电路中，重复图2(a)中的实验步骤，然后将其中一枚LED二极管的两脚与回形针接触的位置互换，发现两枚LED二极管的发光有3种情况：①两枚同时发光；②有一枚发光一枚不发光；③两枚都不发光。C组学生发现用3.8 V小灯泡也可以进行实验，于是将小灯泡和双LED二极管组合并联在电路中，再接入小马达，用力顺时针转动小马达的摇把，然后再逆时针转动摇把，发现小灯泡始终都亮，但是双LED二极管组合中红绿灯却是交替发光的，如图2(c)所示。让学生感觉这是学习二极管具有单向导电性的知识后所有实践作业中最过瘾的一次。

图2 学生用小马达点亮LED灯实验

学生经历了几场“折腾式”的实践操作，一系列问题就会接踵而至：改变小马达摇把的转向，小马达为何能始终点亮小灯泡；而LED发光二极管的发光情况却与小马达摇把的转向有关呢？小马达产生的电流方向与摇把的转向有关吗？学生的问题串就此展开了。

设计意图：教师将学科实验内容知识(CK)、教学法知识(PK)、实验组装技术(TK)和整合技术学科内容(TCK)融合到创新实验中。由学生“玩”实验开始，让学生关注直流发电机模型结构，在“玩”中发现直流发电机的电流大小与线圈的转速有关；依据发光二极管的单向导电特性，定性地得出感应电流的方向与线圈的转向有关的结论，让学生感受生活中的电磁感应现象，为学生追寻发电机的模型建构设下伏笔。

主题作业2：电风扇实质是电动机，那么外力旋转电风扇的扇叶为什么会点亮发光二极管？电风扇可以做发电机吗？

学生在桌子边固定好小台扇，一手拿起电源插头，分别将两枚发光二极管的两只脚颠倒地卡在电风扇插头的两端，另一只手转动电风扇的扇叶，此时发现两枚二极管在交替发光。说明了电动机确实可以作为发电机使用。有些学生不相信，将作业1中的小马达拆下来，接入电池组中，也发现小马达飞速地转动起来，得出发电机和电动机的结构是相似的结论，学生有了新的收获。

设计意图：开展基于TPACK理论框架指导下的创新实践活动。通过电风扇也可以发电的真实事件的探究，学生发现：电风扇通电时可以作为电动机工作，转动扇叶时，可以产生使发光二极管交替发光的感应电流，说明电动机确实可以作为发电机来使用。

主题作业3：将电流传感器分别接入小马达与电风扇的电路中，测量发出来的电的电流大小，通过数字化软件装备显示出电流变化图像，比较一下它们的感应电流有何区别。

学生在教师的指点下，先将电流传感器与数据采集器接入装有数字化软件的电脑上，再将小马达串联接入电路中，打开电脑桌面的软件包，创建电流传感器界面，点击“采集参数”设定自动采集数据的时间，转动小马达摇把的同时用鼠标点击“开始”，每隔5 s改变一次摇把的转向。记录数据如图3(a)所示。用电风扇替换下小马达，将风扇扇叶朝一个方向转下去，重复以上实验，记录数据，形成如图3(b)所示图像。

图3 分别用手摇小马达与电风扇扇叶产生的感应电流

通过主题作业3的探究过程，使主题作业1的感应电流的大小和方向实现“可视化”，通过实验数据的采集和图像显示，进一步强化了学生对核心概念的深度理解，对直流电和交流电有了更加深刻的认识：电流方向不变的叫直流电；电流大小和方向都随时间周期性改变的叫交流电。学生通过阅读课本相关内容，认真绘画出直流发电机给双LED二极管组合供电的电路图，如图4(a)所示；同时根据交流发电机的结构原理图，如图4(b)所示，很快就绘画出用力转动电风扇扇叶产生的交流电给两个并联LED发光二极管交替供电的电路图，如图4(c)所示。学生进一步提出质疑：交流发电机和直流发电机结构上有什么区别吗？教师从发电机装置中换向器与滑环对感应电流的传输功能的不同的角度加以分析，揭示其中的奥妙。

图4 直流发电机和交流发电机点亮发光二极管的电路图

设计意图：将信息技术整合到物理创新实验中，创造性地将TPACK理论应用于实践活动中。与过去设计电动机与发电机结构名称的传统填空题作业相比较，实践创新作业能够实现在学生动手操作的过程中，让学生主动地发现问题、能动地解决问题。

3.2 在指导学生自制模型中分析论证，升华实践作业能力

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。学生们亲身经历过以上的真实操作，感觉到学习有了一些收获，实践的劲头更足了。有学生提出建议，大家为何不利用身边的器材和实验室的工具，自己动手制作发电机和电动机模型，进一步理解电机的结构和功能呢？学生们说干就干，先来制作交流发电机模型。首先找来一卷漆包线，绕制成矩形框，套在事先准备好的木质铅笔中间部位上，用美工刀将铅笔圆柱直径相对的地方开两条凹槽，将漆包线的两个抽头的绝缘漆刮去，再分别嵌入铅笔凹槽内。金属滑环和电刷如何制作呢？学生从实验桌上的白炽小灯泡的圆柱形金属底座得到启发：用砂轮机磨去灯泡的底部锡块和周围的黑玻璃(绝缘体)，再打碎玻璃灯泡，抽掉灯丝，一个金属滑环制成了，重复上述步骤做好另一个滑环，将滑环前后套在铅笔上，如图5(a)与图5(b)所示，且每一滑环下面连接好漆包线的抽头，这样线圈和转轴制好了。再找来一块方木板和两个等大且打好孔的木块作为电机支架，将带有线圈的转轴插入孔中，在线圈的两侧相对的位置固定两块异名磁极，再用螺丝刀把剪好的两块条形铜皮分别用螺钉紧挨着两滑环侧边固定在木板上，再找来两头开孔的长条形硬塑料片，一端套牢在铅笔末端，一端固定带螺栓的转轴做成摇把，最后在固定电刷的螺母上用导线串联接入一块灵敏电流计，如图5(c)所示。虽然装置没有厂家生产的那样美观大方，但是整个制作过程体现了学生的辛勤劳动。

图5 学生自制交流发电机模型1

这时候，学生的创造激情再一次被激活了，有学生找来了中华铅笔，将末端用来固定圆柱形橡皮的铝质圆环作为发电机的滑环，还有学生用烧红的铁丝将圆珠笔塑料外壳烫上2个小孔，再将漆包线的两个抽头穿过孔隙，与两个滑环紧密连接，用马蹄形磁铁提供磁场，制成交流发电机模型，如图6所示。

图6 学生自制交流发电机模型2

这时候，有个别学生提出问题：怎样将交流发电机改装成直流发电机呢？一石激起千层浪，学生在交流讨论中发现直流电动机中是没有滑环装置的，只有两块彼此绝缘(也有两块是分开)的金属半圆组成的换向器。因此学生将交流发电机的两个滑环取下来，只用其中的一个滑环，用剪刀沿直径方向将滑环对称地剪开成两个半圆环，在铅笔相同位置的相对两侧连接好漆包线的两个抽头，再用强力胶将换向器固定在笔杆做成的转轴上，此时，学生发现电刷的位置必须作相应的改动，于是用螺丝刀将两块铜皮做成的电刷分别紧挨着各自的换向器固定在木板上，此时交流发电机模型就改装成直流发电机模型，如图7所示。

图7 将交流发电机模型1改造成直流发电机模型

3.3 学生展示作品，交流反馈与评价

学生作业作为课程的有机组成，其本质属性是一种学习活动，必然指向课程目标，反映课程的理念和追求的价值[1]。因此，对学生的学习成果进行展示和评价就是对课程内容价值的肯定。

首先让学生组内交流评价，然后选派代表将其作品带上讲台，向同学们边展示作品边讲解设计理念和制作的过程(可以拍下视频保存)，再将视频发至家长微信群、学校创新平台进行展示。教师可以将学生的实践性作业视频收集起来，先每例作品写一段评语，最后对整个实践活动做一个整体性评价，可以上传至“物理创新”公众号，让更大范围的同行们进行交流评价。如果将作品进行优化升级，可以在学校的科技节活动展示，也可以作为每年的青少年科技创新大赛作品参加比赛，甚至可以申报国家发明专利。

4 结语

TPACK理论不仅仅是一种整合了技术的全新学科教学知识，还日渐发展成为一种能将信息技术有效整合于各学科教学过程的全新可操作性模式[4]。运用TPACK理论指导初中物理创新实验活动，是一种全新的尝试，是将整合技术的学科教学知识与初中物理实验课堂教学深度融合，而实践性作业采用的是“理论+实践”方式，在实验过程中不仅仅要解决理论知识问题，更要解决许多的工程、数学和艺术问题，不仅要求学生有扎实的物理知识，更要有科学、工程、数学、艺术等学科综合知识和能力。