基于TPACK理论开展初中物理创新实验

陶士金 刘信生

教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》指出：教育信息化要优化升级，从提升学生信息技术应用能力向提升信息技术素养转变，从应用融合向创新发展转变。当下的初中物理实验教学，特别是信息技术支持下初中物理实验存在创新动力不足，做法简单、粗放的问题。学校鼓励教师积极参加信息化技能培训、投身于信息化实验教学改革，但装备的互联网、智慧教室、云课堂及数字化实验器材没有真正发挥应有的作用。如何打通信息技术应用到物理创新实验教学“最后100米”？初中物理教师开展实验的创新实践和行动研究，需要理论指导和科学决策。“整合技术的学科教学知识”理论为提高教师数字化教学能力提供了很好的范式，笔者以“探究电磁感应现象”实验教学为例，总结出基于该理论的初中物理创新实验方法，探究在何处使用技术、使用何种技术、如何使用技术。

一、基于TPACK理论的物理创新实验模型

TPACK是“整合技术的学科教学知识（Technological Pedagogical Content Knowledge）”的英文缩写，是一种学科教学模型，包含3个核心要素，即学科内容模型（CK）、教学法模型（PK）和技术模型（TK），以及相互融合的4个复合要素。TPACK理论（框架）中虽无具体学科教学或实践活动的设计方案，但该理论对于如何整合信息技术使之融入教法和学科内容，提高课堂教学效率有很大的指导价值[1]。初中物理实验是物理学科的基础，也是初中物理教学基本内容、方法和手段，将TPACK理论正向迁移用于物理实验教学中，构建基于TPACK的初中物理创新实验框架（如图1），促进信息技术与物理学科教学深度融合，是符合时代发展趋势和教育要求的[2]。笔者对信息技术知识（TK）、初中物理实验教学法知识（PK）与初中物理实验内容知识（CK）进行整合，设计了基于信息技术的物理创新实验模型。具体而言，就是以信息技术为手段，以融合创新为切入点开展初中物理创新实验，通过实证研究，总结实验教学内容、实验教学方法和技术有效融合的方法，构建以学生为本的新课堂，达到激发学生学习兴趣、帮助学生理解和掌握实验内容为目的，提高教学效率。

二、实验教学中应用TPACK的关键、原则及策略

教育信息化2.0时代，TPACK是教师应当具备的教育教学与通识知识[3]。TPACK在物理学科教学中最能体现其价值的就是实验教学，它对物理创新实验教学有很强的指导作用。教师为创新实验教学插上前沿科技的翅膀，有利于解决传统实验中操作、测量和读数难度大，测量器材灵敏度不够、尺度与数据库数量受限等问题。TPACK的核心是技术，笔者尝试开展初中物理创新实验教学，对传统实验进行优化和改进，整个实验教学过程中技术无处不在，既有教学内容的技术处理，又有实验装置制作和演示的传统技艺，还渗透着信息技术和网络技术。TPACK理论的核心思想可以用三句话概括，即“在何处使用技术”“使用何种技术”“如何使用技术”[4]。

（一）准确定位，明确技术应用场景

物理实验是物理教学的重要载体，也是学生学习物理的基础。经典的实验是数百年来物理学家的智慧集成，很多具有里程碑意义。当前，物理创新实验百家争鸣，特别是基于信息技术的初中物理创新实验呈现井喷式发展。准确定位并设计实施新型实验弥补传统实验的不足是当务之急。

1.在传统实验无法操作或难以测量的地方使用技术

教师利用多媒体等技术的图、声、文并茂的特点，能够在极短的时间内创设有效情境，激发学生的求知欲。例如，为描述天体运动、地球卫星、超重与失重下物體运动，教师使用多媒体技术可以突破时空束缚，随时将物理过程展现在学生的面前。2021年12月9日，“天宫课堂”在神舟十三号飞船上开讲，太空中液体的浮力实验与水透镜成像实验取得巨大成功，这就是典型的实例。

2.在处理大量数据和需要描绘物理图像的实验中使用技术

数字化传感器、数据采集器和计算机软件系统的应用有利于培养学生搭建实验平台能力，以及数字化仪器组装与调试、数据采集与处理、误差分析与归纳问题能力，养成不畏艰辛与奉献科学的优良品质。例如，以下实验就适合应用信息技术：水沸腾实验与晶体熔化和凝固规律实验适合应用温度传感器进行探究；欧姆定律实验适合应用电流与电压传感器进行探究。

3.在过程很耗时、存在安全隐患或瞬间变化的实验中使用技术

有些物理现象的变化时间非常漫长，有的瞬间完成，教师应用合适的技术可以使物理过程变慢为快或者变快为慢，也可以定格实验过程，便于学生理解和掌握。例如：教师用动画模拟固体分子扩散、硫酸铜溶液扩散现象，使用手机摄像中慢放功能演示运动容器中前后水位的变化，用以解释惯性的存在。对于用汞柱测量大气压、家庭电路短路与人体触电这些具有很大安全隐患的实验，教师可通过仿真实验来模拟或者用蓄电池电源的创新实验来演示。

（二）审时度势，精选技术

当今信息技术蓬勃发展，传感器、数据采集器、数码仪器、网络、数据处理软件、手机应用软件、虚拟仿真实验平台等纷纷应用于物理教学。这些信息技术都是与当代初中生发育成长同步发展起来的，他们是信息时代的“原住民”而不是“外来者”。师生无法与技术绝缘，要精心选择并用好各种技术。例如：在物理智慧课堂上教师使用交互一体机投屏技术可以解决物理实验可视性难题；将传统实验装置与DISLab传感器系统与专业App教学系统相连可实现对实验数据的智能化采集；应用NOBOOK虚拟实验室等平台，可以低成本、高效率设计个性化实验。在实验内容上，教师恰当应用信息技术可以使抽象的实验原理直观形象地呈现，使模糊的物理模型清晰化，使原本难以观察的实验现象可视化，隐性的规律显性化，微小现象放大化，对于一些实验这些操作在每个环节都可以实施。在教学方法上，教师可以应用信息技术设置鲜活生动的教学情境，拓宽实验探究的思路，通过视觉、听觉刺激，激发学生学习兴趣。

（三）谋定后动，娴熟地使用技术

初中物理创新实验是一种知识综合性大、技术含量高、个性化强的综合实践活动。“使用技术”并非只是按照说明书使用技术的单一行动，而是在找准使用技术的实验环节、选择好恰当的技术手段的基础上，将选定的技术知识和初中物理实验教学法知识（自主探究法、演示法、任务驱动法等）及初中物理实验内容知识（实验方式、实验原理和步骤实验结论等）进行融合创新。在创新实验课堂教学中，教师需要熟练地使用合适的信息技术，融合科学合理的教学方法，呈现恰当的实验内容，提高实验教学效率和质量。例如，教师可以应用信息技术将实验由抽象转化为具象的呈现：对于物理量测量的精确度和数据采集方式，教师应用各种数字化传感器进行优化，用Phyphox手机软件实施定量测量。在教学方法上，教师应用信息技术可以变革知识呈现方式，使过去无法实施的实验通过虚拟仿真技术进行精确探究，借助技术手段捕捉稍纵即逝的实验现象。学科知识是教学内容与载体，是信息技术应用的对象。教师需要在实验课堂教学中借助信息技术突出重点、突破难点，完成教学内容，实现教学目标。

三、案例剖析

（一）基于整合技术教学法知识（TPK）的创新思路

基于整合技术教学法知识（TPK）是TPACK系统中的重要元素之一，是技术和教学法的融合创新。物理实验教学不是简单的仪器组合与拼装，也不是对实验原理的简单介绍。教师要用系统的理论指导技术应用。笔者以“电磁感应现象”实验为例，探究如何基于TPACK开展物理创新实验教学。

（二）基于实验教学知识（PCK）的内容分析

1.内容分析

电磁感应现象是电磁教学的重点内容，也是目前各类发电机发电的基本原理。在前面学习电能和电动机的基础上解决“电能从哪里来的”的问题，才能为后续的发电机以及高中阶段电磁学理论的学习作好铺垫。电磁感应现象是重点教学知识，是为培养学生的科学探究能力而设置的。通过对电磁感应现象的学习，学生将对电磁感应现象有初步的认识，体会到产生电磁感应的过程也是能量转化的过程。

2.学情分析

学生对磁场、磁感线、电磁场的概念有初步了解，但不能把握其本质。学生对电生磁兴趣浓厚，提出“磁能生电吗”的疑问（逆向思维）。教师从能量的转化角度，引导学生建立磁也能生电的可能性。初中生的抽象思维水平较低，教师需要应用一系列直观表象的技术，建立磁场、电流、导线切割磁感线等模型为他们演示。在教学中，教师自制教具，选用传感器采集系统、同步投屏等技术，设置电子白板课堂活动，建立真实的物理问题情境，设置一些问题或障碍，让学生产生“心求通而不得，口欲言而不能”的心理，如此在帮助学生建立物理概念的同时激发学生的探究欲望。教师让学生初步了解发电机的原理，体会到电磁感应现象在生活中一些触手可及的应用，降低了对物理学的畏惧感。学生探究导体中感应电流产生条件，在交流和合作中获得经验和体会，这对他们今后生活、学习有一定帮助。

（三）基于整合技术实验教学内容知识（TCK）的模型构建

1.设置创新实验，从能量转化角度引入概念

生活中“磁生电”现象非常普遍，但是学生对其原理和能量的转化关注度不够。为此，教师设置创新实验开展新课教学。

教师展示“两个磁铁同时落地吗”实验装置，带领学生共同参与创新实验活动（如图2）。

教师先在桌子上摆好两个铁架台和木板搭起的支架，取来两根相同粗细的亚克力管，其中一根管子上均匀缠绕500匝漆包线，再将漆包线抽头接入一个暂且保密的仪表，将它们分别竖直固定在木板上，两手分别拿着大小、规格相同的圆柱体强磁铁，同时从亚克力管上端自由放下。教师特意在管下方放置两烧杯染色水，便于学生观察并比较烧杯中水花溅起的先后顺序。学生发现空亚克力管内的磁铁先落下。磁铁下落过程中，与漆包线相连的仪表上的示数明显变大。教师问：“为什么绕有漆包线的亚克力管内磁铁下落较慢呢？”学生通过刚才漆包线相连仪表盘标识的计量单位来判断，导线上有电流流过。两块磁铁从同一高度静止下落，它们具有相同的势能，当磁铁经过空亚克力管时，势能全部转化为动能；而经过绕有漆包线的亚克力管时，导线中产生电流，是因为部分势能转化为电能，磁铁动能减小，速度变慢而后落下。这样，学生就了解了“磁生电”的原理和过程。

教师利用创新实验特有的趣味性、挑战性与实效性的优点，引发学生在认知冲突，使其集中注意力，提高学习兴趣，在能量的转化观念中找到解决问题的突破口，培养学生的能量观念。

2.整合技术支持，多途径建立物理模型

初中生的形象思维很活跃，教师如果只用讲授方式讲解抽象的物理概念，教学效果大多不理想，极可能引起学生的厌恶感。教师将适当的教学技术整合于物理创新实验探究过程中，经常会获得意想不到的效果。教师搭建数字化平台，制作“电磁感应现象”创新实验装置：用两对大号长方体硼铷磁铁、木板和彩纸等材料制作了大型的平面磁体四块，两两相对（如图3），形成相互平行的磁场。磁场看不见摸不着。如何简单地显示磁极之间磁场的空间分布呢？学生观察研讨后提出解决方案：采用水平放置的4支捆好的激光灯光束来显示磁场，为了凸显实验现象，用烟雾盒产生烟雾（用小电风扇定向送风）可以更加明显地显示磁极间磁场的分布，用以探究“磁生电”产生条件。

学生分组探究，使用数字化创新实验装置探究产生感应电流条件。为了更好地显示感应电流大小和方向，教师指导学生组装微电流传感器、数据采集器、带有软件的笔记本电脑，用微电流传感器的鳄鱼夹将一段直铜线接入闭合电路。学生手持铜导线在平行磁场中先缓慢上下移动，再快速上下移动，电脑屏幕随即显示感应电流图像。

教师继续提问：“这些图像说明了什么？”学生研讨后发现：电脑屏幕上沿时间轴方向出现上下锯齿样的电流图像，铜导线上下移动的速度越快，锯齿越深，感应电流越大，时间轴上方的电流是正方向，轴下方电流就是负方向，这是由于铜导线上下移动方向不同造成的，说明感应电流的方向与导体切割磁感应线方向有關。如果铜导线移动的方向不变，调换磁场方向，感应电流方向也随之改变，说明感应电流方向与磁场方向也有关，且导体运动速度越大，感应电流也越大。教师应用投屏技术将实验现象与结论展示在屏幕上（如图4）。

教师开展上述数字化实验最大的好处就是通过建立一些具体的模型，如平行磁场、磁感线的不同大小和方向不同的感应电流等，引导学生深入理解概念，培养高阶思维能力，同时通过数据采集和图像呈现实现可视化教学，遵循物理规律和认知规律，让学生在深度学习中“顿悟”。

3.提升技术能力，优化教学内容

教师开展创新实验活动，不仅为学生提供高阶思维的空间，而且优化实验环节，拓展、优化实验内容。教师借助专业软件处理图像，实现实验过程和细节的可视化。师生结合具体的实验操作，总结出感应电流产生的条件，如果要产生稳定的感应电流，就必须持续不断地将铜导线快速上下移动。“有没有改进的方法呢？用绕轴转动的线圈代替铜导线试试看吧！”

教师先将特制的长方形1匝漆包线圈（实质是两根独立且断开的同型号漆包线绕制，结构如图5所示，其中红色部分是接入电路的漆包线，黑色部分是为了方便配重而绕制上去的）固定在木质支架上，再将线圈穿过木质支架两孔的a、c两端用鱷鱼夹接入有微电流传感器的闭合电路，用手摇转长方形线圈，电脑屏幕上出现密集的感应电流图像，此时线圈电路输出持续不断的感应电流，这就是简易发电机装置（如图6）。

教师抛出问题：“如何增大电流？”学生依据电磁铁原理猜想，可以尝试增大磁场强度，也可以增加线圈匝数。学生尝试增加线圈匝数，将教师提供的一组10匝铜导线的线圈放到磁场中转动（教师接好电路，摇动线圈），发现感应电流明显增大。

教师如何利用信息技术设置实验情境，从“教教材”转向“用教材教”？教师要灵活运用现有的物理知识和技能进行正向迁移，实现有意义的创新尝试，为学生学习新知作好铺垫。

TPACK是教师提高数字化教学能力的科学理论，教师开展初中物理实验的创新实践和行动研究需要相关理论指导。值得注意的是，教师在教学过程中不可盲目地追求高新技术，应找准技术切入点，将整合技术的数字化教学技能和理念运用到物理创新实验行动研究中，总结创新实验方法和路径，助力物理实验教学质量提升。

注：本文系安徽省教育信息技术研究2021年度立项课题“TPACK理论框架下初中物理创新实验教学的行动研究”（课题编号：AH2021026）的研究成果。

参考文献

[1] 尹奇兵.基于TPACK的高中物理实验教学设计与实践[D].武汉：华中师范大学，2019（5）：17-19.

[2] 保永亮，谢梦逸，张辉，等.TPACK理论在物理教学中的应用——以“单摆”教学为例[J].物理通报，2021（6）：2-4.

[3] 张睿，李静，季卫新.基于TPACK整合技术的初中物理研究性备课——以苏科版教材“速度”为例[J].中学物理，2020（20）：2-5.

[4] 何克抗.TPACK——美国“信息技术与课程整合”途径与方法研究的新发展（下）[J].电化教育研究，2012（6）：47-56.

（作者陶士金系安徽省合肥市教育科学研究院教研员，正高级教师；刘信生系安徽省合肥市庐江县龙桥镇初级中学高级教师）

责任编辑：祝元志