基于TPACK整合观的高中物理教学设计研究

范兵 彭婷 张帅 刘荷娜

当今，信息技术正在引领和影响着未来教育的发展。2023年5月，教育部印发了《基础教育课程教学改革深化行动方案》，将“数字赋能行动”列为课程教学改革重点任务，提出要深入推进教育数字化，促进信息技术与教育教学深度融合[1]。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）指出：要积极探索信息技术与物理教学的深度融合；要利用现代信息技术，来引导学生理解物理学的本质，形成科学思维习惯，同时增强学生的科学探究能力和解决实际问题的能力[2]。为落实课标及有关政策文件的指导精神，有必要探索数字化背景下优化教学设计与实践的路径。整合技术的学科教学知识（Technological Pedagogical and Content Knowledge，TPACK）作为教师在具体教学情境中整合学科内容知识、教学法知识和技术知识，实现高质量课堂教学的有效理论，愈来愈受到广大教师的青睐。以TPACK整合观为理论视角，笔者从整合技术的物理课程知识、整合技术的物理统领性概念、整合技术的学生物理理解知识以及整合技术的物理教学策略与教学表征知识这四种核心要素出发，以“波的干涉”为例，研究设计了信息技术支撑下高中物理课堂教学方案，并给出实施建议。

一、TPACK理论与物理教学相容相生

2005年，美国密歇根州立大学的马修·凯勒（Matthew J. Koehler）和普雅·米什拉（Punya Mishra）两位学者提出了教师有效整合技术与课堂教学必须具备的一种知识结构框架——整合技术的学科教学知识。TPACK是教师利用技术进行有效教学必备的知识，是有效整合PK、CK和TK三种知识后而形成的一种新的知识形态。它不是三种知识的简单叠加，而是教师在真实教学情境下由三种知识互相融合互动产生的新知识（如图1）[3]。

对于TPACK的研究一般有两个流派：一是将TPACK视为一种由多种元素复合构成的知识框架，强调其七类组成元素（即图1中的七类元素），已有研究者设计出此视角下的物理教学设计[4-5]；二是以美国俄勒冈州立大学的尼斯（Niess）为代表的学者并不关注TPACK的组成结构，而认为TPACK是在PCK基础上的拓展，并根据学科教学知识（PCK）的构成元素指出TPACK由如下四个核心要素构成：整合技术的学科课程知识；整合技术的学科统领性概念；整合技术的学生学科理解知识；整合技术的学科教学策略与教学表征知识[6-7]。笔者在教学中发现以第一种视角设计教学方案，不容易区分七类构成元素，会导致课堂教学的割裂。第二种视角是基于TPACK整合观设计教学，是一种新的更有价值的视角。如何在这一视角下做好物理教学设计，亟须探索、研究与实践。针对物理学科，笔者对TPACK整合观的维度及其对应的教学设计内容进行了梳理分析（见表1）。

二、TPACK视域下的教学设计与实践

（一）教材分析与学生分析

“波的干涉”是高中物理选择性必修一中机械振动与机械波这一主题下的内容。课标对这一内容的具体要求为：通过实验（用波动演示器显示波的叠加；观察音叉双臂振动激发的水波干涉现象），了解波的干涉现象。“波的干涉”实验以定性分析为主，鼓励教师从日常生活和实验的角度引出“波的叠加原理”和“波的干涉”，但是由于生活中学生对相关现象缺乏观察，在教学中又存在实验设备缺乏或实验现象不明显等局限，因此学生对波的叠加、干涉现象形成的动态过程难以理解和掌握。基于此，在授课过程中，教师从生活现象出发，借助GeoGebra软件来模拟波的叠加和干涉现象。这样既能让学生观察实验现象，又可以借助动态演示加深学生对物理模型的理解，有助于学生掌握并运用物理知识。

设计意图：教材分析与学生分析是教学设计中一个重要的环节。教材分析涉及教师对授课内容范围与深度的把握、课程资源与技术呈现的选择，以及教学活动顺序的规划（课程知识、统领性概念）。学生分析需要教师对授课对象的知识基础、认知与情感状态有详细了解。做好这两项工作是从学生的实际出发开展教学的有力保障（学生知识）。

（二）教学流程

根据日常经验可知：下雨天下落的雨滴会在平静的水面上产生层层涟漪，那些雨滴像一个个振动的波源。当两个波源同时振动时，会在水面上形成奇特的干涉条纹。这是由波的叠加产生的，那么波的叠加有什么规律呢？师生利用GeoGebra软件来进行模拟探究。

1.波的独立传播特性

教师首先邀请两名学生在讲台上拿起一根水平长绳的两端，同时向上抖动一下长绳。绳的两端产生相向传播的两列波。此时，教师让学生观察并描述现象。学生发现：有“波”（将绳的凸起视为波）从绳子的两端传播出去相向而行，在绳的中点处凸起程度变大，之后两列波的凸起沿着之前的运动方向继续前进。

教师肯定学生的观察和发现，并将实验过程分解为：相遇前—开始相遇—相遇中—开始分离—分离后，用PPT呈现示意图（如图2）。教师引导学生发现：相遇前后两列波都保持各自的运动状态，彼此不受影响。学生总结出波的独立传播特性：几列波在同一介质中传播，在介质中某一点相遇时，每列波都能够保持各自的状态继续沿着原来的方向向前传播，彼此互不影响。

设计意图：TPACK中的课程知识指出教师在教学中要注重体现物理与生活的联系，故在课堂引入环节展示下雨天的场景，引发学生思考。同时，组织演示活动，用PPT展示（策略知识）模拟波的传播，进一步激发学生的学习兴趣，加深学生对于波的传播过程的理解。

2.波的叠加原理

波是振动随着时间的变化在空间中的传播，波函数为y=A cos （ωt+kx），其中含有时间变量t和空间变量x。教师利用GeoGebra软件自带的坐标系，在其原点处设置波源。波在传播过程中，质点的位移会发生变化并且会出现波形，这就是波的形成过程[8]。若现在有两列波分别为：

y1=A cos （ω1t+k1x）                                      （1）

y2=A cos （ω2t+k2x）                                      （2）

则两波的叠加为y=y1+y2，在横轴上作一垂线与三列波相交。学生观察B、C、D三点的纵坐标（如图3），探究叠加原理：几列波相遇时能够保持各自的运动特征继续传播，在它们重叠的区域里，质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。

在学生知道波的叠加原理后，教师进一步呈现波的叠加示意图（如图4），问学生：“这两组叠加有什么区别？”在学生踊跃回答之后，教师解释减弱叠加的原理：在某一时刻，两列波的波峰和波谷相遇，在这一点由两列波引起的振动始终是减弱的。接着教师鼓励学生类比推理，提出自己的观点来解释加强叠加的原理。在教师鼓励下，各组提出不同的解释依据。教师收集不同的解释并在班上讨论，引导学生总结波的加强叠加与减弱叠加的异同，以加深学生对于物理原理的理解。

设计意图：从波的叠加原理出发，教师利用GeoGebra软件动态演示波的叠加过程（策略知识），进一步演示减弱叠加和加强叠加的示意图，同时分组讨论来引导学生思考，鼓励学生类比推理和归纳推理以明晰两者的异同（学生知识）。

3.波的干涉

教师利用GeoGebra软件改变两列波的频率、振幅或相位等参数进行动态演示，探索发现并不是所有两列波的叠加都可以产生干涉现象。只有当两列波频率相同、相位差恒定且振动方向相同时，才会产生稳定的干涉条纹（如图5和图6）。

学生观察图片发现，这些图样在有些地方较亮（或起伏很大），有些地方较暗（或起伏微弱）。这是因为当两列波在空间相遇时，它们的波峰与波峰或波谷与波谷相交时形成的区域（振动加强区）合振幅最大。振动加强区是由所有振动最剧烈的点连接形成的。波谷与波峰相交时形成的区域叫振动减弱区，合振幅最小。振动减弱区是由所有振动最微弱的点连接形成的。此时，教师进一步引导学生说出“波的干涉”的定义，即频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时，某些区域的振动总是加强，某些区域的振动总是减弱，这种现象叫作“波的干涉”。

学生观察图7得知：从波源发出的两列波可看作两组同心圆，蓝线圆表示波峰，黑线圆表示波谷。蓝线圆与黑线圆间的距离等于半个波长。此时，教师进一步引导学生探究：处于干涉振动加强区和减弱区的质点其位置有何特点，它们到两波源的波程差与波长有什么关系？教师引导学生将观察结果记录到自制的表格中（见表2）。

由于学生归纳的结果不一定正确，或者找不出物理量之间的数学关系，教师需要再次利用GeoGebra软件定量地探索干涉加强和干涉减弱时波程差与波长的关系，完善表2来归纳整理得出结论。若两相干波源的初相相同时，两波源到某点的波程差满足式（3）时合振幅最大，满足式（4）时合振幅最小。

干涉加强：

Δx=r1-r2=±kλ， k=0，1，2，…                 （3）

干涉减弱：

Δx=r1-r2=±（2k+1）    ， k=0，1，2，…   （4）

设计意图：“波的干涉”及其形成条件是教学重难点，亦是学生难以理解的知识。教师借助GeoGebra软件动态演示和定量探究功能（策略知识、学生知识），带领学生破除学习障碍，引导学生归纳得出结论，实现对知识的内化。

（三）作业设计

作业是巩固学生知识、提升学生物理核心素养的重要载体。如何在完成作业的过程中激发学生的兴趣与探究意识值得教师思考。为此，教师利用网页端的Phyphox软件编辑模块制作了一个波的叠加的仿真程序——学生可以在手机上安装Phyphox软件，扫描二维码添加实验程序，探索不同情况下波的叠加情况。作业方面，教师要求学生在课堂上完成教材上的习题，课后完成探究波的叠加的模拟实验，并将探究成果截图上传到班级QQ群。

教师检查学生上传的截图，发现有学生上传了探究两个同方向同频率波的叠加示意图（如图8），可以看出第一列中x1波和x2波的叠加结果是加强的，第二列中x1波和x2波的叠加结果是减弱的。此外发现还有学生探究了两个同方向（或相互垂直）不同频率（或同频率）波叠加时的合成图样，最后在QQ群内分享自己的发现。

设计意图：好的作业设计不仅仅是为了巩固学生的知识基础，更重要的是保证课堂教学的延续，提高课后活动的实际参与度。基于此，教师借助Phyphox软件设计小实验来表征课程知识（策略知识），激发学生的探究意识与探究乐趣。

（四）实践反思

实践中，也有教师用实验室的设备——波的传播与叠加演示仪开展实验教学。学生可以很清楚地看到波的传播和叠加过程，但没能得到波叠加的定量解释。这个演示实验虽然直观，但是实验在很短的时间内完成，造成学生观察不足，难以深入理解，实验教学效果浮于表面。在TPACK视域下，教师利用GeoGebra软件将实验过程动态分阶段地进行呈现，学生更容易观察波的叠加过程，从而了解其原理。同时，利用该软件可以进一步定量地探究波的干涉的形成条件。这有利于提升物理教学的精确性与严谨性。在课后的探究实验中，学生积极分享自己的探究发现，这说明该作业激发了学生的好奇心和求知欲，同时也调动了学生的学习积极性。

教师基于TPACK理念开展教学，可以促进自身专业能力发展。教师专业能力发展遵循的一般路径如图9所示，其基本假设是：教师通过学习，促进知识的增长和信念的改变，进而改变课堂教学行为，以提高学生的学习能力[9]。授课教师学习了TPACK理论，在课前制作课程资源的过程中，信息技术能力得以提升，增长了知识和智慧。对于此课的教学，学生给予了积极评价，这种正向反馈提升了教师整合技术讲解物理统领性概念的能力，使得教师进一步认识到信息技术与物理教学融合十分必要。总的来说，教师在TPACK理论指导下利用信息技术开展物理教学，既能够提升自身的知识储备和实践能力，提高对信息技术赋能教学的认识，又能增强学生的学习兴趣，提升学生的学习效果。

三、对TPACK物理教学的展望与建议

信息技术的快速发展给物理教学带来了很多可能性。教师基于TPACK理论，以“波的干涉”为例，利用信息技术来整合物理教学，在变革教师的教学方式和学生的学习方式、提升课堂教学效果方面起到了积极作用。教师应将传统教学和信息技术有机结合起来，增强学生的学习动力，实现教学效果最大化。教师需要着眼于学生物理核心素养的发展，落实立德树人根本任务，持续推动信息技术与物理教学的有机融合，为促进教育发展与变革提供源源不竭的动力。关于信息技术与物理教学的整合，提出以下几点建议。

（一）推广TPACK理论，助力数字赋能行动

在基础教育课程改革创新潮流下，教师教学与学生学习模式正在发生变革。应用信息技术已成为教师的必备技能。TPACK理论要求教师具有使用技术有效教学的知识水平，包含信息技术环境下教师对课程内容的理解、开展教学的整体观念、对学生“如何学”的认识和对自己“如何教”的计划。信息技术与教育教学深度融合，对教师的专业素养提出了更高的要求。为进一步推进数字技术赋能基础教育，社会应大力推介TPACK理论。这不仅有助于提高教师数字化教学的能力，而且可助力学校构建信息技术背景下的新型教与学的模式。

（二）合理利用信息技术，丰富教学活动

TPACK理论不仅仅是要求教师使用信息技术，更是要求教师在充分研读课标、了解课程内容和学生基础上，借助信息技术设置丰富的教学活动。教师开展数字化教学绝对不能为了“炫技”而盲目使用各式各样的技术，一定要在认识学生认知基础和思维特点后，针对授课内容的重点，借助信息技术突破其中的难点。如“波的干涉”这一节课，教师发现学生对波的叠加、干涉现象形成的动态过程理解有困难，于是采用GeoGebra软件模拟这一动态过程，帮助学生破除认知障碍。

（三）树立正确观念，有效指导教学

整合技术的物理统领性概念是TPACK整合观的构成要素之一，指的是技术环境下教师开展教学的思想观念。这一要素会影响教师对知识的呈现和运用。随着时代发展，课程教学也在不断变革，信息技术与课堂教学的融合逐渐被重视。教师在提升专业素养的同时，也需树立正确的教育观念。教师只有对数字化转型背景下的物理课堂、学生情况和教材内容等有正确的认识，才能实现信息技术与物理教学有效融合。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于印发《基础教育课程教学改革深化行动方案》的通知[EB/OL].（2022-05-26）[2023-09-17].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj_kcjcgh/202306/t20230601_1062380.html.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3] Mishra P， Koehler M J. Technological Pedagogical Content Knowledge： A Framework for Teacher Knowledge[J].Teachers College Record，2006（6）：1017-1054.

[4] 范兵，蔡亚璇，徐钱欣，等.TPACK视域下的高中物理新授课教学设计：以“磁感应强度磁通量”为例[J].湖南中学物理，2021（10）：36-39.

[5] 谢宇航，范兵，蔡亚璇.基于TPACK理论的高中物理新授课教学设计：以“牛顿第一定律”为例[J].物理通报，2022（11）： 105-109.

[6] NIESS M L. Preparing teachers to teach science and mathematics with technology： Developing a technology pedagogical content knowledge[J]. Teaching and Teacher Education，2005（5）：509-523.

[7] 段元美，闫志明，张克俊.初中数学教师TPACK构成研究[J].电化教育研究，2015（4）：114-120.

[8] 殷正徐，吴伟.Geogebra软件在高中物理课堂教学中的应用案例分析：以简谐振动和机械波为例[J].物理教师，2017（10）： 70-73.

[9] 宋乃庆，张莎莎，陈婷，等.基于“问题提出”的小学数学教师主题式专业发展：理论建构与实践探索[J].数学教育学报，2021（1）：12-18.

（作者范兵系华南师范大学物理学院博士研究生；彭婷系重庆市武隆中学物理教师；张帅系陕西师范大学物理学与信息技术学院硕士研究生；刘荷娜系湖北大学物理学院硕士研究生）

责任编辑：祝元志