TPACK 理论视野下初中物理创新实验的实施

文| 吴应林

TPACK 理论视野下初中物理创新实验的实施，其主要内容是在传统教学模式的基础上，对学生进行以兴趣为前提的实验教学。教师需要借助学生对物理学习的兴趣，培养学生的创新能力。本文将具体阐述TPACK 理论视野下初中物理创新实验的实施。

TPACK 即整合技术的学科教学知识，该术语对应的英文单词组合的首字母缩写，是它的英文缩写，是指一种新兴的学科教学模型，具体而言包括3 个重要的核心内容，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，是基于学生已有的知识、经验和方法等知识背景，为学习新的知识而设计的各种解决问题方法和策略的集合。[1]笔者相信，基于TPACK 理论视野开展初中物理创新实验教学，可以取得良好的效果。

一、TPACK 理论的特点

TPACK 理论将学习的过程和结果用多种形式呈现出来，使学生能够在学习中不断发现问题并进行探究，提高学生的创新能力。在传统的教学模式中，教师只是一个传授者，学生仅仅是被动地接收知识，而在TPACK 理论视野下，教师不是一个传授者，而是一个参与者。TPACK 教学法要求学生积极参与，主动探索、发现问题并提出解决问题的方案。在TPACK教学中教师将学习知识和学习过程变成一个开放的系统，通过网络来传递信息。这使得学习过程更加灵活、开放、富有创造性，有利于提升教师与学生之间的交流效率。[2]TPACK 教学法使学生对问题有更多的认识和理解，通过学习活动提高了学生之间互相协作能力，培养了学生自主学习与合作学习的意识，通过研究可以不断发现新知识并解决新问题。同时，TPACK 教学法也有助于培养学生的探究能力、创新能力。总之，TPACK 理论强调师生之间、生生之间在知识、技能和方法方面存在着差异，教师要在课堂上将这些差异展现出来，使每一个学生都能体验到自我发展的价值。因此，教师要注意自己对知识与技能掌握水平等方面的提升。

二、初中物理实验教学中应用TPACK 理论的原则

TPACK 理论应用于初中物理实验，应遵循以下原则。

（一）精准定位，明确技术应用场景

做好初中物理实验，是引导学生深度学习物理、探究物理知识的基础性操作。为了更好地引导学生做好物理实验，教师需要对拟操作的实验进行精确定位，明确技术应用场景。具体可以从如下几个方面来处理。

1.在教学实验无法进行操作或难以测量的地方应用技术

一些物理实验受各方面条件限制，很难真正实现，或难以完成测量工作，这就需要用到技术支持。以多媒体为核心的现代信息技术可较好地将图片、文字和声音融为一体，以视听媒体形式向学生描述一些复杂的物理运行情景，因此可以加以利用。比如，教师可以用多媒体展示天体运动规律，呈现地球和卫星关系，揭示超重和失重现象等；也可以转播相关实验视频，如“天宫授课”的实验视频，这样可以让学生很好地了解相关实验的过程，理解相关物理现象。

2.在处理批量数据和需要绘制物理图像的实验中应用技术

物理图像绘制需要基于大量基础性的数据，这种情况下需要用到相关的设备和技术。数字传感器、数据采集设备、计算机软件都将在大批量数据采集中发挥不可或缺的作用。开展利用这些技术的实验，有利于学生更好地理解物理科学的应用价值。如水沸腾实验、结晶融化与凝固定律实验中利用温度传感器采集温度数据、欧姆定律实验中利用电流和电压传感器采集数据等，都能让学生从技术应用中感受到物理科学的应用价值，培养其对物理学的兴趣。

3.在实验过程中耗时多、存在安全隐患或瞬间变化中应用技术

一些物理实验需要较长的时间，或者安全风险不易控制，不宜在课堂教学中组织实施，就有必要通过技术手段来呈现。[3]比如，教师可以采用动画来模拟固体分子的扩散现象，如硫酸铜的扩散。又如，用汞柱测量大气压力、家庭电路短路、人体触电等实验具有较大的安全风险，在学生较多的情况下安全管理可控性欠佳，为避免出现实验安全意外，教师可以采用模拟实验技术或虚拟实验技术让学生明白相关现象和原理。

（二）审时度势，精心选择技术方案

随着现代科技的飞速发展，各种现代科技设备，如数字仪器、传感器、数据采集器、数据分析处理软件、虚拟实验手机App、虚拟仿真实验平台等都在物理实验教学中获得了较为广泛的应用。这些信息技术设备和软件为我们虚拟地开展物理实验提供了较多的技术方案，这就要求教师要根据实际教学内容和现有条件精心选择相应的实验技术方案，以较少的成本获得较好的实验教学效果。比如，虚拟仿真实验平台的应用对大多数实验来说就是优选方案，教师可以组织学生进入平台，按提示模拟现实做好相关实验设计和准备，并开展仿真实验活动，使学生最终能从过程中看到实验现象，观察到实验的结果，进而理解现象和原理。当然，有些实验本来很简单，教师就不必选择这样的技术方案，可选择更简单的技术方案来实现。

（三）谋定后动，引导学生熟练应用技术

教师要注意研究和渗透初中物理教学中的实验内容，提前确定好各个实验需要的材料、场地以及要用到的技术方案。对于需要用到技术支持的实验，教师要提前对学生进行适当的训练，让学生充分理解和熟悉技术操作流程及要点，并反复训练，达到熟练应用相关技术的目的。教学中，教师要让学生在技术辅助的实验中充分体会和掌握实验的思路、方法及原理，并能联系生活实践进行思考和探究，进而较好地完成相关实验操作，达成相应的教学目标。

三、初中物理实验教学中应用TPACK 理论的策略

（一）以TPK 为基础，创新思路

TPK 即整合技术教学法知识，是技术与教学方法的结合，是TPACK 体系的一个重要组成部分。物理实验不是单纯的组装，更不是简单地介绍实验的原理。教师要以系统化的理论来引导技术的运用。以下笔者以“电磁感应现象”实验为实例，探讨在TPACK理论基础上进行物理创新实验的实施。

（二）以PCK 为基础分析内容

1.分析内容

电磁感应现象是学生理解各种发电机发电原理的基础，也是电磁教育的重要组成部分。学生在了解电力与电动机之前，先要弄清“电从何而来”的问题，可以为后面的发电机与高中时的电磁理论打下良好的基础。电磁感应现象是培养学生科学探索能力的重要教学内容。学生经过学习，可初步了解电磁感应现象，并了解其产生原理与能量转换的过程。

2.分析学生学习的情况

有关磁场、电磁场、磁感线等基本的物理学概念，学生经过前期的学习，已有一定的认识，但对概念对应的本质还不甚理解。对于“电生磁”现象，学生往往有浓厚的兴趣，同时，他们也会产生一个疑问：“磁可以产生电吗？”教师就要顺势从能量转换的观点出发，指导学生学习什么情况下磁场能产生电能。由于初中生的抽象思考能力比较弱，因此教师要运用一套直观的技术，如磁场、电流、导线切割磁力线等现象展示给学生看，使学生容易接受知识。在教学过程中，教师通过自主设计的教具、传感器采集系统、同步投屏等技术，设置电子白板进行课堂活动，创设出真实的物理问题情境，并设置问题或屏障，使学生有“心不能达，嘴不能说”的心理，这样既能培养学生对物理的认识，又能激起他们的好奇心。学生对发电机的工作原理有了初步的认识后，可体验到电磁感应现象在日常生活中的运用，从而减少对物理的恐惧。通过探讨导线中感应电流的生成条件，学生相互的沟通与协作，获取一些经验和方法，为以后的学习、生活提供一定的参考。

（三）以TCK 为基础，构建模型

1.以能量转化作为切入点引入概念设计创新实验

“磁生电”在日常生活中很常见，然而，学生对它的原理、能量转换却缺乏足够的重视。因此，在新课程实施过程中，教师要进行创新性的实验。如教师演示“两块磁石同时着地”的实验，指导学生进行创新性的实验（如图1）。教师拿出两根同样的亚克力管，将500 匝漆包线均匀地缠绕在其中一根管道上，然后将一根漆包线连接到一个临时的密封装置上，再将两根同样大小的强磁铁放入亚克力管的顶端。为了方便学生观察，教师在管子下面放了两烧杯的染色水，以便学生观察和比较烧杯中喷水的顺序。学生注意到，空亚克力管里的磁石最先掉下来。在磁体下降时，连接漆包线的仪器显示值显著增大。教师问道：“为什么亚克力管周围有漆包线，里面的磁体下降得比较慢？”学生用漆包线连接仪表板上的数字来判断，电线上有电流流动。两个磁体在同一高度处于静止状态，其势能相同，当磁体通过亚克力管时，所有的势能都会转变成动能；当通过缠绕着漆包线的亚克力管时，由于能量的一部分被转换成了电能，使得磁体的动能降低，从而导致磁体下降。通过这种方法，学生对“磁生电”的理论和方法有了一定的认识。教师充分发挥创新性实验所具有的趣味性、挑战性和实效性等特点，激发学生对知识的渴望，从而引起他们的注意，激发学生的学习兴趣，在能量转换观念中寻找突破口，培育学生的能量观念。

图1 两块磁石同时着地实验

2.以整合技术为基础，设计物理模型

初中阶段的形象思维是非常活跃的，如果教师只用讲课的方法来解释抽象的物理概念，会使学生产生反感。在物理创新实验中运用合适的教学技术，往往能取得出其不意的结果。教师利用两对方形的硼铷磁铁、木板、彩纸等材料，制造出四个巨大的平面磁铁，并以它们为中心，形成一个平行的磁场。磁场是无形的。磁极间的磁场在空间上的分布是怎样被简单地呈现出来的？通过观察和讨论，学生提出了一个解决办法：平行排列的四束激光光束，以突出实验现象，利用烟筒（通过小型电扇的方向），使磁极间的磁场分布更为清晰，从而探索“磁生电”的形成条件。学生通过小组讨论，利用数字创意实验设备来探索电感电流的产生。教师引导学生装配微型电流传感器、数据采集装置、带有软件的手提电脑，并利用微电流传感器的鳄鱼钳将一根直铜丝插入闭合线路中。学生用铜丝在平行磁场中先慢慢地上下运动，再迅速地上下运动，然后计算机屏幕就会出现感应电流的影像。教师开展以上数字实验的最大优势在于，可以建立一定的数学模型，如平行磁场，磁线的不同方向、大小、方向的感应电流等，帮助学生加深对概念的认识，提高思维水平，并以数据的收集与影像来进行可视化的教学，使学生能够在深度学习中“顿悟”。

四、结语

TPACK 理论是教师对数字教学能力的一种科学理论，而对中学物理实验进行创造性的探索与实践，则需要相应的理论支持。在物理创新实验中，教师不能一味地追求高科技，要找到技术突破口，把数字技术的教学技巧与观念应用于物理创新实验，总结出创新的实验方法与途径，促进物理实验教学质量的提高。