从TPACK看高中物理逆转课堂的实践_固有频率论文

TPACK视角下的高中物理翻转课堂实践探索，本文主要内容关键词为：视角论文,课堂论文,高中物理论文,TPACK论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      近十年来，“技术—教学—学科知识”（Technological Pedagogical and Content Knowledge，TPACK）这一理论的兴起和发展，不仅揭示了技术知识、教学知识和学科知识三种知识形态之间复杂交叠的关系，也为探索技术与学科教学融合提供了理论框架[1]。TPACK特别强调，技术知识不仅是了解技术，更重要的是技术在课堂教学、交流、问题解决、决策等方面的有效应用，凸显技术不仅是问题解决的手段，也是问题解决的过程的价值观[2]。考虑到TPACK的高度融合性和情境性以及技术、教学、学科的专属性，本研究应用有着先进教学理念、良好教学效果、信息技术融合度高等特点的JiTT和PI教学方法作为翻转课堂的基本教学框架，结合科学探究等物理教学方法，探索翻转教学下的高中物理概念教学，以丰富翻转课堂和TPACK的相关研究。

      一、翻转课堂的知识体系与教学方法

      1.翻转课堂的知识体系：TPACK

      TPACK主要是指信息技术与学科教学整合的知识体系，主要有三种核心知识元素：技术知识（Technological Knowledge，TK）、教学知识（Pedagogical Knowledge，PK）、学科知识（Content Knowledge，CK）[3]。其中，TK是指ICT知识，如通用软件、互联网技术、教育软件、模拟实验、建模工具等；PK是指教与学的实践、流程、策略、方法等知识；CK是指教学的学科内容知识，如高一物理、高二化学等都是不同的学科内容。但是，TPACK框架远不止这三种知识，因为三者的交叉融合，又衍生出了“技术一教学”知识（TPK）、“技术—学科”知识（TCK）、“教学—学科”知识（PCK）和“技术—教学—学科”知识（TPACK）等。PCK包括教学策略和教学技术，科学概念的表征和表述，科学概念学习的影响因素，学生的错误概念、先前知识、认知困难、认识论等知识；TCK是指信息技术给学科内容带来的变化，如解决科学问题的技术手段和工具、计算机建模、仿真虚拟软件的运用等。TPK是指技术如何支持特定教学策略的知识，如数字化科学探究、基于网络的科学探究等。为了更好地区分这7种知识成分，下页表1给出了每种知识成分的操作性定义，并列举了高中理科教学中TPACK的主要内容。

      2.翻转课堂的教学方法：JiTT和PI

      JiTT主要通过在课前、课后使用简练的基于网络的学习任务，来提高学生的学习效果。教师在课前会检查学生的回答，分析学生的前概念和认知困难，进而设计有效的课堂教学活动，让学生掌握课前难以理解的概念；课后进一步评估学生新概念的掌握情况，及时调整教学。成功实施JiTT的关键有两点：一是设计行之有效的JiTT学习任务，二是专门的学习任务发布平台，即JiTT课程管理系统。JiTT学习任务通常是开放性的问题，要求学生通过阅读书本或文章，观看一段视频，操作一个模拟动画，或者分析一组数据等任务，在规定时间内作答；学习任务的预期反馈必须利于教师分析、甄别不同类型的答案，筛选代表性的展示分析案例，设计交互式课堂教学活动。课程管理系统要便于教师发布各种载体的学习任务，帮助教师快速收集、分析学生的反馈[4]。JiTT的实施流程如图1所示。

      

      

      PI使用专门设计的概念测试题，在即时反馈系统或者其他投票手段等技术的帮助下，可促进学生错误概念的发现、纠正，以及正确概念的建立、深化，引导学生深入开展科学探究，并在大班教学中实现和谐、有效的生生互动和师生互动，促进学生的自主学习、合作学习。成功实施PI的关键因素有两个：一是概念测试题的设计，二是即时反馈系统的构建。概念测试题是PI教学法的核心，其设计的好坏，决定了能否激发学生的思考和讨论，也进而决定了PI的成效。教师可根据课前学生JiTT的反馈，甄别学生难掌握的概念，基于真实实验或者虚拟实验的科学探究，设计概念测试题，引导学生深入探索物理概念。即时反馈系统一般使用课堂表决器（Clicker），其好处在于可提高学生的参与度和关注度，让每个学生有机会表达自己的想法，并对自己的学习负责，而不是随意作答；其匿名性也有助于减轻学生的压力，表现自己的真实想法。同时，也有助于老师迅速了解班级或个别学生对概念的掌握程度和是否存在学习困难，并利用回答结果的差异，调整上课内容，激发学生的好奇和认知冲突，促使学生深入思考。考虑到成本问题，也有研究者使用A、B、C、D四张教学用的抽认卡（Flashcards）来代替表决器，同样收到了不错的教学效果[5]。PI的实施流程如图2所示。

      

      二、翻转课堂的教学实践：以“外力作用下的振动”为例

      1.设计思路

      “外力作用下的振动”是人教版《高中物理·选修3-4》中第十一章机械振动第五节的内容，主要介绍了阻尼运动、受迫振动和共振这三个核心概念，并在教材后安排了“科学漫步”的内容，介绍生活中的共振和减振。本节的教学重点有两点：一是受迫振动的频率等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关；二是共振发生的条件及了解生活中的共振现象。由于真实实验无法帮助学生准确探究驱动力频率与固有频率的关系，故前者更是成了本节课的教学难点。通过实验培养学生的观察操作、合作、由实验现象提炼规律、推理分析、综合处理以及交流表达等能力，一直都是中学物理教学的重难点。此外，受限于传统教学的时间和空间，让学生将物理学习联系生活、科技和社会，培养学生用物理知识和研究方法解决实际问题的意识和能力，更是难以落到实处。尤其是类似“科学漫步”等教学内容，大多数教师的处理是安排学生课后阅读，但学生对这些内容乏味、形式单调、没有学习压力且学习动力不足的学习任务并不感兴趣，导致教学流于形式，并无实际教学效果。但如果教师设计得足够巧妙，该部分内容却是实施STEM教育——科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）教育的最好载体。为了突出重点，突破难点，打破常规，实现创新，本研究在TPACK理论框架的统领与指导下，在本节课的教学中采用了翻转课堂的教学模式，构建了JiTT课前准备、PI课中探究、JiTT课后巩固拓展的教学框架。

      为了全面探索信息技术与高中物理学科教学的融合，强调技术不仅是解决问题的手段，更是问题解决的一个过程，通过“设计学习”的策略，教师可根据课程要求、教学内容、学生情况、信息技术等实践能力和现有条件，参照表1中TPACK7成分的操作性定义，确定本节教学的TPACK知识体系，如表2所示。

      2.教学实践

      （1）教学环节一：课前JiTT

      在新课教学前两天的晚修时间，物理老师会在JiTT课程管理系统，即物理学习班级QQ群，发布JiTT学习任务，标题是：“外力作用下的振动”的JiTT课前学习任务，链接到任课教师的个人博客，观看教师已经编辑好并发布的视频，内容是第2012.10.06期“快乐大本营啊啊啊啊科学实验站”（时长5分钟），然后回答问题：①声音看不见摸不着，前面的课程学习了用计算机观察声音的波形，视频中运用了哪两种方法让声音“看得见”？②陈奕迅是怎样震碎杯子的，其他人要怎样才能做到这样？回答时尽可能利用前面学习过的物理概念，如波形、频率、固有频率等。要求学生独立思考，限定15分钟的时间，将回答通过手机QQ发给老师，不要在QQ群讨论和发布自己的作答。此JiTT学习任务的目的有两个：一是通过一道反馈题，巩固和拓展前面课程“科学漫步”的内容“乐音和音阶”、“做一做”的内容“用计算机观察声音的波形”；二是概念测试题，测试学生对共振概念的掌握情况。

      

      （2）教学环节二：课堂PI教学

      本节课的教学手段是融合PI教学理念和方法，采用计算机投票系统，调控教学进程；运用PhET提供的虚拟仿真实验：单摆实验和共振实验，以及教师编辑创建的共振棒演示实验、视频资料等，引导学生开展探究性学习，深化概念理解，感受物理之美。教学实践中，根据中学物理教学的实际情况，本研究将图2的PI教学主流程修改为：展示概念测试题—个人思考或与同伴讨论—设计实验—收集数据—分析数据—投票作答—班级讨论。由于学生的学习需要多人使用一台电脑，所以本节课教学在专门的计算机课室进行，教师在课前要保障每一台电脑能够在线或者离线运行PhET仿真实验。为了保障实验探究的效率，教师需要在学生操作前介绍清楚仿真实验的界面和使用方法。考虑到篇幅，在不影响理解的前提下，本文仅展示概念测试题与学生需要掌握的核心概念，不赘述课堂实施的细节。

      ①何谓阻尼运动？

      测试题1：图3的单摆实验，将阻力设为“中间位置”，单摆从40度位置释放，振幅会怎样变化？

      选项：A）不变；B）越来越大；C）越来越小；D）不清楚。

      测试题2：图3的单摆实验，将阻力依次设为“0、中间位置、大”这三种情况，单摆从40度位置释放，振幅减少最快的是？

      选项：A）“0”；B）“中间位置”；C）“大”；D）不清楚。

      测试题3：图3的单摆实验，将阻力设为“0”，并令“g=0”，单摆从40度位置释放，振幅会怎样变化？

      选项：A）不变；B）越来越大；C）越来越小；D）不运动；E）不清楚。

      本小节结论：振幅逐渐减少的振动，叫做阻尼振动；受到的阻尼越大，振幅减少得越快；当阻力过大时，振动不能发生。

      

      ②何谓受迫振动？

      测试题4：图4的实验，拨动弹簧，弹簧振子的振幅会怎样变化？

      测试题5：图4的实验，打开驱动器，稳定时，弹簧振子的振幅会怎样变化？

      选项：A）不变；B）越来越大；C）越来越小；D）不清楚。

      测试题6：图4的实验，打开驱动器，稳定时，弹簧振子的频率比自身的固有频率？

      测试题7：图4的实验，打开驱动器，稳定时，弹簧振子的频率比驱动器的频率？

      选项：A）大；B）小；C）相等；D）不清楚。

      本小节结论：系统在驱动力作用下的振动，叫做受迫振动；在稳定时受迫振动的频率总等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关。

      ③何谓共振？

      测试题8：图4的实验，启用5个共振器，固有频率依次为1Hz、1.5Hz、2Hz、2.5H、3Hz，调节启动器的频率为1.8Hz，稳定时，哪个共振器的振幅最大？

      选项：A）1；B）2；C）3；D）4；E）5。

      

      本小节结论：驱动力频率等于系统的固有频率时，受迫振动的系统振幅最大的现象叫共振；当固有频率不等于驱动力频率时，二者越接近，振幅越大。

      ④生活中的共振

      测试题9：播放课前JiTT的视频，杯子被震碎的原因是？

      选项：A）陈奕迅声音的频率比杯子的固有频率高；B）陈奕迅声音的频率比杯子的固有频率低；C）陈奕迅声音的频率与杯子的固有频率相同；D）不清楚。

      ⑤体验物理之美：播放东方卫视的一则新闻：“音乐家轻敲高脚杯演奏美妙音乐”。要求学生结合本节课的学习，分析音乐家是如何做到的。

      （3）教学环节三：课后JiTT

      本环节主要让学生复习巩固和拓展课堂学习的知识，实施STEM教育。时间主要安排在周末，一般是两周一个课题。由于是学生休息时间，故内容和形式要求生动活泼、轻松自由，能激发学生学习的积极性。本单元教学安排了两个STEM活动，一是思维活动：侦探破案；二是实践活动：玻璃杯奏乐。侦探破案中，节选了日本影片《神探伽利略》第一季第三集“显灵”的三个片段：①汤川到高野家调查，收集地图资料比对，发现房子在一倾斜的下水道口上头，联想到工厂排放废弃的热蒸气与此下水道口震动而引发房子的共振；②汤川请助理假冒行政人员骗走房子内的男人，与熏一同进入房内验证共振的猜想；③由塔科马大桥倾毁解释共振原理以及与本剧剧情的关联。之后，要求学生根据剧情，撰写案发情况、现场侦查、证词听述、收集证据、分析证据等破案过程，形成一份总结报告。该活动主要是借助悬疑影视剧的魅力，帮助学生在体验破案的过程中，能灵活运用所学的物理知识。实践活动中，为了巩固课堂上最后的环节，动手体验物理之美，教师提供《科学游戏实验室》网站中“玻璃杯音乐”的网络链接，让学生根据网页详细的操作提示，使玻璃杯发出美妙动人的音乐，并把自己演奏的视频共享给老师和同学。

      3.教学反思

      本节课设计的三个环节环环相扣、前后呼应，根据教学进程由浅入深地安排学习任务，课前概念的初接触与测试、课中核心概念的探究、课后概念的巩固与应用，有效促进了物理概念教学的深入开展。从学生的参与情况来看，JiTT的学习任务和PI的概念测试题的参与率均为100%，而且没有一个学生抄袭别人的答案，或选择“不清楚”等随意作答，展示了JiTT和PI的教学内涵。从技术应用来看，能够有效利用各种信息技术，构建翻转课堂，在大班教学中实现良好的生生、师生互动，提升教学的效率。最大的亮点是充分融合了“技术—教学—学科知识”，利用学生非常喜欢的影视作品如快乐大本营、神探伽利略等，以及趣味性强、互动性好的PhET虚拟仿真实验，丰富了教学内容和教学手段，促使课堂内外学生的学习兴趣高、探索欲望强、探究效果好，课堂充满活力。但该教学过程中也仍然存在不少瑕疵和挑战，如课程管理平台功能不够强大、教师投入的时间精力多、教学素材整理难、学生讨论互动的意识不强等，故该课程设计还有待进一步的提升。

      通过JiTT和PI的核心——反馈机制的建立，不仅让教师能够在课前、课中、课后实施有效教学，更使学生养成了良好的学习习惯，有效弥补了传统大班教学中互动教学和个性教学的不足，调动了教师与学生投入教学的积极性、主动性和创造性，有效解决了如何以学生为中心、让学生带着准备进课堂、促进科学概念的深度掌握、科学探究的深入开展等传统教学的难题，破解了教学内容多与教学时间少的矛盾。源于对JiTT和PI教育内涵的思考及实践效果，本文所要重点阐述的，是形式上的“翻转”并不难，但要实现翻转学习、达成技术与学科教学深度融合的愿景，则不仅需要技术的支持，更需要教师加强TPACK的学习，重新审视自己的技术观、教学观，在实践中体会技术知识、学科内容、教学法三者的融合贯通，寻求创新与突破，从“知识传递者”蜕变为“知识创造者”，提升教师的职业价值。

      我们在不断的教学实践和探索中取得一定的教学效果，也发现教师与学生的技术素养有了很大的提升，而这也是21世纪对人才培养的核心诉求之一。如正确引导学生将手机、App学习游戏、课程网站等信息技术的软硬件融入学习，而不是一味地打压学生使用手机和网络；帮助学生关注影视作品中的科学知识，培养学生运用知识解决实际问题的意识和能力，而不是“死读书，读死书”；帮助教师学会共建共享优秀教学案例、借鉴和使用国际优质的教学资源，而不是闭门造车。目前，结合教师的TPACK，构建JiTT和PI的高中物理翻转课堂教学实践，在国内外都还处于摸索阶段，本文的研究也只是抛砖引玉。在今后的研究中，需要细化TPACK在该教学模式中的各项要素，深入探讨基于该教学模式的教师TPACK发展机制等，期待更多感兴趣的教育研究者能投入进来。

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