TPACK知识框架下中学化学体验教学研究_原电池论文

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      Mishra和Koehler于2005年提出的“Technological Pedagogical Content Knowledge（TPACK）”是指教师使用技术进行有效教学所必需的知识[1]。所谓有效，指教师不但要知道在教学中使用何种技术（what），还要知道为何使用这种技术（why）以及在教学中如何使用技术（how），基于这种知识的技术整合是一种有意义的整合。自该概念提出以来，在国外学科教学、教师教育与教育技术学界受到广泛关注，并已成为研究的热点之一。

      化学学科特点决定了化学实验是使学生获得和运用知识、掌握实验技能、形成实验能力和提高科学素养的重要途径。由于当前各个中学实验条件有限，学生课外在实验室中对实验进行课前预做、课后复习极不现实，使得在中学化学教学实践中让学生体验科学探究的过程较难开展。

      利用信息技术弥补化学实验教学中的不足，是提升学习效率的重要途径，需要创设真实具体的学习环境对学生的科学素养、实践习惯、实验分析方法等方面的能力进行培养。TPACK知识框架下的中学化学体验式学习则为学生体验科学探究的过程创造了良好的契机。

      一、TPACK知识框架

      TPACK框架包含3个核心元素：学科内容知识（Content Knowledge，以下简称CK）、教学法知识（Pedagogical Knowledge，以下简称PK）、技术知识（Technology Knowledge，以下简称TK），以及4个由核心元素相互交织形成的复合元素：学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge，以下简称PCK）、整合技术的学科内容知识（Technological Content Knowledge，以下简称TCK）、整合技术的教学法知识（Technological Pedagogical Knowledge，以下简称TPK）和整合技术的学科教学知识（Technological Pedagogical Content Knowledge，以下简称TPACK）[2]。

      Suzy Cox在前人研究的基础上使用概念分析法对TPACK框架进行了细化，认为TPACK是在具体学科内容的教学策略以及具体主题之表征的情境脉络中，技术、教学法、学科内容3者之间交互的知识，它需要教师知道如何使用新兴技术，将特定学科的活动或者特定主题的活动，与特定主题的表征协调起来以促进学生的学习[3]。

      二、TPACK支持下的体验式学习

      1.体验式学习

      美国大卫·库伯（David Kolb）根据经验形成的整体特征，构建了体验式学习模型——“体验式学习圈”，用4个节点建立起了4阶段理论模型：具体体验（Concrete Experience）、观察与反思（Reflective Observation）、抽象概念的形成（Abstract Conceptualisation）以及在新情境中检验概念的意义（Testing Implications of Concepts in New Situations）[4]。

      由于体验式学习强调体验对学习的意义，不是简单地主张要在做（实践）中获得新知识和新能力，而是更关注对经验的总结和反思，强调在掌握技能知识的过程中不仅是“能知道、能行动”，而且要求能从深刻地反思中获得经验的提升，使学习者通过反思与体验过程获得成长性的发展。所以，可以将体验式学习看作“做中学”与“思考中学”的结合。

      2.教师TPACK发展境脉中的体验式学习的活动循环

      在信息技术时代，体验式学习是一种以学习者为主体，在一定的环境中通过学生主动真实的或虚拟的亲历、反思来获得知识、技能和态度的学习方式[5]，体验式学习不是一个简单的线性过程，而是一个过程中有循环、循环中有反复的过程。它在体现体验学习计划的同时，也体现了及时调整体验的作用。体验活动是一个随时变化、因人而异、依景调整的不断循环发展、渐进上升的过程[6]。基于此，构建了教师TPACK发展境脉中的体验式学习的活动循环，如图1所示。

      

      （1）PCK和TCK融合的体验准备

      学习者进行体验式学习之前，教师应按照课程标准及教材的要求，利用自身已有的PCK和TCK设置体验目标，设计体验环境。教师的PCK主要用于设置体验目标，呈现知识、形成问题；而利用现代信息技术，创设资源丰富、表现形式多样的体验环境（如开发相应的化学体验式学习软件，或使用常见的社会性软件等）均属于教师的TCK。

      体验式学习软件主要是指利用计算机和网络技术开发设计适合于学习者学习的，支持虚拟环境下进行体验式学习的教学软件，学习者可以通过自身操作在软件中完成具有一定目的的教学过程，由软件根据学习者的实际操作情况及时做出反馈，学习者最终通过观察判断模拟的真实场景和过程，实现自身知识结构的意义建构[7]30。此类软件具备主动主体性、交互实践性、智能反馈性、情境虚拟性、学科科学性和开放整合性这6个方面的特点[7]32。这就要求教师在进行体验环境的设计时，积极调动自身的PCK和TCK，充分考虑利用人机交互创设学习环境。

      （2）PCK和TPK融合的体验实践

      在学习者激发体验动机的驱动下，按照体验式学习活动循环实现体验内化、完成学习者的主体作用的环节中，教师处于帮助者和指导者的角色，TPACK框架中的复合元素在此均有体现。例如在“具体体验”部分，教师指导学生对化学体验式学习软件的操作涉及TPK；在“观察反思”和“形成概念”部分，教师会用到PCK和TPK对学生体验到的具体知识在进行自身知识转化的过程中进行指导；在“应用检验”部分，是教师TPACK的综合运用。

      （3）PCK和TCK融合的体验反思

      在结束课堂学习之后，教师将课堂延伸至课外，学习者和教师通过交流讨论，分享体验成果，从而实现对新知识的反馈外化和意义生成。学习者在教师PCK的引导下，完成隐性知识和显性知识之间的相互转化；而教师将研发软件上传至网络，熟练运用相关的软件对学生的反思情况、疑难问题进行解答以及利用计算机软件输入化学方程式、分子式、绘制实验装置图的问题等都属于TCK的范畴。

      三、基于TPACK的中学化学体验式学习案例研发

      以《化学反应原理》中第四章第一节“原电池”[8]为例，结合“体验式学习软件——原电池”，对基于TPACK的中学化学体验式学习案例研发进行了尝试性的探讨，并对其进行了实践应用。

      原电池是中学电化学基础知识，也是学生了解化学原理应用于生活实际的重要切入点之一。在前期学习过程中，学生已初步掌握将化学能转化为电能的途径，并已有原电池、正极、负极、电解质溶液的概念。《化学反应原理》第四章第一节再次学习原电池的目的在于借助对单、双液原电池的对比，深化学生对原电池的认识，并介绍半电池、盐桥等新概念。本节教学内容的难点在于如何深化学生对原电池构成条件的认识以及能够书写较复杂电极反应式、电池反应式。学生在对如何提供稳定持续电流问题的探究时，认识了双液原电池，在探究组装新的原电池的过程中，深化了对原电池构成条件的认识，并通过合作学习掌握复杂电极反应式、电池反应式的书写。在此过程中，学生发散思维、相互合作，同时体验探究的艰辛与快乐。

      1.主题选择与软件设计

      本节课在设计上，希望能通过对《化学2》相关知识的回顾复习，逐步深化了解原电池的工作原理。因此，围绕“原电池的设计”展开思路，结合学生的认知能力和《化学2》中相关知识的介绍，以实验探究的模式，设计了4个递进的问题，以问题的逐步解决推进教学进程。在软件的设计上，选择深入学科的软件工具非常重要，并非所有的主题都需要用技术来表现，技术只是达到简约高效的有效课堂教学的媒介。在此，选择Flash软件对原电池探究实验的体验式学习软件进行了研发。该软件的相关内容设计见表1。

      需要说明的是，在教学实践中不能完全以虚拟实验代替真实实验，软件的使用永远为教学目标的落实服务。在本教学案例的设计中，体验式学习软件设计在课前预习、课后复习和课堂教学中沿用真实实验开展教学活动。

      2.教学设计与教学实施

      在教学设计时，利用TPACK框架分析教学内容，即从CK的角度解析所教主题的内容实质；然后从PK的角度分析学情，选择教法；再从TCK的角度思考、理解特定技术或拟开发的教学软件如何改变了内容的呈现方式或表征建构的方式；接着从TPC的角度思考使用特定的技术后，教学如何改变，选用何种教学策略，如何发挥技术的优势以促进学生的学习与理解；最后综合TCK和PCK这2种角度，经过权衡、取舍达到某种平衡，从不同角度切入教师的TPACK，把开发好的TPACK教学案例用之于课堂实践，接受课堂实践的检验[9]。

      本节课将问题探究法贯穿全局，充分尊重学生的认知结构，以复习的形式引入新课，在对旧知识的归纳总结中引出问题：什么样的化学反应可以设计成原电池？再在解决问题的过程中不断引发新问题，问题的设计过渡自然、层层递进，在对问题的探讨过程中实现本节课的教学目标。

      （1）课前预习——复习回顾

      教师安排思考4个问题：①根据Cu-Zn原电池的装置图和氢氧燃料电池示意图，回忆高一实验时观察到的现象。判断Cu-Zn原电池的正负极，写出电极反应式。再判断氢氧燃料电池的正负极，写出电极反应式。②归纳形成原电池的共性。③思考什么样的化学反应可以设计成原电池。④利用教师所提供的体验式学习软件——原电池，完成探究1、2、3活动，尝试不同因素对原电池电流的影响。在教师规定的时间内，学生在各自的博客上回答以上问题并上传至班级博客。

      （2）课上学习——探究小结

      在教学过程中主要选用小组合作法、利用真实实验进行启发式实验引导探究法等教学方法，以活动单位推进教学进程。教学流程如下页图2所示。

      （3）课后强化——巩固知识

      教师将课堂延伸至课外，将上课教学流程和内容及重难点上传至班级博客供学生复习使用，并要求学生对教学的各环节进行评价，提出自己认为需要改进的部分。学生利用体验式学习软件——原电池，完成探究4的活动。教师通过对各层面学生的访谈，听取意见，完善TPACK案例。

      3.教学反思

      

      通过该教师的讲授，学生清晰地了解了知识之间的特征和联系，掌握了预期内的教学内容，得到了督导专家的一致认可。在本案例中，该教师的教学表现显示其完全具备了教师所需要具备的TPACK知识结构，主要表现为知识构成、知识运用和知识创新几个方面，从知识组成方面分析，该教师TPACK知识结构主要表现如表2所示。

      TPACK概念的提出为技术与课堂教学的整合开辟了一个新的视角，它是从技术与课程整合时教师所必备的知识入手，要求教师运用技术，设计真实教学取向的活动，让学生在内容、教法和技术的互动中充分发展。在本研究中主要聚焦于教学法，以课例的形式研究教学法如何与技术、内容进行交互。国外有学者采用聚焦于内容领域，研究教学法和技术如何最有效地发展学生对核心内容概念的理解，另有部分学者考虑一种特定技术的功效及其与内容领域和教学目标之间的交互。这些都是今后值得研究的方向。

      

      

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