時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)中教師的TPACK及應(yīng)用*

◆李陽(yáng) 王應(yīng)雪

時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)中教師的TPACK及應(yīng)用*

◆李陽(yáng) 王應(yīng)雪

提出一種深入學(xué)科的TPACK 構(gòu)建及應(yīng)用方法，既強(qiáng)調(diào)教師的TP ACK素養(yǎng)建設(shè)，又關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成，希望為大學(xué)的專業(yè)課程改革提供一種新的思路。

TPACK；時(shí)變電磁場(chǎng)；教育信息化

1 前言

隨著國(guó)家《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》的頒布和實(shí)施，我國(guó)的教育界明確了教育信息化改革的政策導(dǎo)向[1]。如何進(jìn)行教育理念創(chuàng)新，如何建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源和信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，如何通過學(xué)習(xí)方式和教育模式創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)教育質(zhì)量提升，這是教育界面臨的挑戰(zhàn)。

改革教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)教育模式的變革，許多學(xué)者為此進(jìn)行著不懈探索。我國(guó)的祝智庭教授提出借助現(xiàn)代技術(shù)力量重構(gòu)有效教學(xué)模式的觀點(diǎn)[2]。美國(guó)的Chris Dede認(rèn)為，數(shù)字化學(xué)習(xí)和數(shù)字化新技術(shù)正在影響美國(guó)的高等教育，新技術(shù)正在讓高等教育的目標(biāo)發(fā)生變化，數(shù)字化學(xué)習(xí)正在改變高等教育的過程，高等教育正在向個(gè)性化學(xué)習(xí)和個(gè)性化教育方向轉(zhuǎn)變[3]。Robert A. Reiser認(rèn)為[4]，用“教學(xué)設(shè)計(jì)與技術(shù)”為“教育技術(shù)學(xué)科”命名更科學(xué)，主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)化教學(xué)設(shè)計(jì)，利用媒體促進(jìn)教學(xué)、績(jī)效改進(jìn)。徐章韜等學(xué)者通過對(duì)信息技術(shù)支持下的學(xué)科教學(xué)知識(shí)的課例研究[5]，提出一種教師發(fā)展的“TCK-TPK-TPACK”路徑。

這些研究成果表明，教育信息化改革的浪潮已經(jīng)來(lái)臨，以學(xué)生為中心的教育理念已經(jīng)確立，以技術(shù)驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化學(xué)習(xí)和個(gè)性化教育的理論和方法順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的要求，可以有效提高教育質(zhì)量。TPACK（Technological Pedagogical Content Knowledge）是技術(shù)支持的學(xué)科教學(xué)法的簡(jiǎn)稱，是信息時(shí)代教師進(jìn)行有效教學(xué)必備的素養(yǎng)。掌握現(xiàn)代信息技術(shù)的教師用個(gè)性化教育的理念引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)活動(dòng)的廣泛開展，必將變革傳統(tǒng)教育的模式。

電磁場(chǎng)是通信和電子本科學(xué)生重要的公共基礎(chǔ)課，對(duì)于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要。由于本課程理論性強(qiáng)，用傳統(tǒng)的理論課講授方法進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師和學(xué)生普遍感到枯燥乏味，教學(xué)效果不佳。在教學(xué)中引入現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，以教師的TPACK素養(yǎng)與學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成為基礎(chǔ)組織教學(xué)，探索出一種深入學(xué)科的技術(shù)支持的學(xué)科教學(xué)模式。

2 教師的TPACK和電磁場(chǎng)教學(xué)相結(jié)合的可行性分析

提高教學(xué)質(zhì)量，教師是關(guān)鍵。在信息時(shí)代，教師的TPACK素養(yǎng)對(duì)于學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的提高至關(guān)重要。羅忻認(rèn)為[6]，培訓(xùn)可以迅速普及教師的TPACK知識(shí)。筆者認(rèn)為，以教師的TPACK框架為指導(dǎo)，讓教師把TPACK知識(shí)應(yīng)用于專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中，不斷提高教學(xué)水平；引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成個(gè)性化的主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣，可以提高教育質(zhì)量。

教師的TPACK知識(shí)簡(jiǎn)介教師的TPACK知識(shí)框架是由美國(guó)密歇根大學(xué)的Mishra和Koehler提出的[8]，它包括三個(gè)基本成分、四個(gè)復(fù)合成分和一個(gè)境脈因素[9]。

三個(gè)基本成分：學(xué)科知識(shí)（Content Knowledge，簡(jiǎn)稱CK）、教學(xué)法知識(shí)（Pedagogical Knowledge，簡(jiǎn)稱PK）、技術(shù)知識(shí)（Technology Knowledge，簡(jiǎn)稱TK）。

四個(gè)復(fù)合成分：學(xué)科教學(xué)知識(shí)（Pedagogical Content Knowledge，簡(jiǎn)稱PCK）、基于技術(shù)的學(xué)科知識(shí)（Technological Content Knowledge，簡(jiǎn)稱TCK）、基于技術(shù)的教學(xué)法知識(shí)（Technological Pedagogical Knowledge，簡(jiǎn)稱TPK），基于技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)（Technological PedagogicalContent Knowledge，簡(jiǎn)稱TPACK）。

雖然不同的學(xué)者從不同的視角出發(fā)，對(duì)于TPACK有著不同的理解[10-11]，筆者認(rèn)為正是由于這些爭(zhēng)論的出現(xiàn)才使得該理論不斷走向成熟。

TPACK框架主要表現(xiàn)出以下三大特性。

1）復(fù)雜性：CK、PK和TK三個(gè)基本成分之間既相互聯(lián)系，又彼此獨(dú)立。

2）互動(dòng)性：TPACK三個(gè)基本成分雙向互動(dòng)，每一個(gè)成分對(duì)其他兩個(gè)基本成分進(jìn)行作用，其本身又受到它們的反作用。

3）平衡性：TPACK的三個(gè)基本成分、四個(gè)復(fù)合成分以及一個(gè)境脈因素相互作用形成一種動(dòng)態(tài)的平衡，這種平衡態(tài)會(huì)隨著任何一個(gè)要素的改變而被打破，隨之而來(lái)的就是平衡態(tài)的重建和維持，如此循環(huán)。

時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)的現(xiàn)狀和變革需求

1）傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)效果不佳。大學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教學(xué)集中進(jìn)行，教師在課堂上進(jìn)行知識(shí)講解，在黑板上進(jìn)行理論推導(dǎo)，學(xué)生上課聽講，下課復(fù)習(xí)、做作業(yè)。教師講述的知識(shí)需要學(xué)生耐心聽取，教師的板書推導(dǎo)需要學(xué)生領(lǐng)會(huì)，教師的教材訂正、理論更新需要學(xué)生準(zhǔn)確記錄。每節(jié)45分鐘的課程，學(xué)生需要集中精力，全神貫注，反應(yīng)靈敏，記錄的動(dòng)作迅速；教師需要一方面精心組織教學(xué)、高效率傳授知識(shí)，一方面根據(jù)學(xué)生聽課的反饋調(diào)整講課的方式和課程進(jìn)度，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的興趣和對(duì)課程的關(guān)注度。這對(duì)于理論性突出的電磁場(chǎng)課程來(lái)說(shuō)，實(shí)在是勉為其難。

電磁場(chǎng)通篇是建立微分方程、明確邊界條件、解微分方程，中外師生公認(rèn)其為“天書”。理論枯燥、課程對(duì)高等數(shù)學(xué)依賴度高，教師必須帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行必要的復(fù)習(xí)，否則學(xué)生上課聽不懂，這樣就導(dǎo)致一部分學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不理想。

2）多媒體教學(xué)使得教學(xué)效果有所增強(qiáng)。隨著高校多媒體教學(xué)設(shè)備的普及，PPT演示逐步代替了教師的板書，學(xué)生通過拷貝教師PPT的方式減少了做筆記的勞動(dòng)，提高了學(xué)習(xí)效率，學(xué)習(xí)效果相應(yīng)得到增強(qiáng)。但是，PPT沒有聲音，學(xué)生課后只能根據(jù)教材、筆記、PPT進(jìn)行復(fù)習(xí)。從教學(xué)模式上看，這樣只是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種改進(jìn)。

3）學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。大學(xué)的學(xué)習(xí)不僅僅是學(xué)習(xí)書本知識(shí)，更重要的是學(xué)習(xí)分析問題和解決問題的方法。也就是說(shuō)，學(xué)生通過觀摩教師課堂的講解，同時(shí)學(xué)習(xí)了教師分析問題和解決問題的方法。而這些知識(shí)是書本里沒有的。時(shí)變電磁場(chǎng)的教學(xué)目的是建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)空概念，通過時(shí)變電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互激勵(lì)，把握電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量傳播規(guī)律。這是對(duì)學(xué)生思維方式的訓(xùn)練。

筆者發(fā)現(xiàn)，有一部分學(xué)生利用手機(jī)視頻攝像功能進(jìn)行課堂錄像，以便于課后復(fù)習(xí)，還有一部分學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)公開課的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，正是這部分學(xué)生，他們的學(xué)業(yè)成績(jī)提高很快。隨著信息技術(shù)和信息設(shè)備的普及，學(xué)習(xí)資源（尤其是視頻公開課和相應(yīng)的數(shù)字教學(xué)資源）網(wǎng)絡(luò)化，不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，也必將引發(fā)教育模式的變革。

3 教師的TPACK構(gòu)建和在時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)中的應(yīng)用

樹立以學(xué)生為中心的教育理念教師教學(xué)的目的是向?qū)W生傳授知識(shí)，學(xué)生的學(xué)業(yè)水平和專業(yè)技能是學(xué)校綜合實(shí)力的一種反映。樹立以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，首先，學(xué)生可以隨時(shí)得到共享的優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，課前、課中、課后可以隨時(shí)查閱數(shù)字教學(xué)資源，觀看教學(xué)視頻。麻省理工學(xué)院等院校做出了表率。

其次，教師的角色必須進(jìn)行轉(zhuǎn)變。教師從傳統(tǒng)教學(xué)中的學(xué)業(yè)的主要傳授者，轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的提供者、學(xué)業(yè)的輔導(dǎo)者、學(xué)術(shù)問題討論的組織者。

最后，教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。當(dāng)學(xué)生可以隨時(shí)得到共享的優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的時(shí)候，傳統(tǒng)的課堂傳授式講課就失去了價(jià)值，教師必須把課堂變成學(xué)業(yè)的輔導(dǎo)和學(xué)術(shù)問題討論的場(chǎng)所。這樣通過課堂參與式討論，學(xué)生向主動(dòng)學(xué)習(xí)者和探究學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)變。

教師的TPACK建構(gòu)和在時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)中的應(yīng)用從表面上看，時(shí)變電磁場(chǎng)的內(nèi)容是根據(jù)邊界條件解麥克斯韋方程組，但是其本質(zhì)是建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)空概念，通過時(shí)變電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互激勵(lì)，把握電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量傳播規(guī)律。這樣一來(lái)，對(duì)教師和學(xué)生在數(shù)學(xué)方面的微積分的分析方法和物理學(xué)方面的電、磁、光等概念提出要求。

首先，要求教師具有微積分、微分方程、線性空間方面的知識(shí)，具有電磁學(xué)方面的知識(shí)，還要具有時(shí)空轉(zhuǎn)換方面的學(xué)科知識(shí)（CK），這樣才能把握麥克斯韋方程組和本構(gòu)關(guān)系所反映的電磁場(chǎng)的基本規(guī)律。也只有這樣，教師才能引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)真實(shí)的電磁場(chǎng)。

其次，教師需要了解學(xué)生的基本情況、課程設(shè)置、學(xué)業(yè)狀況和本課程的教學(xué)大綱(境脈)，針對(duì)學(xué)生的學(xué)業(yè)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)。否則，不熟悉教學(xué)環(huán)境，教學(xué)只能是無(wú)的放矢，“時(shí)變電磁場(chǎng)”的知識(shí)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)就只能是“天書”。

再次，教師的教學(xué)方法（PK）和學(xué)生的學(xué)習(xí)方法需要相互協(xié)調(diào)，才能增強(qiáng)教學(xué)效果。在解決如何把學(xué)科知識(shí)傳授給學(xué)生的問題上，教師必須研究教學(xué)法知識(shí)（PK）。學(xué)生通過參與教師知識(shí)傳授的過程，現(xiàn)場(chǎng)觀摩、學(xué)習(xí)教師的思維方式、解決問題的方法，形成符合自身特點(diǎn)的學(xué)習(xí)方法，才能做到終生受益。

最后，教師需要引入現(xiàn)代技術(shù)（TK）?，F(xiàn)代仿真技術(shù)可以形象生動(dòng)地描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)知識(shí)。在電磁場(chǎng)教學(xué)中運(yùn)用MATLAB軟件，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量的仿真，把麥克斯韋方程組所描述的時(shí)變電磁場(chǎng)知識(shí)以圖形的方式進(jìn)行展示，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)和對(duì)知識(shí)的理解。

筆者注意到，學(xué)科知識(shí)傳授是一個(gè)復(fù)雜的過程，僅僅懂得學(xué)科知識(shí)（CK）、教學(xué)法知識(shí)（PK）、技術(shù)知識(shí)（TK）和境脈知識(shí)是不夠的，還需要理解這些知識(shí)在一定的境脈下的相互作用、相互復(fù)合，并把她它們應(yīng)用于實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐之中。

在時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)中，教師的學(xué)科教學(xué)知識(shí)（PCK）是指教師運(yùn)用一定的方式和方法把學(xué)科知識(shí)傳授給學(xué)生的過程和方法。比方說(shuō)麥克斯韋微分方程組公式（1）～（4）：

在離開場(chǎng)源的真空中，把這兩個(gè)公式修改一下，公式（1）變?yōu)楣剑?），公式（2）變?yōu)楣剑?），電場(chǎng)與磁場(chǎng)的參數(shù)基本對(duì)應(yīng)：

為了增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，教師的基于技術(shù)的學(xué)科知識(shí)（TCK）、基于技術(shù)的教學(xué)法知識(shí)（TPK）和基于技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)（TPACK）顯得特別重要。用MATLAB軟件對(duì)正弦電磁場(chǎng)在真空中的傳播情況進(jìn)行仿真和顯示（屬于TCK），因?yàn)殡妶?chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量都用正弦函數(shù)，仿真結(jié)果是形象生動(dòng)的。因?yàn)橛^察角度不同，仿真的過程和結(jié)果是不同的，怎樣用學(xué)生能夠理解的形式顯示仿真的過程和結(jié)果？結(jié)合學(xué)生具備的數(shù)學(xué)和物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行選擇（屬于TPK），使得麥克斯韋方程組所描述的宏觀電磁現(xiàn)象生動(dòng)形象地展示在學(xué)生面前，方便了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

設(shè)計(jì)一個(gè)界面，讓學(xué)生自己設(shè)置電場(chǎng)和磁場(chǎng)的具體參數(shù)，觀察、驗(yàn)證麥克斯韋方程組表示的電磁相互激勵(lì)的情況并進(jìn)行討論和改進(jìn)（TPACK）。這樣的教學(xué)方式和僅僅通過對(duì)方程式的解釋的教學(xué)方式進(jìn)行比較，更能吸引學(xué)生的注意力和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)效果的措施上述分析和應(yīng)用是對(duì)教師進(jìn)行的，教學(xué)是教師、學(xué)生和學(xué)校等方方面面共同參與的過程，因此，提高教育質(zhì)量需要各方面因素共同促進(jìn)。

1）充分發(fā)揮多媒體教學(xué)設(shè)備的效率。目前，大學(xué)的多媒體教學(xué)設(shè)備通常用于播放教師的PPT，沒有充分發(fā)揮多媒體設(shè)備的使用效率。教師可以播放有關(guān)的教學(xué)和科研視頻短片，既可以增加教學(xué)的信息量，又可以提高學(xué)生的參與感和對(duì)知識(shí)的興趣。

2）教師制作視頻短片。教師把知識(shí)講授的內(nèi)容制作成視頻短片，方便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。通過視頻短片，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了知識(shí)，更重要的是學(xué)習(xí)教師的知識(shí)組織方法和知識(shí)運(yùn)用方法。

3）鼓勵(lì)學(xué)生建立學(xué)習(xí)興趣小組。不同的人由于經(jīng)歷和興趣不同，學(xué)習(xí)方式和方法是不同的。興趣相同的人在一起，相互討論、相互激勵(lì)、相互促進(jìn)，可以共同促進(jìn)學(xué)業(yè)進(jìn)步。

4）教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)化。教學(xué)課件和教學(xué)視頻短片可以通過校園網(wǎng)、云端等實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)化，以便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。

5）重視課堂的案例分析和討論。通過課堂的案例分析和討論，可以實(shí)現(xiàn)從傳授知識(shí)到掌握知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)的過渡。學(xué)生參與到課堂的案例分析和討論過程中，現(xiàn)場(chǎng)觀摩、學(xué)習(xí)教師的思維方式、解決問題的方法，形成符合自身特點(diǎn)的學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)終生受益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種深入學(xué)科的教師TPACK構(gòu)建及應(yīng)用方法。在時(shí)變電磁場(chǎng)教學(xué)中，教師深入時(shí)變電磁場(chǎng)的TPACK知識(shí)構(gòu)建以及在教學(xué)中的應(yīng)用是基礎(chǔ)，技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)的融合是手段，服務(wù)于學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)、提升本科教育質(zhì)量是目的。在信息化時(shí)代，技術(shù)促進(jìn)的教育變革正在改變傳統(tǒng)教育的面貌，技術(shù)支持的學(xué)科教學(xué)知識(shí)（TPACK）武裝起來(lái)的教師，通過不斷豐富自己在一定的境脈的學(xué)科知識(shí)（CK）、教學(xué)法知識(shí)（PK）、技術(shù)知識(shí)（TK），形成Total-PACKage，服務(wù)于學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)。在不同的環(huán)境下，教師TPACK知識(shí)構(gòu)建和應(yīng)用的方法是不同的，境脈對(duì)TPACK各個(gè)因素的影響的研究還有待加強(qiáng)，教師的TPACK素養(yǎng)在促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)方面的研究有待于進(jìn)一步深入。

[1]教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》的通知[EB/OL].[2012-03-13].http://www.moe. gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

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Teacher’s TPACK and Its Application in Teaching of Timevarying Electromagnetic Field

Li Yang,Wang YingXue

This paper presents an approach to the construction of TPACK and its application in depth. It not only emphasizes the construction of TPACK quality of teachers,but also pays attention to the cultivation of students’ learning habits. We hope to provide a new idea for the reform of the University’s professional course.

TPACK;time-varying electromagnetic f eld;educational informationization

G642.4

B

1671-489X(2016)02-0031-04

*項(xiàng)目來(lái)源：安徽省質(zhì)量工程“時(shí)變電磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)與電磁波”（課題編號(hào)：2014gkk004）；安徽省教育廳“基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)硬件獲取方法研究”（課題編號(hào)：11411168）；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)質(zhì)量工程“語(yǔ)音通信電路的綜合設(shè)計(jì)”；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)質(zhì)量工程“數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的仿真演示研究”。

作者：李陽(yáng)，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理（230036）；王應(yīng)雪，安徽省教育技術(shù)裝備中心，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)和教育裝備（230011）。

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.031