結(jié)合TPACK框架實(shí)施物理概念教學(xué)及其模型構(gòu)建

梁榮君 阮慶元

(1. 溫嶺市第八中學(xué),浙江 臺州 317519; 2. 溫嶺市教育局教研室,浙江 臺州 317500)

初中科學(xué)課程是以對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識為基礎(chǔ)、以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的綜合課程.[1]科學(xué)課程整合物理課程內(nèi)容.教學(xué)過程是教師、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的有機(jī)融合過程.教師的知識結(jié)構(gòu)直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.物理概念是科學(xué)知識的主要組成部分,因此,教師所具備的知識結(jié)構(gòu)對于提高概念教學(xué)的有效性起關(guān)鍵作用.

1 TPACK及其相關(guān)要素

TPACK是在PCK(學(xué)科教學(xué)知識)基礎(chǔ)上,提出的整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識的教師知識結(jié)構(gòu)框架.其框架包括了教師的三大核心知識(學(xué)科知識CK、教學(xué)法知識PK、技術(shù)知識TK)和四種復(fù)合知識(整合學(xué)科教學(xué)知識PCK、整合技術(shù)的學(xué)科知識TCK、整合技術(shù)的教學(xué)法知識TPK、整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識TPACK)[2].

2 概念教學(xué)中師生知識結(jié)構(gòu)解讀

教師在概念教學(xué)中具備的三大核心知識如表1所示.

表1 概念教學(xué)中教師三大核心知識一覽表

學(xué)生在概念教學(xué)中習(xí)得知識形成自身的知識結(jié)構(gòu).PISA2015測試框架中認(rèn)為學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)包括內(nèi)容性知識,程序性知識和認(rèn)知性知識.[3]三類知識具有遞進(jìn)性,概念教學(xué)的有效性體現(xiàn)在依次習(xí)得內(nèi)容性知識,程序性知識和認(rèn)知性知識的過程中.在概念教學(xué)中,三類知識如表2所示.

表2 概念教學(xué)中學(xué)生三類知識一覽表

綜上,概念教學(xué)中,教師具備的三大核心知識與學(xué)生的三類知識是相互交叉的.教師若只具備學(xué)科知識只能給予學(xué)生內(nèi)容性知識,只有具備了教學(xué)法和技術(shù)知識,才能給予學(xué)生程序性和認(rèn)知性知識,當(dāng)然教學(xué)法和技術(shù)知識中也會涉及到內(nèi)容性知識.概念教學(xué)中師生之間的知識結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)的關(guān)系如圖1所示.在概念教學(xué)中教師若將三大核心知識進(jìn)行孤立會導(dǎo)致學(xué)生不能有效習(xí)得概念,因此,必須將三大核心知識進(jìn)行有效整合即基于TPACK才能進(jìn)行概念有效教學(xué).

圖1 師生知識結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

3 概念教學(xué)中TPACK的應(yīng)用途徑

概念教學(xué)的一般過程表現(xiàn)為創(chuàng)設(shè)情境、建構(gòu)概念、理解概念和遷移應(yīng)用4個階段[4],物理概念教學(xué)中TPACK的應(yīng)用途徑框架如圖2所示.具體表現(xiàn)為以下幾個方面.

圖2 TPACK應(yīng)用途徑框架圖

3.1 創(chuàng)設(shè)清晰情境,建立科學(xué)表象

創(chuàng)設(shè)情境,建立表象是概念教學(xué)的初始階段.創(chuàng)設(shè)情境的目的在于讓學(xué)生在感知現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,建立科學(xué)表象,從而實(shí)現(xiàn)概念的建構(gòu).在教學(xué)實(shí)踐中,有些教師認(rèn)為某些現(xiàn)象是理所當(dāng)然的,混淆科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)表象,于是就選擇了用簡單語言描述來進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè),導(dǎo)致學(xué)生不能清晰的建立科學(xué)表象.因此,很多科學(xué)表象的建立要依托技術(shù)手段.

例如,在沸騰概念的教學(xué)中,生活中沸騰現(xiàn)象由于時間短且比較劇烈,學(xué)生無法清晰的感知該現(xiàn)象,從而無法正確建立表象.教師可以利用熱電偶數(shù)顯溫度傳感器來直接顯示沸騰過程中的溫度變化,利用視頻慢放技術(shù)通過同屏展示沸騰前后的氣泡變化情況,有利于學(xué)生建立個別液體的沸騰表象,從而擴(kuò)展到一般液體的沸騰表象.這一過程教師應(yīng)具備TCK知識.在學(xué)生記錄下了溫度數(shù)值之后,讓學(xué)生通過作圖的方式建立沸騰過程溫度——時間圖像,變不連續(xù)的點(diǎn)溫度為連續(xù)時間內(nèi)的溫度變化情況,建立符合事實(shí)的連續(xù)性時間內(nèi)的科學(xué)表象.也可以利用FLASH動畫顯示連續(xù)溫度變化的形成過程,這一過程要求教師具備TPK知識.

3.2 抽象概括思維,初步構(gòu)建概念

在建立科學(xué)表象的基礎(chǔ)上,通過抽象、概括和推理的思維過程,初步構(gòu)建概念.然而,有些教師不重視這一思維過程,導(dǎo)致學(xué)生根本無法構(gòu)建起科學(xué)的概念,或者學(xué)生只是記住了這一概念,但根本沒有理解,學(xué)生知識結(jié)構(gòu)只停留在內(nèi)容性知識層面.這就要求教師應(yīng)結(jié)合TPACK框架進(jìn)行構(gòu)建概念的教學(xué),也有利于學(xué)生習(xí)得程序性知識和認(rèn)知性知識.

例如,在比熱概念的構(gòu)建中,首先利用對照實(shí)驗(yàn)的方法,具體采用手機(jī)投屏技術(shù)將不同物質(zhì)在吸收了相同的熱量后升高溫度的情況投影到多媒體屏幕上,這一過程中涉及TCK知識.然后教師通過設(shè)置問題“不同物質(zhì)升高相同的溫度吸收的熱量相同嗎?”這一問題不是直接對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行提問,將“吸收熱量相同,升高溫度不同”轉(zhuǎn)變“升高相同溫度,吸收熱量不同”,是思維轉(zhuǎn)變的體現(xiàn),要求教師應(yīng)具備PCK知識.最后,讓學(xué)生通過具體實(shí)驗(yàn)中的物質(zhì),抽象出其他物質(zhì)也應(yīng)具有“升高相同溫度,吸收熱量不同”的特點(diǎn),進(jìn)而概括出物質(zhì)的普遍性特征即不同物質(zhì)容納熱量的能力一般不同,從而構(gòu)建起比熱的概念.在該概念建構(gòu)的教學(xué)過程中,學(xué)生也習(xí)得了比熱概念相關(guān)的程序性知識和認(rèn)知性知識.

3.3 進(jìn)行深度分析,促進(jìn)概念理解

促進(jìn)學(xué)生對概念的理解是概念教學(xué)的核心.主要表現(xiàn)為前概念轉(zhuǎn)變,相似概念辨析和掌握概念內(nèi)涵和外延.對概念進(jìn)行深度分析,是促進(jìn)概念理解的途徑.

第一,實(shí)現(xiàn)前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變是理解概念的關(guān)鍵所在.

前概念具有頑固性,因此在教學(xué)實(shí)踐中,教師應(yīng)具備足夠豐盈的知識結(jié)構(gòu),有效引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,才能實(shí)現(xiàn)概念的有效轉(zhuǎn)變.

例如,在電功率概念的教學(xué)中,會涉及燈泡的亮度由何電學(xué)量決定.由于在串聯(lián)電路教學(xué)中,已知通過兩燈泡的電流相等,通過觀察燈泡亮度判斷較亮的電壓較大,導(dǎo)致學(xué)生形成了燈泡的亮度由電壓決定這一錯誤的前概念.此時,教師可通過并聯(lián)電路中電壓相同而亮度不同,進(jìn)行歸謬,從而推翻燈泡的亮度由電流決定這一錯誤的前概念.同樣方式可推翻電壓決定燈泡亮度的錯誤前概念,于是就有了引入新的概念表征燈泡亮度的需要.該前概念的轉(zhuǎn)變基于教師能結(jié)合具體教學(xué)情境涉及類推和歸謬等方法,屬于PCK知識范疇.

第二,能正確辨析相似概念是理解概念的外在表現(xiàn).

由于有些概念具有相關(guān)性或相似性,極易混淆,因此能否正確辨析這些概念是是否理解概念的外在表現(xiàn).這就要求教師通過正向引導(dǎo),利用合適的方法或技術(shù)手段,強(qiáng)化概念本質(zhì)區(qū)別,利用自身所具有的知識結(jié)構(gòu)幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念的正確辨析.

例如,溫度和熱量是相關(guān)概念.前者反應(yīng)物體的冷熱程度,后者是熱傳遞過程熱的多少,是易混淆概念.在學(xué)習(xí)熱量概念之前,學(xué)生對于溫度概念已經(jīng)有了初步了解,還知道可以用溫度計(jì)對溫度進(jìn)行測量.教學(xué)過程實(shí)施流程如圖3所示.步驟1、2中體現(xiàn)了TCK知識,而步驟4中則體現(xiàn)了PCK知識.通過這一過程,學(xué)生已經(jīng)能夠正確辨析溫度和熱量這一組相關(guān)概念了.

圖3 熱量概念教學(xué)流程圖

第三,掌握概念內(nèi)涵和外延是理解概念的真正體現(xiàn).

概念是通過表象進(jìn)行抽象和概括的思維過程逐步構(gòu)建的.抽象過程是在科學(xué)表象的基礎(chǔ)上,抽取本質(zhì)要素的思維過程.這一過程決定概念內(nèi)涵.概括過程是在抽象的基礎(chǔ)上,將更多抽象過程中未涉及的科學(xué)表象的本質(zhì)要素進(jìn)行聯(lián)結(jié),并形成具有普遍性意義的思維過程.這一過程決定概念外延.掌握概念內(nèi)涵和外延是理解概念的真正體現(xiàn).教學(xué)中要摒棄純粹的概念內(nèi)涵和外延的文字表述的記憶,而是將其與教學(xué)評價這一教學(xué)法知識進(jìn)行整合,結(jié)合TPACK框架才能達(dá)到目的.

例如,在學(xué)習(xí)了力的概念之后,首先通過多種現(xiàn)象的呈示,讓學(xué)生抽象得出力的內(nèi)涵是指物體之間的相互作用,一個力涉及的物體有且只有兩個,同時力的作用是相互的.然后通過媒體等技術(shù)手段展示更多具體的力,讓學(xué)生體會力的外延涵蓋了各種空間尺度下的力,如萬有引力、彈力和分子力等.

顯然,這一過程中要求教師應(yīng)用TCK知識達(dá)成力的概念內(nèi)涵和外延的真正掌握.同時可以通過測試評價等方式對掌握情況進(jìn)行評估,屬于TPK知識.

3.4 通過遷移應(yīng)用,形式概念體系

概念教學(xué)的最終訴求是將新概念納入到原有概念體系中,從而形成新的概念體系.在新概念形成初期,它在概念體系中是孤立的,這就要求教師通過概念遷移和應(yīng)用環(huán)節(jié)達(dá)到鞏固和深化概念的作用.這一過程一般時間跨度較長,大致可分為領(lǐng)會、運(yùn)用、完善和擴(kuò)展4個階段[4].這也要求教師必須要具備完整的知識結(jié)構(gòu)體系,能合理和靈活的整合三類核心知識,促使學(xué)生有效遷移和應(yīng)用概念,從而形成新的概念體系.

例如,在建立了浮力的概念之后,教師利用港珠澳大橋建造過程中涉及的利用空心沉管進(jìn)行海底隧道鋪設(shè)的實(shí)例.介紹其過程為先將沉管兩端密封,然后讓其漂浮在海面上,再用船將密封沉管拖到預(yù)定海面上,最后向其內(nèi)部灌水使之沉入海底.讓學(xué)生利用浮力概念的相關(guān)知識解決“沉管漂浮在海面上所受浮力的情況?”“沉管灌水下沉過程中浮力如何變化?”等問題,解釋“當(dāng)沉管沉到海底并埋入海底后,將水抽空也不會上浮”的現(xiàn)象.這一過程中,實(shí)現(xiàn)浮力概念的有效遷移和應(yīng)用.教師靈活的整合了沉管應(yīng)用這一技術(shù)知識和浮力的學(xué)科知識,體現(xiàn)了教師所具備的TCK知識.

4 TPACK框架下概念教學(xué)模型構(gòu)建

在概念教學(xué)實(shí)施過程中,各種知識的應(yīng)用不是固定的,TPACK框架下進(jìn)行概念教學(xué)三維模型如圖4所示.

圖4 TPACK框架下概念教學(xué)三維模型圖

(1) 學(xué)生維度表現(xiàn)為依次習(xí)得概念中的三類知識,并將其納入原有知識體系,是表征概念教學(xué)是否有效的維度.教師維度表現(xiàn)為教師整合知識能力的強(qiáng)弱,在概念教學(xué)中應(yīng)用何種知識應(yīng)境而異.內(nèi)容維度表現(xiàn)為結(jié)合概念教學(xué)的一般過程,在不同階段對應(yīng)的概念相關(guān)知識內(nèi)容.

(2) 概念教學(xué)過程是教師知識的隱性表征轉(zhuǎn)化為內(nèi)容知識的顯性表征再轉(zhuǎn)化學(xué)生知識的隱性表征過程.而其轉(zhuǎn)化的程度又影響到教學(xué)情境的變化,同時教學(xué)情境還受學(xué)生和內(nèi)容兩個因素的共同影響,教師根據(jù)教學(xué)情境的變化,結(jié)合學(xué)生反饋,靈活調(diào)整或整合自身知識結(jié)構(gòu),不斷實(shí)現(xiàn)知識間動態(tài)平衡,這也是TPACK本質(zhì)內(nèi)涵所在[5].

總之,有效教學(xué)過程是教師整合學(xué)科知識、教學(xué)法知識和技術(shù)知識,并與學(xué)生進(jìn)行有效互動,相互促進(jìn)和提升的過程.在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天,教師具備TPACK知識框架是教學(xué)所需,是教師自身發(fā)展所需,更是課程目標(biāo)達(dá)成所需.結(jié)合TPACK框架進(jìn)行概念教學(xué),使學(xué)生有效習(xí)得概念,并將其作為思維的基礎(chǔ)和起點(diǎn),進(jìn)一步體認(rèn)科學(xué)本質(zhì),提高科學(xué)素養(yǎng),達(dá)成物理教學(xué)目的.