基于TPACK指向科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)模型構(gòu)建
——以“地球的形狀”為例

阮慶元 梁榮君

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

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]關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)，在理論層面主要研究其包含的內(nèi)容，將其視為三個維度即“作為知識體系的科學(xué)(科學(xué)知識)”、“作為探究活動的科學(xué)(科學(xué)研究)”和“作為人類事業(yè)的科學(xué)(科學(xué)事業(yè))”的觀點較為突出，稱之為“三維框架”.[2，3]在實踐層面主要研究科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的途徑，其中將科學(xué)史哲融入科學(xué)課堂與教學(xué)之中的“融合模式”，具有很好的教育功能.

教學(xué)過程是學(xué)生、教學(xué)材料和教師發(fā)生相互作用的動態(tài)過程.[4]教學(xué)過程傳遞的是知識，知識是能力、品質(zhì)等素養(yǎng)的載體.知識在教師和學(xué)生內(nèi)部以隱性表征的形式存在，科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容中的相關(guān)條目則是關(guān)于科學(xué)本質(zhì)知識的顯性表征，因此，科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)應(yīng)表現(xiàn)為以教師的知識為基礎(chǔ)，結(jié)合科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容顯化為可傳授的知識，并在學(xué)生中形成關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的知識體系.

1 橫向分層：科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的基礎(chǔ)、關(guān)鍵和目的

1.1 教師知識：科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的基礎(chǔ)

教師是教學(xué)的主導(dǎo).教師自身的知識結(jié)構(gòu)承載了教師關(guān)于學(xué)科內(nèi)容的相關(guān)觀念，因此在科學(xué)本質(zhì)教學(xué)中，教師具有的、與教學(xué)內(nèi)容相符的、并與科學(xué)本質(zhì)相關(guān)的知識就成為了科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的主要載體和基礎(chǔ).隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于教師知識結(jié)構(gòu)的框架主要有TPACK框架，其框架提出教師應(yīng)具備的3大核心知識為學(xué)科知識(CK)、教學(xué)法知識(PK)、技術(shù)知識(TK).[5]如表1為“地球的形狀”[6]一課中教師所應(yīng)具備的核心知識一覽.

表1 核心知識一覽表

1.2 條目確立：科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的關(guān)鍵

教學(xué)材料作為教學(xué)中介是指教學(xué)的內(nèi)容.就科學(xué)本質(zhì)教學(xué)而言，顯性的材料是指教材中的內(nèi)容，而隱性的材料則是指隱藏于教材內(nèi)容背后的關(guān)于科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容的共識，“三維框架”是形式之一.“地球的形狀”一課中關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的三維框架如表2所示.由于教學(xué)內(nèi)容所限，該一覽表中只涉及科學(xué)本質(zhì)中的部分條目，整合教學(xué)目標(biāo)，可提煉出教學(xué)材料中的重要條目為科學(xué)知識維度的暫時性、科學(xué)研究維度的實證性與批判性和科學(xué)事業(yè)維度的科學(xué)精神和態(tài)度，稱為該節(jié)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的核心條目.

表2 科學(xué)本質(zhì)的具體條目一覽表

1.3 學(xué)生知識：科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的目的

學(xué)生是教學(xué)的主體.教學(xué)的有效性體現(xiàn)在學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變上，因此，科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的目的所在就是學(xué)生習(xí)得科學(xué)本質(zhì)的相關(guān)知識內(nèi)容，并將其納入原有知識體系.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.[7]3類知識具有遞進(jìn)性，“地球的形狀”教學(xué)中，學(xué)生知識如表3所示.

表3 學(xué)生知識一覽表

2 縱向聯(lián)結(jié)：科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的基本途徑

關(guān)于科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的途徑，分為內(nèi)隱途徑和外顯途徑.內(nèi)隱途徑是指在教學(xué)過程中將科學(xué)本質(zhì)的相關(guān)觀念嵌入科學(xué)探究等活動中，讓學(xué)生間接體會；外顯途徑是指將科學(xué)史哲融入到科學(xué)教學(xué)中，讓學(xué)生直接體會，稱為“融入模式”.[2]將科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的途徑歸納為上述兩種途徑有較強的實踐意義和教育功能，但教學(xué)過程應(yīng)拓展“內(nèi)容”到“教師”和“學(xué)生”，因此可拓展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的基本途徑.

根據(jù)上述論述，教師知識、學(xué)生知識和科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容中的條目均由子要素構(gòu)成，根據(jù)其相關(guān)性進(jìn)行縱向聯(lián)結(jié)，可將科學(xué)本質(zhì)教學(xué)拓展并歸納為3種基本途徑，即“學(xué)科知識—科學(xué)知識—內(nèi)容性知識”、“教學(xué)法知識—科學(xué)研究—程序性知識”和“技術(shù)知識—科學(xué)事業(yè)—認(rèn)知性知識”.

2.1 學(xué)科知識—科學(xué)知識—內(nèi)容性知識

就科學(xué)學(xué)科教學(xué)而言科學(xué)知識是學(xué)科知識的一種表現(xiàn)，因此將教師具備的學(xué)科知識和科學(xué)本質(zhì)中科學(xué)知識維度作為基本途徑是合理的.就學(xué)生習(xí)得的知識而言，作為學(xué)科知識的科學(xué)知識對應(yīng)的科學(xué)本質(zhì)條目可視為內(nèi)容性知識的重要來源.

案例1.在學(xué)生建立了地球的形狀是球體的觀點后，為了更精確地描述地球的形狀，通過定量研究展示地球的赤道半徑、極半徑和平均半徑的相關(guān)數(shù)據(jù).教師要求學(xué)生討論：“地球的形狀是球體嗎？”學(xué)生討論并表達(dá)不同觀點：“因為球體應(yīng)該各處半徑都相等，而這個數(shù)據(jù)顯示極半徑和赤道半徑不同，所以不是球體.”“因為盡管極半徑和赤道半徑不相等，但相差很少，所以可以認(rèn)為是球體.”教師追問：“21 km大概是從學(xué)校到城區(qū)的距離，很少嗎？”學(xué)生回答：“相對于地球平均半徑而言，21 km很短.”教師進(jìn)一步追問：“能用數(shù)學(xué)的方法表示21 km相對于地球平均半徑6371 km很短嗎？”教師提示用百分比表示，并讓學(xué)生進(jìn)行計算，具體途徑如圖1所示.

圖1

2.2 教學(xué)法知識—科學(xué)研究—程序性知識

就科學(xué)學(xué)科特點而言，教師所具有教學(xué)法知識除了通用的教學(xué)法知識外，專用的教學(xué)法知識主要是科學(xué)方法的知識，包括科學(xué)研究過程中涉及的方法，因此教師具備的教學(xué)法知識指向的是科學(xué)本質(zhì)維度中的科學(xué)研究維度.而進(jìn)行科學(xué)研究，或科學(xué)實驗是學(xué)生習(xí)得怎么形成相關(guān)知識即程序性知識的重要途徑.

圖2 平面模擬實驗圖

案例2.根據(jù)“平靜的水面，廣袤的草原”，人們認(rèn)為地球是平面的.隨著人們活動范圍的增加，觀察到帆船離岸而去的現(xiàn)象.面對新現(xiàn)象人們試圖利用已有的科學(xué)知識對其進(jìn)行解釋.學(xué)生采用水面是平面這一原有模型解釋這一現(xiàn)象.每4人一組進(jìn)行模擬實驗.如圖2所示，利用平整的泡沫模型模擬平坦的海面，鉛筆的筆尖模擬帆船的船身，筆尾模擬帆船的桅桿.觀察的實驗結(jié)果與事實不符，說明海面是平的這一結(jié)論是錯誤的.教師引導(dǎo)利用其他模型模擬海面，讓觀察到的現(xiàn)象與海岸觀船中出現(xiàn)的事實相符.各小組進(jìn)行模擬實驗并在實驗完成后進(jìn)行匯報，分別選擇斜面、圓柱體、半球體、球體和橄欖球模擬海面，觀察到了和實際相符的現(xiàn)象.結(jié)合真實的帆船向各個方向航行都可以觀察到類似情況，排除斜面和圓柱體兩種模型，確證球體和橄欖球兩種模型，具體途徑如圖3所示.

圖3

2.3 技術(shù)知識—科學(xué)事業(yè)—認(rèn)知性知識

科學(xué)事業(yè)依托于科學(xué)技術(shù)，同時技術(shù)也可以解釋知識應(yīng)何而來，因此，教師具備的技術(shù)知識、科學(xué)本質(zhì)中的科學(xué)事業(yè)維度和學(xué)生習(xí)得的認(rèn)知性知識就構(gòu)成了科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的基本途徑.

圖4 模擬月食實驗圖

案例3.結(jié)合科學(xué)史可知“月食”可作為地球形狀是球體的證據(jù).但學(xué)生不知道為什么可以作為證據(jù).教師如圖4進(jìn)行模擬實驗，屏幕上亮圓模擬月亮，分別在鏡頭和亮圓之間的合適位置多次改變圓柱體、橄欖球或球體的方位模擬地球，觀察實驗現(xiàn)象.當(dāng)利用球體時發(fā)現(xiàn)多次實驗結(jié)果其陰影邊緣都是圓弧形的，當(dāng)利用圓柱體時發(fā)現(xiàn)其中一次得到的圓弧形，當(dāng)利用橄欖球形發(fā)現(xiàn)不能得到圓弧形.結(jié)合人們多次觀察到月食邊緣都是圓弧形的，得出地球形狀模型是球體最合理，具體途徑如圖5所示.

圖5

顯然，這3種途徑并非獨立的，而是交叉的.就教師知識結(jié)構(gòu)而言，在案例1中學(xué)科知識整合了教學(xué)策略等教學(xué)法知識即PCK知識；在案例2中教學(xué)法知識整合了靈活運用模型這一技術(shù)知識即TPK知識；在案例3中技術(shù)知識整合了教學(xué)法和學(xué)科知識即TPACK知識，因此在具體教學(xué)情境中，教師所應(yīng)用的知識結(jié)構(gòu)不是獨立的，而是靈活整合3大核心知識形成PCK、TCK、TPK、TPACK等復(fù)合性知識進(jìn)行教學(xué)，這亦是教師TPACK知識框架的內(nèi)涵所在.[8]

就科學(xué)本質(zhì)條目而言，案例1中“通過定量測定的方式得出的地球半徑的數(shù)據(jù)是最直接的定量證據(jù)”體現(xiàn)實證性、“地球半徑數(shù)據(jù)的測得依托于科學(xué)技術(shù)的支持”體現(xiàn)科學(xué)、社會和技術(shù)的關(guān)系；案例2中“ 通過對平靜水面這一現(xiàn)象的分析，有些得出地球的形狀是平面，有些認(rèn)為該現(xiàn)象不可靠”是科學(xué)知識維度中主觀性的體現(xiàn)；案例3中“月食內(nèi)側(cè)邊緣的形狀可以作為地球形狀是球體的證據(jù)”是實證性的體現(xiàn).

就學(xué)生習(xí)得知識而言，案例1中包括了“地球的形狀為什么不是正球體”這一認(rèn)知性知識；案例2中包括了“地球的形狀是球體或橄欖球形狀，非平面或斜面”是內(nèi)容性知識；案例3中包括了“月食是地球的形狀是球體的證據(jù)”是內(nèi)容性知識.

3 縱橫成體：科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的四面體模型

圖6 四面體模型

教學(xué)過程是復(fù)雜的，簡單的縱向聯(lián)結(jié)不能說明科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的復(fù)雜性和系統(tǒng)性，因此，必須視其為系統(tǒng)，縱橫成體，構(gòu)建起指向科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)模型如圖6所示，稱其為四面體模型.

3.1 四面體模型的邏輯架構(gòu)

橫向而言,模型從下往上分為3層，分別為教師層，內(nèi)容層和學(xué)生層.教師層是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的基礎(chǔ)，其內(nèi)部表示教學(xué)情境，其中整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識(TPACK)位于該層的中心位置.內(nèi)容層中具體條目的確定則是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的關(guān)鍵，其內(nèi)部表示由教學(xué)內(nèi)容所確定的關(guān)于科學(xué)本質(zhì)條目的具體范疇，其中心位置是核心條目.學(xué)生層則是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的最終目的，頂點是指向科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成.

縱向而言,由3條線構(gòu)成3個面，反應(yīng)了從教師層向內(nèi)容層和學(xué)生層的過渡，實則是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的途徑體現(xiàn).真實的教學(xué)情境是錯綜復(fù)雜的，因此其教學(xué)途徑也是復(fù)雜多變的，結(jié)合知識的顯性和隱性特征，模型的可視面反應(yīng)外顯途徑，不可視面反應(yīng)內(nèi)隱途徑.

整體而言，作為主導(dǎo)地位的教師知識勢必比學(xué)生習(xí)得的知識包括的范疇更廣，教師將已達(dá)成共識的關(guān)于科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容的知識轉(zhuǎn)化為顯性的知識表征，將其中核心的部分傳遞給學(xué)生，學(xué)生再內(nèi)化為自身關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的隱性知識，實現(xiàn)指向科學(xué)本質(zhì)教學(xué)之目的.同時，教學(xué)過程是在有限時空內(nèi)發(fā)生的動態(tài)變化過程，因此教學(xué)情境應(yīng)包含于教師、教學(xué)材料和學(xué)生根據(jù)真實情境所形成的時空范疇之內(nèi)，即四面體所內(nèi)含的范圍.整體的教學(xué)情境又反饋于教師層，使教師靈活整合各類知識，再次體現(xiàn)TPACK的內(nèi)涵所在.[8]

3.2 四面體模型的實踐意義

(1) 指向科學(xué)本質(zhì)教學(xué)“教什么”.根據(jù)科學(xué)本質(zhì)具體條目，確定教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容；并確定“TPACK—核心條目—科學(xué)本質(zhì)”教學(xué)主線，有利于合理的把握教學(xué)目標(biāo)和重難點.

(2) 指向科學(xué)本質(zhì)教學(xué)“怎么教”.通過模型厘清教師、學(xué)生以及教學(xué)材料的邏輯關(guān)系.形象反應(yīng)了科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的途徑，使科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的途徑具有普遍性.根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容確定不同途徑，實現(xiàn)教學(xué)難點的突破和重點的落實.

(3) 指向科學(xué)本質(zhì)教學(xué)“為什么教”和“教的怎么樣”.利用模型中“內(nèi)容性知識”“程序性知識”和“認(rèn)知性知識”對應(yīng)點所處位置反應(yīng)遞進(jìn)性，可通過評判學(xué)生習(xí)得何種知識及與“科學(xué)本質(zhì)”對應(yīng)點的距離表征學(xué)習(xí)效果，從而評價教學(xué)效果.

總之，科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)是科學(xué)教學(xué)的應(yīng)有之義.在厘清教學(xué)材料中關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容之后，以教師知識結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過具有指向性的教學(xué)途徑，實現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的目的.以基于TPACK指向科學(xué)本質(zhì)的四面體模型為依據(jù)，分析具體課例的教學(xué)內(nèi)涵，為科學(xué)教學(xué)提供參考.