基于TPACK框架下的電解質(zhì)概念教學研究

尤蕾蕾

摘要： 通過構(gòu)建教學模型，探查學生電解質(zhì)概念認知情況，進行基于TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學研究。以“離子反應”一課的實踐為例，證明TPACK教學框架能幫助課堂有效地利用各種信息技術(shù)和數(shù)字化手段，讓概念教學更加生動、高效。

關(guān)鍵詞： TPACK框架; 電解質(zhì)概念; 離子反應; 化學教學

文章編號： 10056629（2018）12004506中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

隨著信息技術(shù)與課程整合的理念不斷深入[1～3]，DIS數(shù)字實驗技術(shù)、手寫平板無線投影、微視頻等數(shù)字化手段在課堂上的使用讓教學越發(fā)多元。將信息技術(shù)與課堂教學緊密結(jié)合來有效提高課堂效率才是關(guān)鍵所在。Mishra和Koehler于2006年提出的TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge）理論框架為信息化技術(shù)整合課堂教學提供了理論指導。

1?TPACK知識框架

TPACK指將信息技術(shù)整合于課堂教學的知識綜合體。它植根于三個核心成分，即技術(shù)知識（Technological Knowledge， TK）、教學法知識（Pedagogical Knowledge， PK）、學科知識（Content Knowledge， CK）。同時，它們交叉融合形成TPACK的另外四個衍生成分，即PCK、 TPK、 TCK與TPACK（見圖1）。TPACK是將原有PCK知識（學科教學法知識）與信息化技術(shù)進行交叉融合。TPACK從學科知識、技術(shù)知識和教學法知識三者之間動態(tài)整合來分析教師在教學過程中利用技術(shù)進行教學的知識[4， 5]。

2?ICTTPACK模型

ICTTPACK由TPACK理論發(fā)展而來，立足于學生主體，加入了學習者知識（Knowledge of Learners）和情境知識（Knowledge of Context），其中包含教室環(huán)境、學習者的認知能力、教學目標等。ICTTPACK模型由ICT （Information and Communication Technologies）、教學法（Pedagogy）、內(nèi)容（Content）、學習者（Learners）、境脈（Context）五個元素復合而成[6～9]。結(jié)合ICTTPACK模型中的技術(shù)映射，本研究提出了TPACK框架下化學教學的研究模型（見圖2）。

以TPACK框架為理論基礎，設計者需要了解學習對象的認知能力和水平，分析學習者的學習困難，掌握學習者的學習需求，并利用技術(shù)整合設計有利于學習者學習教學內(nèi)容的方式，從而加強學習者對知識內(nèi)容的理解，促進學習者整體發(fā)展。本模型共包含分析、整合、實施評價三個階段。

分析階段要從學生認知和化學知識兩個角度對教學內(nèi)容進行分析梳理，通過探查學生相關(guān)概念和認知水平，并根據(jù)已有化學知識進行分析，提煉出相關(guān)主題并設計出相應知識點。

整合階段是教學設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)上述已分析的學生認知，教師進行CK、 PK和TK分析后，進行整合去解決教學難點。在整合階段，TPACK框架中的單一元素都會發(fā)生相對性的變化，需要根據(jù)前階段分析結(jié)果進行TCK、 TPK分析后，進一步分析解決教學重點和難點的最佳技術(shù)方案，從而實現(xiàn)化學學科知識的有效呈現(xiàn)，形成針對學生問題情境的解決方案，最終整合成TPACK框架體系。

實施評價階段是一個完整的教學設計必不可少的環(huán)節(jié)，它的主要作用在于根據(jù)教學設計實施情況對分析階段、整合階段進行反饋，從而為教師提供調(diào)整教學的可靠依據(jù)。基于TPACK框架下的教學模型需要通過學生成績分析進行反饋評價。

3?基于TPACK框架下的電解質(zhì)概念教學重構(gòu)

選擇電解質(zhì)概念教學進行基于TPACK框架下的教學研究。電解質(zhì)相關(guān)概念涉及元素化合物的分類、元素守恒、化學平衡、電化學基礎、離子方程式、溶液酸堿性、化學計算等方面。重構(gòu)TPACK框架下的電解質(zhì)概念首先需要探查學生認知，通過對學生“電解質(zhì)概念”的相異構(gòu)想的探查了解學生對“電解質(zhì)概念”的理解情況。

3.1?探查學生電解質(zhì)概念認知情況

本研究選擇上海市某中學高一年級6個班級共169名學生作為研究對象，實施時間在下半學期期末，學生已經(jīng)正式學習了電解質(zhì)相關(guān)概念。利用測試卷來探查學生電解質(zhì)概念相異構(gòu)想的基本情況，根據(jù)測試結(jié)果利用訪談來對學生電解質(zhì)的認知水平作進一步分析。

結(jié)果表明，學生錯誤概念主要集中于溶液的導電性、導電的微粒、電離平衡和溶解中電解質(zhì)變化的過程等，具體見表1。

筆者發(fā)現(xiàn)，大部分學生認為電解質(zhì)“概念繁多，知識零亂，難于記憶，容易混淆”、“知識抽象，反應復雜”和“化學平衡知識不過關(guān)”。如果學習者對概念沒有明確掌握，理解不清晰，就會造成對電解質(zhì)概念體系的混亂。

另外，電解質(zhì)概念過于抽象，特別是造成學生認知困難的“溶液的導電性”、“電離平衡”和“溶解中電解質(zhì)變化的過程”這三個知識點。學生在訪談中表示，因為這三個概念以理論分析為主，不能直觀反映出溶液中的具體情況，造成學生理解困難。

而筆者也從測試和訪談中歸納出如下的認知問題：

（1） 電解質(zhì)概念與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系不清晰。從物質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，化合物根據(jù)化學鍵的類型可以分成離子化合物和共價化合物;從電解質(zhì)而言，化合物依能否在熔融狀態(tài)或水溶液狀態(tài)導電，可以分為電解質(zhì)和非電解質(zhì)。這四組概念相互交錯，容易引發(fā)學生的理解錯誤，導致了如“酸不能導電”、“水不能導電”和“熔融狀態(tài)下食鹽不能導電”等相異構(gòu)想。

（2） 導電微粒概念的缺失。學生只能記住“自由移動的離子能導電”，但是對于自由移動的離子概念不清晰。形成了如下三方面的影響： ①學生不能理解為什么溶液中許多物質(zhì)以離子形式存在。他們認為離子之間應該發(fā)生反應重新生成相應的物質(zhì)，如“Na+和Cl-在溶液中可以生成NaCl”等，造成離子反應理解上的困難。②學生不能理解導電性強弱與離子濃度有關(guān)。他們一直認為導電性強弱取決于強弱電解質(zhì)本身的性質(zhì)，造成了導電性強弱與強弱電解質(zhì)混淆的情況。③學生不能理解水溶液中離子的存在，因而對溶解過程中電解質(zhì)的變化也很難想象和理解。39.2%的學生只能從高一上半學期的溶解過程中的能量變化來分析溶解過程。

（3） 化學平衡概念掌握不足。化學平衡概念掌握不足使得學生在學習電離平衡、水解平衡上存在困難。對平衡的建立，許多學生忽視了弱電解質(zhì)存在電離平衡，有弱離子的鹽溶液才存在水解平衡。平衡的抽象性也增加了學生的學習難度，如稀釋溶液后電離程度的變化就是學生易于混淆的問題。

3.2?TPACK框架下教師知識梳理

基于學生的認知情況需對電解質(zhì)概念教學在TPACK框架下進行重新構(gòu)建。梳理了兩方面的技術(shù)知識： 一是DIS化學實驗，二是課堂上使用的實時反饋軟件、電子白板和翻轉(zhuǎn)課堂的錄播軟件等。

選擇學生相異構(gòu)想集中的“溶液導電性”來進行設計，具體流程： （1）從PK、 CK角度分析學生情況，選定相應教學的主題和相應的教法、解析教學主題的具體知識點以及具體教學呈現(xiàn)形式。（2）從TCK的角度選擇適用的教學技術(shù)來改變內(nèi)容呈現(xiàn)方式，從TPK的角度思考使用該技術(shù)后，教學如何改變，選用何種教學策略，如何發(fā)揮技術(shù)的優(yōu)勢以促進學生的學習與理解。（3）綜合TCK和PCK這2種角度，最終將開發(fā)好的TPACK教學案例用于課堂實踐（見表2）。

“溶液的導電性”主題下內(nèi)容的選擇是基于探查學生電解質(zhì)概念中發(fā)現(xiàn)導電性概念3個問題： （1）導電微粒的探究，（2）導電性強弱的比較，（3）反應過程中導電性的變化。其中根據(jù)課程標準、教材、教學目標等，分析其中的內(nèi)容主題分別對應： （1）電解質(zhì)與非電解質(zhì)以及電解質(zhì)的電離，（2）強電解質(zhì)與弱電解質(zhì)，（3）研究電解質(zhì)在溶液中的化學反應。根據(jù)具體的主題對每個內(nèi)容再分成相應的知識點。

從教學法的選擇上，基于電解質(zhì)概念的抽象性，希望通過學生實驗和研究來進行教學，最終選擇體驗式學習來進行教學。“體驗式學習”是由David Kolb根據(jù)經(jīng)驗構(gòu)建的體驗式學習模型，用4個節(jié)點建立起了4階段理論模型： 具體體驗、觀察與反思、抽象概念的形成以及在新情境中檢驗概念的意義。體驗式學習強調(diào)學習者在學習過程中的體驗，并在經(jīng)驗中總結(jié)和反思，使得學習者在體驗的過程中獲得成長性發(fā)展[10]。

4?TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學實踐

選擇上海化學高一年級第二學期“7.2研究電解質(zhì)在溶液中的化學反應”這一教學內(nèi)容進行相應的設計，教材中主要包括： 離子反應、離子反應的意義和離子方程式的書寫三個主要的知

識點。

4.1?教學設計

離子反應對于學生而言很抽象，基于TPACK框架下電解質(zhì)概念的分析后，本研究圍繞“研究電解質(zhì)在溶液中的化學反應”而展開，依據(jù)表2中TPACK框架下主題的分析，以體驗式學習的教學法，開展TCK分析，通過3個遞進的DIS實驗設計來推進問題解決，以達到教學目的。具體見表3。

TCK聚焦于探究實驗的設計，具體教學設計中展現(xiàn)了PCK和TPK的相關(guān)設計，具體見圖3。

4.2?教學過程

4.2.1?知識回顧： 微視頻引入課題，做好鋪墊

[視頻]同濃度鹽酸和醋酸導電能力的對比（DIS電導率探頭）。

設計意圖： 電解質(zhì)電導率相關(guān)實驗視頻（TCK）已經(jīng)在課前上傳到教學云平臺（TPK），學生通過云平臺進行電解質(zhì)相關(guān)知識復習。課上首先進行實驗微視頻中通過同濃度鹽酸和醋酸導電能力的對比，回顧強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的知識點。然后引導學生從微粒的角度分析問題，幫助學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，從離子角度研究反應的本質(zhì)。導電性實驗也將微觀粒子存在具象表現(xiàn)出來，讓學生感受到離子存在的事實。

4.2.2?概念建構(gòu)： 實時反饋技術(shù)幫助實驗探究，flash動畫幫助微觀和宏觀對比

[思考1]現(xiàn)在向同濃度、相同體積的碳酸鈉、碳酸鉀和碳酸銨溶液中加入HCl溶液時，能發(fā)生什么反應？出現(xiàn)什么現(xiàn)象？電導率如何變化？

[學生實驗1]探究碳酸鈉、碳酸鉀和碳酸銨溶液中加入HCl溶液后電導率的變化（TCK）。

設計意圖：

（1）回顧已有化學反應知識，實時反饋學生實驗過程后，發(fā)現(xiàn)三個實驗可以觀察到有氣體生成，并且電導率出現(xiàn)明顯降低，降低的程度基本相同。

（2）通過三個實驗的比較，進一步確定在反應過程中出現(xiàn)了H+和CO2-3結(jié)合生成了二氧化碳氣體和水。通過flash動畫（TPK）討論微觀粒子的變化，幫助學生建立在這兩個反應中某些離子發(fā)生了結(jié)合，為離子反應概念及發(fā)生條件的給出埋下伏筆。

[思考2]在上述反應中哪些離子之間發(fā)生了反應？其他離子有沒有發(fā)生反應？請用化學符號表達反應情況。

設計意圖：

（1）從PCK角度激發(fā)認知沖突： 在生成二氧化碳氣體的同時，其他離子之間有沒有發(fā)生反應呢？是不是像我們初中所學習的復分解反應離子兩兩交換形成了兩種新的物質(zhì)，還是只有部分離子發(fā)生反應呢？

（2）引導學生從認知出發(fā)，從微觀的變化解釋宏觀的現(xiàn)象。在反應中，H+和CO2-3能反應體現(xiàn)在有氣體生成，通過前面的學習，實時反饋技術(shù)（TPK）幫助學生完成兩種微粒之間的反應： 2H++CO2-3H2O+CO2↑。

4.2.3?意義挖掘： 對比分析，挖掘反應本質(zhì)（DIS溫度探頭）

[學生實驗2]通過測定酸堿中和反應過程中的溫度變化探查中和反應的本質(zhì)（TCK）。

設計意圖：

（1）通過比較相同濃度下H+與OH-離子反應前后溫度變化和電導率變化，發(fā)現(xiàn)氫離子的濃度決定了溫度和電導率的變化。從而得出離子反應的概念： 離子反應是有離子參與的反應。

（2）通過學生實驗1和學生實驗2發(fā)現(xiàn)，離子反應的發(fā)生必然是電導率降低的過程，代表著離子濃度減少。讓學生得出離子反應的本質(zhì)： 離子反應是向著離子濃度減少的方向進行的。并讓學生歸納出離子濃度減少的三種情況： 生成沉淀、氣體和弱電解質(zhì)。

4.2.4?符號表征： 學習離子方程式表達（實時反饋）

[投影]離子方程式的書寫。

設計意圖： 傳統(tǒng)教學中按照“寫、拆、刪、查”四步來教授離子方程式書寫，對于學生而言僅僅是通過記憶獲得，會存在以下問題： （1）學生低效地書寫離子方程式，必須先書寫化學方程式，同時在鋁、鐵的教學中學生對于新的離子方程式的應用和書寫存在較大問題;（2）高一學生往往會受初中所學復分解條件的影響，只關(guān)注生成物的狀態(tài)而忽略了反應物;（3）在離子共存等問題中學生還經(jīng)常會出現(xiàn)“認為Na+和Cl-會反應”的情況。離子方程式的書寫不能模式化，應該從反應的本質(zhì)入手，讓學生真正理解感悟離子反應的本質(zhì)。

從反應物來分析溶液中的微粒，思考哪些微粒之間能發(fā)生反應？關(guān)注了微粒間的變化，將實際參與的離子用符號表達出來，這就是離子方程式的意義。利用實時反饋（TPK）將學生對離子反應的認識思路直接呈現(xiàn)出來，通過學生的討論歸納離子方程式的書寫要求。

[思考3]將鹽酸和碳酸鈉溶液的反應進一步拓展。將反應物中的鹽酸改為醋酸溶液、將碳酸鈉溶液改為碳酸鈣，離子方程式會如何變化？

設計意圖： 將已有的知識進行鞏固強化，并與最早的實驗視頻中的醋酸呼應，理解離子反應的本質(zhì)。

4.2.5?拓展應用： 強化離子方程式符號表征

[思考4]OH-+H+H2O還能表達哪些反應？

設計意圖： 該問題的設置突破了從物質(zhì)出發(fā)研究反應的過程，考查了學生對概念的掌握和運用。在問題思考中，學生會設計很多酸堿中和反應，筆者只需要逐一分析反應物和生成物在水溶液中的主要存在形式即可。

課后強化： 本節(jié)課后將上課相關(guān)視頻傳到教學云平臺（TPK）上供學生進行復習，并要求學生進行以下思考： （1）H2SO4溶液和Ba（OH）2溶液反應的離子方程式如何書寫？（2）向醋酸溶液中滴加少量氨水，導電能力如何變化？問題思考后反饋至云平臺。

4.3?教學實踐研究與教學反思

筆者根據(jù)高一階段測試成績作為前測，從高一年級選擇2個班級（共54人）進行教學實踐研究，所選班級的學生學習水平、學習狀況基本相當。其中一個班級為實驗組，另一個班級為控制組。筆者在實驗結(jié)束后，以自編試題為后測，來考察學生對教學內(nèi)容的掌握程度。

本實驗的自變量為TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學，實驗組采取TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學，對照組采取常規(guī)教學。干擾變量控制包括： （1）學生性別，實驗組和對照組男女生比例相當;（2）教師情況，實驗組與對照組為同一教師授課。

在前測中對學生情況進行描述統(tǒng)計、F檢驗和t檢驗。F檢驗，p=0.2015<0.05，表示方差不存在顯著性差異，再進行T檢驗（等方差假設），對應概率p=0.7912>0.05，因此在被試樣本中，這兩個樣本在0.05的水平上沒有顯著性差異，說明對照組和實驗組在進行TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學實驗前學業(yè)成績上沒有顯著性差異。

經(jīng)過教學后進行后測，對后測進行F檢驗，p=0.0430<0.05，表示有顯著性差異，再進行T檢驗（異方差假設）后，得到t統(tǒng)計量平均值為1.6779，對應概率p=0.0362<0.05，說明這兩個樣本在0.05的水平上有顯著性差異，說明實驗組在進行TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學后學業(yè)成績上要明顯高于對照組。

通過對照組和實驗組的比較，可以得出TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學能有效地提高學生成績。同時TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學有助于發(fā)揮學生的主動性，學生能更加積極地參與到課堂教學中。因此，在化學課堂中進行TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學對教師和學生都是大有裨益的。

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