結合TPACK框架實施物理概念教學及其模型構建

梁榮君 阮慶元

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

初中科學課程是以對科學本質的認識為基礎、以提高學生科學素養為宗旨的綜合課程.[1]科學課程整合物理課程內容.教學過程是教師、教學內容和學生的有機融合過程.教師的知識結構直接影響學生的學習效果.物理概念是科學知識的主要組成部分,因此,教師所具備的知識結構對于提高概念教學的有效性起關鍵作用.

1 TPACK及其相關要素

TPACK是在PCK(學科教學知識)基礎上,提出的整合技術的學科教學知識的教師知識結構框架.其框架包括了教師的三大核心知識(學科知識CK、教學法知識PK、技術知識TK)和四種復合知識(整合學科教學知識PCK、整合技術的學科知識TCK、整合技術的教學法知識TPK、整合技術的學科教學法知識TPACK)[2].

2 概念教學中師生知識結構解讀

教師在概念教學中具備的三大核心知識如表1所示.

表1 概念教學中教師三大核心知識一覽表

學生在概念教學中習得知識形成自身的知識結構.PISA2015測試框架中認為學生的知識結構包括內容性知識,程序性知識和認知性知識.[3]三類知識具有遞進性,概念教學的有效性體現在依次習得內容性知識,程序性知識和認知性知識的過程中.在概念教學中,三類知識如表2所示.

表2 概念教學中學生三類知識一覽表

綜上,概念教學中,教師具備的三大核心知識與學生的三類知識是相互交叉的.教師若只具備學科知識只能給予學生內容性知識,只有具備了教學法和技術知識,才能給予學生程序性和認知性知識,當然教學法和技術知識中也會涉及到內容性知識.概念教學中師生之間的知識結構具有對應的關系如圖1所示.在概念教學中教師若將三大核心知識進行孤立會導致學生不能有效習得概念,因此,必須將三大核心知識進行有效整合即基于TPACK才能進行概念有效教學.

圖1 師生知識結構關系圖

3 概念教學中TPACK的應用途徑

概念教學的一般過程表現為創設情境、建構概念、理解概念和遷移應用4個階段[4],物理概念教學中TPACK的應用途徑框架如圖2所示.具體表現為以下幾個方面.

圖2 TPACK應用途徑框架圖

3.1 創設清晰情境,建立科學表象

創設情境,建立表象是概念教學的初始階段.創設情境的目的在于讓學生在感知現象的基礎上,建立科學表象,從而實現概念的建構.在教學實踐中,有些教師認為某些現象是理所當然的,混淆科學現象和科學表象,于是就選擇了用簡單語言描述來進行情境創設,導致學生不能清晰的建立科學表象.因此,很多科學表象的建立要依托技術手段.

例如,在沸騰概念的教學中,生活中沸騰現象由于時間短且比較劇烈,學生無法清晰的感知該現象,從而無法正確建立表象.教師可以利用熱電偶數顯溫度傳感器來直接顯示沸騰過程中的溫度變化,利用視頻慢放技術通過同屏展示沸騰前后的氣泡變化情況,有利于學生建立個別液體的沸騰表象,從而擴展到一般液體的沸騰表象.這一過程教師應具備TCK知識.在學生記錄下了溫度數值之后,讓學生通過作圖的方式建立沸騰過程溫度——時間圖像,變不連續的點溫度為連續時間內的溫度變化情況,建立符合事實的連續性時間內的科學表象.也可以利用FLASH動畫顯示連續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,初步構建概念

在建立科學表象的基礎上,通過抽象、概括和推理的思維過程,初步構建概念.然而,有些教師不重視這一思維過程,導致學生根本無法構建起科學的概念,或者學生只是記住了這一概念,但根本沒有理解,學生知識結構只停留在內容性知識層面.這就要求教師應結合TPACK框架進行構建概念的教學,也有利于學生習得程序性知識和認知性知識.

例如,在比熱概念的構建中,首先利用對照實驗的方法,具體采用手機投屏技術將不同物質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.然后教師通過設置問題“不同物質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驗現象進行提問,將“吸收熱量相同,升高溫度不同”轉變“升高相同溫度,吸收熱量不同”,是思維轉變的體現,要求教師應具備PCK知識.最后,讓學生通過具體實驗中的物質,抽象出其他物質也應具有“升高相同溫度,吸收熱量不同”的特點,進而概括出物質的普遍性特征即不同物質容納熱量的能力一般不同,從而構建起比熱的概念.在該概念建構的教學過程中,學生也習得了比熱概念相關的程序性知識和認知性知識.

3.3 進行深度分析,促進概念理解

促進學生對概念的理解是概念教學的核心.主要表現為前概念轉變,相似概念辨析和掌握概念內涵和外延.對概念進行深度分析,是促進概念理解的途徑.

第一,實現前概念向科學概念的轉變是理解概念的關鍵所在.

前概念具有頑固性,因此在教學實踐中,教師應具備足夠豐盈的知識結構,有效引發學生的認知沖突,才能實現概念的有效轉變.

例如,在電功率概念的教學中,會涉及燈泡的亮度由何電學量決定.由于在串聯電路教學中,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,導致學生形成了燈泡的亮度由電壓決定這一錯誤的前概念.此時,教師可通過并聯電路中電壓相同而亮度不同,進行歸謬,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.該前概念的轉變基于教師能結合具體教學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.

由于有些概念具有相關性或相似性,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.這就要求教師通過正向引導,利用合適的方法或技術手段,強化概念本質區別,利用自身所具有的知識結構幫助學生實現概念的正確辨析.

例如,溫度和熱量是相關概念.前者反應物體的冷熱程度,后者是熱傳遞過程熱的多少,是易混淆概念.在學習熱量概念之前,學生對于溫度概念已經有了初步了解,還知道可以用溫度計對溫度進行測量.教學過程實施流程如圖3所示.步驟1、2中體現了TCK知識,而步驟4中則體現了PCK知識.通過這一過程,學生已經能夠正確辨析溫度和熱量這一組相關概念了.

圖3 熱量概念教學流程圖

第三,掌握概念內涵和外延是理解概念的真正體現.

概念是通過表象進行抽象和概括的思維過程逐步構建的.抽象過程是在科學表象的基礎上,抽取本質要素的思維過程.這一過程決定概念內涵.概括過程是在抽象的基礎上,將更多抽象過程中未涉及的科學表象的本質要素進行聯結,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.掌握概念內涵和外延是理解概念的真正體現.教學中要摒棄純粹的概念內涵和外延的文字表述的記憶,而是將其與教學評價這一教學法知識進行整合,結合TPACK框架才能達到目的.

例如,在學習了力的概念之后,首先通過多種現象的呈示,讓學生抽象得出力的內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手段展示更多具體的力,讓學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用TCK知識達成力的概念內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行評估,屬于TPK知識.

3.4 通過遷移應用,形式概念體系

概念教學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用環節達到鞏固和深化概念的作用.這一過程一般時間跨度較長,大致可分為領會、運用、完善和擴展4個階段[4].這也要求教師必須要具備完整的知識結構體系,能合理和靈活的整合三類核心知識,促使學生有效遷移和應用概念,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行海底隧道鋪設的實例.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定海面上,最后向其內部灌水使之沉入海底.讓學生利用浮力概念的相關知識解決“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“當沉管沉到海底并埋入海底后,將水抽空也不會上浮”的現象.這一過程中,實現浮力概念的有效遷移和應用.教師靈活的整合了沉管應用這一技術知識和浮力的學科知識,體現了教師所具備的TCK知識.

4 TPACK框架下概念教學模型構建

在概念教學實施過程中,各種知識的應用不是固定的,TPACK框架下進行概念教學三維模型如圖4所示.

圖4 TPACK框架下概念教學三維模型圖

(1) 學生維度表現為依次習得概念中的三類知識,并將其納入原有知識體系,是表征概念教學是否有效的維度.教師維度表現為教師整合知識能力的強弱,在概念教學中應用何種知識應境而異.內容維度表現為結合概念教學的一般過程,在不同階段對應的概念相關知識內容.

(2) 概念教學過程是教師知識的隱性表征轉化為內容知識的顯性表征再轉化學生知識的隱性表征過程.而其轉化的程度又影響到教學情境的變化,同時教學情境還受學生和內容兩個因素的共同影響,教師根據教學情境的變化,結合學生反饋,靈活調整或整合自身知識結構,不斷實現知識間動態平衡,這也是TPACK本質內涵所在[5].

總之,有效教學過程是教師整合學科知識、教學法知識和技術知識,并與學生進行有效互動,相互促進和提升的過程.在科學技術高度發展的今天,教師具備TPACK知識框架是教學所需,是教師自身發展所需,更是課程目標達成所需.結合TPACK框架進行概念教學,使學生有效習得概念,并將其作為思維的基礎和起點,進一步體認科學本質,提高科學素養,達成物理教學目的.