基于TPACK理論的力學(xué)類課程教學(xué)新形態(tài)構(gòu)建

陳卓 周開(kāi)發(fā) 王帥

摘要：本文以新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)為指導(dǎo)思想，依托現(xiàn)代智能教育技術(shù)和教育教學(xué)理論，提出了基于TPACK理論的力學(xué)類課程教學(xué)新形態(tài)，并從“知識(shí)可視性”“回歸工程性”“迭代發(fā)展性”三大改革理念出發(fā)，圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源、教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)評(píng)價(jià)四個(gè)方面開(kāi)展了教學(xué)新形態(tài)的構(gòu)建，從而形成了一個(gè)面向新工科有效提升學(xué)生解決問(wèn)題能力的基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)模式，以期能夠?qū)π畔⒒虒W(xué)的實(shí)踐研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：混合式教學(xué);智能+;TPACK

中圖分類號(hào)：G40-057? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）11-0104-05

● 引言

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及學(xué)習(xí)分析等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在促使教育模式轉(zhuǎn)型。TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge）正是一個(gè)契合“教育”與“技術(shù)”融合的核心理念。多因素的TPACK理論模型，既反映了教育的復(fù)雜本質(zhì)，又反映了教育的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，更為教師構(gòu)架知識(shí)結(jié)構(gòu)指明了方向。因此，在信息化與學(xué)科融合過(guò)程中，引入TPACK理念，開(kāi)展教學(xué)新形態(tài)建構(gòu)很有意義。

力學(xué)類課程作為高校工科專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的基礎(chǔ)和橋梁，對(duì)學(xué)生工程觀念的培養(yǎng)、工程分析能力的強(qiáng)化和工程實(shí)踐能力的發(fā)展起著十分重要的作用。然而，在教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查研究中筆者發(fā)現(xiàn)，力學(xué)課程教學(xué)存在以下三個(gè)突出問(wèn)題：①教學(xué)內(nèi)容固化，未能與時(shí)俱進(jìn)，與新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)不相適應(yīng)。②課堂教學(xué)與考核模式單一，教學(xué)方法和手段相對(duì)滯后，未能有效融入信息化時(shí)代的背景。③缺乏對(duì)學(xué)生建模思維和抽象思維的塑造，缺乏數(shù)值仿真技能及定性分析能力的培養(yǎng)，與解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力需求不相適應(yīng)。

以上問(wèn)題的出現(xiàn)，說(shuō)明傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足新工科人才培養(yǎng)的需求。基于TPACK框架對(duì)力學(xué)類課程展開(kāi)教學(xué)形態(tài)信息化的構(gòu)建與實(shí)踐，已然成為新時(shí)代工程教育改革的重要內(nèi)容之一。

● TPACK理論

TPACK理念最初來(lái)源于Shulman教授等提出的“教學(xué)學(xué)科知識(shí)”，其認(rèn)為教師的知識(shí)涉及“學(xué)科內(nèi)容知識(shí)”（Content Knowledge，以下簡(jiǎn)稱CK）與“教學(xué)法知識(shí)”（Pedagogical Knowledge，以下簡(jiǎn)稱PK）的復(fù)雜互動(dòng)，兩種知識(shí)的有機(jī)結(jié)合形成學(xué)科教學(xué)知識(shí)（Pedagogical Content Knowledge，以下簡(jiǎn)稱PCK）。2005年，Koehler和Mishra在PCK基礎(chǔ)上通過(guò)“整合”技術(shù)知識(shí)而形成一種新的知識(shí)，即“整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)”（Technological Pedagogical Content Knowledge，簡(jiǎn)稱TPCK;后期為便于拼讀，成為T(mén)PACK），從而提出了一種整合教育技術(shù)的全新概念框架[1]，如圖1所示。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者已在TPACK的發(fā)展策略研究[2]、理論框架研究[3]、境脈因素研究[4]、測(cè)量方法研究[5]，以及TPACK實(shí)證調(diào)查研究[6][7]、TPACK在信息與通信技術(shù)課程中的應(yīng)用[3][7]等方面取得了一定成果。國(guó)內(nèi)學(xué)者在TPACK的理論綜述[8]、教師的TPACK能力培養(yǎng)[9]以及TPACK與具體課程相結(jié)合的應(yīng)用[10][11]等方面也做了相關(guān)研究。袁智強(qiáng)[12]研究了英屬哥倫比亞大學(xué)的一門(mén)在線教育碩士項(xiàng)目課程——“運(yùn)用技術(shù)教數(shù)學(xué)與科學(xué)”，解釋了TPACK概念的重要性和創(chuàng)造性，并在此基礎(chǔ)上，討論了如何將信息技術(shù)整合到教學(xué)中，如何表達(dá)乏味的知識(shí)，以及如何促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)思維的健康發(fā)展，提出了一種新的基于TPACK的數(shù)學(xué)教學(xué)模式，讓“知識(shí)-教學(xué)-技術(shù)”充分融合以促進(jìn)大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)。目前，將TPACK與具體學(xué)科相結(jié)合的研究已經(jīng)成為研究的主要方向之一，但還未見(jiàn)基于TPACK的力學(xué)類課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的研究。因此，在TPACK理論指導(dǎo)下，借鑒已有的理工類課程信息技術(shù)整合的研究，開(kāi)展對(duì)力學(xué)類課程課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施效果的深入研究，探索“教育技術(shù)”“教學(xué)法”和“力學(xué)學(xué)科內(nèi)容”的合理整合也將更具價(jià)值。

● TPACK理論下的教學(xué)改革理念

從TPACK框架下的學(xué)科知識(shí)、技術(shù)知識(shí)、教學(xué)知識(shí)三個(gè)方面出發(fā)，筆者分別提出了三大教學(xué)改革理念，即“知識(shí)可視性”“回歸工程性”“迭代發(fā)展性”，以真正實(shí)現(xiàn)從“教學(xué)為中心”向“學(xué)習(xí)為中心”的轉(zhuǎn)變。

1.知識(shí)可視性

力學(xué)課程是理論和邏輯性很強(qiáng)的學(xué)科，在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生會(huì)遇到很多力學(xué)概念闡述，以及受力分析計(jì)算、理論公式推導(dǎo)等難以理解的知識(shí)內(nèi)容，這些知識(shí)單靠教師講解，難以讓學(xué)生真正理解，而借助信息技術(shù)將這些知識(shí)的原理過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生視覺(jué)感受知識(shí)，親密接觸知識(shí)，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

2.回歸工程性

傳統(tǒng)力學(xué)課程把學(xué)生固定在“教科書(shū)”里，與人的實(shí)際生活分離，從而導(dǎo)致知識(shí)與能力的分離和脫節(jié)。在整合信息技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)基于三維可視化技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境，通過(guò)案例教學(xué)呈現(xiàn)典型工程問(wèn)題。以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，構(gòu)建學(xué)生力學(xué)思維，著重解決普遍存在的力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)化過(guò)程缺失、力學(xué)概念與實(shí)際工程關(guān)聯(lián)模糊、力學(xué)抽象概念難以理解等教學(xué)問(wèn)題，從而與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中各階段能力要求相適應(yīng)。

3.迭代發(fā)展性

在信息化環(huán)境下，技術(shù)、教學(xué)法與知識(shí)三者中任何一個(gè)要素發(fā)生變化，其他兩個(gè)要素均需適時(shí)地做出改變和補(bǔ)充，同時(shí)，信息化教學(xué)設(shè)施、學(xué)情、班級(jí)環(huán)境等具體情況也是動(dòng)態(tài)變化的。因此，在這一動(dòng)態(tài)教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)形態(tài)需要不斷地更新和迭代，以實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的共同發(fā)展。

● TPACK理論下的教學(xué)新形態(tài)構(gòu)建

筆者在TPACK理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果、典型案例分析等，以結(jié)構(gòu)力學(xué)課程為例，從以下四個(gè)方面開(kāi)展教學(xué)新形態(tài)構(gòu)建。

1.在教學(xué)內(nèi)容上，重構(gòu)課程體系

首先，結(jié)合新工科背景及結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)科知識(shí)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析。其次，從知識(shí)、能力、價(jià)值三個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)，并打破以往僅以課本內(nèi)容進(jìn)行劃分的傳統(tǒng)方式，提煉出工程人文、基本理論、現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、綜合拓展四大模塊，進(jìn)而準(zhǔn)確有效地對(duì)應(yīng)價(jià)值傳遞、知識(shí)提升、能力培養(yǎng)的三大目標(biāo)。整體課程構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.在教學(xué)資源上，引入智能科技

運(yùn)用信息技術(shù)著重打造四大類課程軟件資源，即三維動(dòng)態(tài)仿真教學(xué)視頻、工程人文教學(xué)案例庫(kù)、數(shù)值模擬分析程序包、力學(xué)游戲教學(xué)APP。其中所開(kāi)發(fā)的一系列互動(dòng)仿真程序，學(xué)生可通過(guò)調(diào)節(jié)程序的參數(shù)，用可視化的方式更直觀地理解抽象力學(xué)概念。

以三維動(dòng)態(tài)仿真教學(xué)視頻為例，傳統(tǒng)力學(xué)課程是以實(shí)際工程問(wèn)題簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型為研究對(duì)象，只對(duì)典型結(jié)構(gòu)類型開(kāi)展計(jì)算、分析，這就導(dǎo)致了學(xué)生從工程案例轉(zhuǎn)化到力學(xué)模型，即計(jì)算簡(jiǎn)圖的能力缺失，最終導(dǎo)致與實(shí)際問(wèn)題無(wú)法建立聯(lián)系，僅停留在理論模型分析的階段。因此，關(guān)于結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖來(lái)源的情境創(chuàng)設(shè)不可或缺。

筆者所在課程組基于三維仿真技術(shù)，通過(guò)典型工程案例（如圖3），提出了實(shí)際項(xiàng)目中所涉及的力學(xué)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生遵循“整體結(jié)構(gòu)—分體系—構(gòu)件”的思路進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)圖背后的工程應(yīng)用介紹及計(jì)算簡(jiǎn)圖建立的能力培養(yǎng)訓(xùn)練，如桿件、結(jié)點(diǎn)、荷載的具體簡(jiǎn)化及計(jì)算簡(jiǎn)圖選取的重要性，并進(jìn)行不同計(jì)算模型的對(duì)比取舍。同時(shí)，借助三維動(dòng)態(tài)視頻展示結(jié)構(gòu)的拼裝連接過(guò)程，并進(jìn)一步鞏固結(jié)構(gòu)的幾何組成分析過(guò)程，從而與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)布置、載荷計(jì)算、計(jì)算簡(jiǎn)圖建立各階段能力要求相適應(yīng)。

3.在教學(xué)實(shí)踐上，開(kāi)展混合模式

課程組基于建構(gòu)主義和復(fù)雜學(xué)習(xí)理論，采用了線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中，實(shí)施基于5E的TPG迭代循環(huán)教學(xué)法（如圖4）。5E分別是指引入、探究、解釋、轉(zhuǎn)化和評(píng)價(jià)。通過(guò)逐級(jí)遞進(jìn)的活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生參與，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生深入理解概念，建構(gòu)知識(shí)框架，形成科學(xué)思維。

同時(shí)，在5E教學(xué)過(guò)程中，引入TPG混合驅(qū)動(dòng)方式?！癟”是TBL（Team Based Learning），即團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí);P是PBL（Problem Based Learning），即問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí);“G”是GBL（Game Based Learning），即游戲化學(xué)習(xí)。TPG采用團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的模式，以問(wèn)題導(dǎo)向、項(xiàng)目導(dǎo)向以及游戲化教學(xué)的方式逐步開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。TPG教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)，提升了學(xué)生協(xié)同合作能力及創(chuàng)造力，并能促使學(xué)生有效完成高階性、挑戰(zhàn)性任務(wù)。

基于5E的TPG迭代循環(huán)教學(xué)法以一個(gè)知識(shí)模塊為一次閉環(huán)教學(xué)操作，多個(gè)知識(shí)模塊迭代循環(huán)使用該教學(xué)法，以“素養(yǎng)遞進(jìn)路線”“知識(shí)完善路線”和“能力提升路線”三條發(fā)展主線貫穿全程，形成有梯度的、遞進(jìn)式的教學(xué)模式。

4.在教學(xué)評(píng)價(jià)上，設(shè)計(jì)多元指標(biāo)

在教學(xué)評(píng)價(jià)上，課程組設(shè)計(jì)了全方位、多元化的評(píng)價(jià)形式，具體包含過(guò)程性教師評(píng)價(jià)、同儕評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)以及終結(jié)性評(píng)價(jià)四大項(xiàng)內(nèi)容，具體如右上表所示。這樣的過(guò)程性評(píng)價(jià)體系包含以下特點(diǎn)：①對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行了價(jià)值建構(gòu);②強(qiáng)化了學(xué)習(xí)過(guò)程而非學(xué)習(xí)結(jié)果;③突出了學(xué)習(xí)者的自主參與性;④激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新性;⑤實(shí)現(xiàn)了深層式學(xué)習(xí)量化測(cè)評(píng)。

這些特點(diǎn)有利于學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生提升線上自主學(xué)習(xí)、線下協(xié)作學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)能夠客觀全面地反映師生雙向互動(dòng)的教學(xué)過(guò)程，引導(dǎo)教師、學(xué)生優(yōu)化教學(xué)互動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)性提高。

● 結(jié)語(yǔ)

本文從基礎(chǔ)力學(xué)類課程學(xué)情出發(fā)，找出教學(xué)痛點(diǎn)與急需解決的問(wèn)題，提出了“智能+”背景下，解決這些難題的理念與方法——將TPACK理論運(yùn)用到力學(xué)類課程教學(xué)中，將信息化教學(xué)模式與力學(xué)課程教學(xué)深度融合。這一新的教學(xué)形態(tài)，有助于提升學(xué)生的人文素養(yǎng)、專業(yè)知識(shí)與能力水平，有助于培養(yǎng)全面發(fā)展的“新工科”高素質(zhì)應(yīng)用型人才，同時(shí)也為信息化教學(xué)研究提供了一定的參考，從而促進(jìn)力學(xué)教學(xué)質(zhì)量不斷提升。

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作者簡(jiǎn)介：陳卓（1978.12—），講師，碩士，研究方向?yàn)榛A(chǔ)力學(xué)。

本文為教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的力學(xué)課程教學(xué)改革”（項(xiàng)目編號(hào)：202101361028）、“互聯(lián)網(wǎng)+三維微課件自適應(yīng)在線學(xué)習(xí)下的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程資源建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：202101149008）、“虛擬仿真技術(shù)在基礎(chǔ)力學(xué)課程體系中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：202101161005）;重慶交通大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘智能+新工科’視域下基礎(chǔ)力學(xué)課程體系融合創(chuàng)新與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：2103053）;重慶市高等教育學(xué)會(huì)2021-2022年度高等教育科學(xué)研究課題（項(xiàng)目編號(hào)：CQGJ21B045）的階段性研究成果。