基于TPACK 框架促進深度學習的高中化學教學設計與實踐

文/深圳市新安中學（集團）燕川中學 劉曉嵐 羅秀華

一、TPACK 理論與化學深度學習

TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge）理論是美國密西根州立大學的Punya Mishra和Matthew J.Koehler 提出，被譯為“整合技術的學科教學法知識”。該理論為信息技術在課程教學中的融合提供了理論框架，將技術知識、教學法知識、學科內容知識相互融合，并強調教師利用新技術實現有效的教學。

深度學習理論注重學生在課堂教學中運用多層神經網絡，在認識和理解知識的基礎上，深入到本質的學習，并建立高階思維。楊大輝在其《深度學習的技術》中提出5 個學習層次，即“記、懂、網、拓、活”，他幾乎整合了所有高效的學習方法，指出從記憶力和理解力的最大化到建立自己的知識體系，都需要深度學習。

基于以上背景，本文旨在以TPACK 理論框架為基礎，將信息技術與化學學科知識有效融合，設計旨在促進學生深度學習的高中化學教學課堂，提升學生的理解力，實現有效且有深度的課堂。

二、基于TPACK 框架促進深度學習的高中化學教學策略

（一）整合教學知識與教學法知識，構建知識網絡體系

基于TPACK 理論框架，將學科知識結構化、學科思維結構化整合。教師在備課中，要注重整合教學內容，設計合適的教學目標與評價目標，進而選擇恰當的教學方法，將學生核心素養的發展落實到具體的教學活動中，以達到學生知識的結構化和思維的結構化，從而實現深度學習。

以人教版高一化學必修二《化學反應與電能》為例，以問題為導向設計教學：第1 課時，以“何為原電池？”“如何設計一個電池？”出發學習原電池概念、工作原理等內容；第2 課時，以“什么樣的電池是好電池？”“未來電池的發展趨勢是什么？”問題深入研究生活中電池的迭代與工作原理，以及從能源利用與綠色化學的視角探討未來電池的發展趨勢，學習和理解電池的電極材料、電解液和電極反應式等相關內容。

（二）整合教學知識與信息技術，深化學生的理解程度

基于TPACK 理論框架，教師還需要深化學生的理解程度，需要學生在構建知識網絡的基礎上，完成對知識的深入理解和拓展。化學教師在設計教學活動和教學方法時，可以充分融合多元化的信息技術。這些信息技術與學科教學知識相融合，能夠幫助學生更加深入理解抽象的化學理論知識，同時為課堂的即時評價提供便利，以促進教學中的深度學習。

以人教版高一化學必修二《化學反應與電能》為例，該主題屬于概念原理課，相對于元素化合物性質課更抽象，尤其是學生理解原電池工作原理較為困難。結合該主題特點，做出以下幾點信息技術融合手段：第一，利用同屏技術實時反饋與評價學生課堂表現；第二，利用動畫視頻，建立原電池工作模型，展示原電池工作時微觀電子和離子的運動方向；第三，在學生設計電池環節，采用傳屏技術，同步學生的學習成果，及時反饋與評價，實現課堂“教、學、評”一體化。

（三）創設深度學習情境，引導知識的遷移與探究

基于TPACK 理論，教師在單元主題的教學中可以嘗試創設一些生產生活中的真實情境或實驗情境，從而觸發學生深度學習的動力。

以人教版高一化學必修二《化學反應與電能》為例，可以用檸檬電風扇實驗創設檸檬電池，引發學生思考；在設計電池環節，以“化學與職業”主題，創設電池研發人員情境；創設真實的問題情境，以“我國大力支持新能源電動車產業的發展”情境，帶動學生思考，引導他們利用課堂所學知識解決實際問題，在問題的解決中提升能力素養，同時獲得學習成就感。

三、基于TPACK 框架促進深度學習的高中化學教學設計案例

（一）“化學反應與電能”教學分析

本節主要內容涉及原電池的概念、工作原理、原電池的構成要素及其常見的應用。新課程標準對本節內容的要求為：知道化學反應能夠實現化學能與其他能量形式的轉化，以原電池為例理解化學能可以轉化為電能，從氧化還原反應的角度初步理解原電池的工作原理，體會提升燃料的燃燒效率、開發高能清潔燃料和研制新型電池的重要性。

本節課主要達成兩個目標，一是通過實驗培養學生的觀察能力，發展學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養；二是通過信息技術手段與學生活動相融合，促進學生深度學習原電池原理，診斷學生對原電池原理的初步應用。

（二）教學過程設計

環節一：情境引入，檸檬電風扇實驗

【演示實驗】檸檬電池使電風扇轉動的小實驗

【思考】檸檬電池的電能是如何產生的？

設計意圖：情境引入，利用生活中常見的水果制作電池的小實驗，引發學生思考。

環節二：實驗探究——宏觀感知鋅銅原電池的工作原理

【活動1】小組實驗探究：化學能如何轉化為電能？完成實驗探究課本36 頁，實驗6-3。

（1）將鋅片和銅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現象；

（2）如圖所示，用導線在鋅片和銅片間串聯一個電流表，觀察、比較導線連接前后鋅片、銅片上的現象，并觀察電流表的指針是否偏轉。

【問題組1】實驗①中：

（1）從化合價變化角度分析，這屬于什么類型的反應？

（2）氣泡出現在鋅片表面而非溶液任意位置，說明氫離子在何處得到電子？

【問題組2】實驗②中：

（1）銅片上的氣泡是什么？說明氫離子在何處得電子？

（2）電流表指針如何變化？說明在這個過程輸出了什么能量？

設計意圖：通過實驗探究，學生從宏觀現象感知原電池的工作原理，建立和發展學生的科學探究思維，使學生在動手操作中充分調動學習的積極性，促進深度學習。

環節三：原理分析——微觀理解鋅銅原電池的工作原理

【思考】鋅銅原電池中的電能是如何產生的？

【活動2】通過微觀動畫模擬，分析原電池的工作原理；并在下圖中表示出導線中電子轉移方向，以及溶液中H+、SO42-的運動方向。

設計意圖：本環節思維和學習深度層層遞進，聯系學生已有的知識——“氧化還原反應的本質”和“物理中電流的產生條件”，為學生搭建“腳手架”，注重學科知識的結構化和關聯性，從而完成原電池的思維建模。此外，本環節借助微觀動畫，模擬原電池工作過程中的電子移動和陰陽離子移動方向，利于學生直觀理解。

環節四：模型建構——理解原電池的構成條件

【情境】化學與職業：介紹電池研發人員，以此作為情境，引發學生思考，如何設計一個原電池。

【活動3】如果你是電池研發人員，請根據Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2反應設計一個原電池裝置，畫出裝置圖，并標出電子和離子移動方向。

【實驗驗證】對學生的成果進行評價，并邀請學生設計實驗驗證結果。

【問題組3】

（1）要構成原電池，需要哪些必備的要素？

（2）如果給出原電池，可以從什么角度判斷正、負極？

設計意圖：從教學活動角度，介紹化學與職業之“電池研發人員”，提升學生的科學態度與社會責任意識，并讓學生深入情境，完成原電池的設計。從TPACK 理論角度，通過希沃授課助手中的同屏技術，將學生的設計成果及時反饋與評價，并通過同屏技術，深入設計實驗并驗證其設計結果。

環節五：學以致用——解決實際問題

隨著新能源技術的發展，我國大力支持新能源電動車產業的發展，動力電池的研發備受關注。例如，比亞迪公司研制的“刀片電池”對標美國特斯拉的“4680 電池”，通過分析總反應式，說出刀片電池的負極材料、正極材料；氫能源電動車將是未來汽車發展的趨勢，去年北京冬奧會上我國使用了氫能源燃料汽車，以下是氫氧燃料電池的工作原理示意圖，判斷該電池的正負極。

設計意圖：總結與升華課堂，應用所學知識解決實際問題，同時診斷學生對于原電池的工作原理和構成要素的理解情況。

（三）教學效果及課后反思

本節課從設計上看，是一節符合新課程改革理念的課。課堂中充分利用情境教學，引發學生的思考和求知欲，幫助學生深入思考與完成深度學習。

從課堂環節呈現上，本節課是有層次的課堂教學。在學生活動中，層層遞進，從探究實驗到原電池工作原理的分析，再深入研究電子和離子的移動方向，再到原電池的實際應用，難度步步加深，學習的層次也逐步加深，真正實現了學生的深度學習。