基于TPACK的小学科学教学方式

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一、整合技术的学科教学法

知识整合技术的学科教学法知识(TPACK)框架是在反思WebQuest和TELS缺陷的基础上提出来的，旨在弥补两者只强调“技术”和以“学生为中心”而忽视了“教师所需知识”“学科知识、教学法、技术之间复杂的关系”和“教师在教学过程中所起的重要作用”的误区。TPACK是整合技术的教师知识框架，是在Shulman的学科教学知识(PCK)基础上建立的，是与技术的融合。学科内容、教学法和技术之间的相互交互形成了四种新的知识，即学科教学知识(PCK)、整合技术的教学法知识(TPK)、整合技术的学科内容知识(TCK)和整合技术的学科教学法知识(TPACK)。这一框架强调了教师必须具备的全新知识，教师是课堂的设计者、实施者，是学生学习的引导者和监控者，是课程的设计者；强调不同境脉应采用不同的整合途径和方法；强调解决方案的多样性、灵活性和适切性。在课堂中整合技术是一个复杂和结构不良的问题，即不存在一种适用于每一门学科、每一位教师或每一种教学观念的解决方案，这种方案的获得取决于每位教师的认知灵活性。

二、研究设计

(一)实验对象与过程实验对象为河北省遵化市某小学的六年级学生，研究采取准实验的研究方法，由同一位教师进行教学。首先对六年级8个班级的学生进行8周的科学课程教学，在第九周进行一次前测，即期中质量检测；从第十周开始按照前测的学习成绩和方差的齐同性选取了六(2)和六(6)两个班进行实验研究，为了叙述方便，将六(2)命名为A班，六(6)命名为B班，A班为TPACK实验班，采用TAPCK的理念进行教学，B班为实验对照班，继续延续前面的教学方式；在第十八周进行第二次测验，即期末质量检测。

(二)建立假设与确定变量研究假设：基于整合技术的教学法知识理念对小学六年级的科学课进行设计与教学，学生的学习效果明显优于传统教学方式。条件因素C=学生进行科学课程的学习；自变量X=两种教学方式(即TAPCK方式和传统教学方式)；因变量Y=学生的科学课程成绩；干扰变量包括学生的主观态度、情绪变化、习惯和动机等。为了避免干扰因素对实验结果的影响，教师时时关注学生的异常反应并及时妥善解决。

(三)实验结果1.前测成绩分析。通过SPSS工具对A班和B班的前测成绩进行比较分析，A班的科学成绩平均值为73.12分，B班的科学成绩平均值为72.91分；两个班的差异性显著概率P=0.81>0.05。通过这些数值可以断定，两个班级的科学成绩不存在显著差异，完全可以进行对比实验。2.后测成绩分析。A班的成绩均值为89.21分，B班成绩均值为81.91分，它们的均值之差较为显著，差异显著性概率P=0.016<0.05。通过这些数据可断定，A班与B班的科学成绩存在着显著性差异。这也证明了试验的假设是成立的，即基于整合技术的教学法知识理念对小学六年级的科学课进行设计与教学，学生的学习效果明显优于传统教学方式。

三、实验讨论与案例剖析

研究表明基于tpack的小学科学教学与另一组进行普通教学的班级相比能够明显地促进学生的学习。根据实验结果，笔者从科学内容知识、科学教学法知识和教与学相关技术三个维度来讨论基于TPACK的小学科学教学，并结合“植物与能量”一课进行从设计到实践的详实阐述。

(一)明确科学学科中的TPACK要素及关系科学这门学科有它独具的特殊性，即科学与技术是一对自然的、长期相随的伙伴。科学家们为了工作而开发技术，同时也为了商业目的而进行技术的研发。在TPACK框架下进行科学知识的教学首先面临的挑战就是如何把技术整合到学生对科学知识的学习中去。在整合教与学的过程中，教师必须明确技术应该用于“如果不用技术就很难甚至无法完成的事情”之中，而不是重复使用那些常规方法就可以完成的事情或者能够解决某个具体的教学问题。因此，教师必须通过TPACK框架进行科学知识的分析，确定科学内容知识、教学法知识和技术之间复杂、动态的平衡关系。学科内容知识是实际被学习或教授的学科知识，本次研究中的学科内容是指“植物与能量”一课的学习目标知识。教学法知识(PK)是关于教与学的过程、实践或方法的深层次知识，包括所有的教学目的、价值观和策略。学科教学法知识的核心是转换学科内容从而为教学所用，即教师通过解释科学的内容知识、寻找多种途径来表征科学知识以适应不同概念和学生的先前知识。技术知识是为了那些“不得不通过技术支持和解决”的学习难题或主题而提供的解决方法，同时应该意识到技术应用的可供性和限制性。整合技术的学科知识旨在通过技术富有成效的方式支持数据的表征与操作，科学的学科内容也限制了能被采用的技术类型，同样技术也限制了可能的表征类型，但是反过来也构造了新的、多种多样的表征。整合技术的教学知识是对当具体技术应用时教与学如何改变的一种理解，教师需要放弃技术“功能固着”的想法，发展技能以超越当前技术，并且为自己的教学法而“重新配置”技术。整合技术的教学法知识需要教师深刻地理解这些技术工具的教学功能可供性和限制性，以及技术运用的学科境脉。整合技术的学科教学法知识是一种新型的知识形式，超越了所有三个要素(科学内容知识、教学法知识和技术知识)，这些要素处于一种动态平衡状态，处于一种“必要的张力”状态，若这些要素中的任何一个发生改变，那么就要由另外两个要素发生改变来进行“补偿”。基于TPACK的小学科学教学图表明，学科内容、教学法和技术既彼此独立作用，也相互整合作用。成功的整合技术的教学要求持续地创造、维持和重建各要素之间的动态平衡。基于TPACK的小学科学教学中最为复杂、最为重要的关系莫过于整合技术的学科教学法知识(TPACK)，它的设计与应用是体现教师是否能够成功地将技术有效地融合进学科教学知识中的一种能力，在融合的过程中将会引起其它要素和关系的变化。简言之，教师的技术、科学知识和教学法知识综合在一起的关键就是要知道在何处使用技术，使用何种技术，如何使用这种技术进行教学或帮助学生学习。第一，技术在何处使用的切入点在于如何促进或帮助学生和教师进行学习和教学，这与科学这一学科的性质和教学知识密不可分，即某些科学的学习主题必须通过技术才能够帮助和完成教与学这一过程，例如学生学习植物如何进行光能与化学能的转换时，通过应用三维动画、视频等技术手段，与通过语言文字和简单的图片描述相比，技术在促进学生学习方面呈现出卓越优势。第二，确定使用何种技术关键在于明确哪些技术可用，以及决定应该使用哪些技术。这一过程是在充分分析科学内容知识和搜集教学法知识基础上进行综合考虑的结果，即哪些技术用于服务教与学，哪些技术专门用来教授和学习科学知识，哪些技术专门用来进行科学实验活动。第三，如何使用技术进行教学需要教师关注科学主题知识、学生的理解与认知、教学法知识，并对使用技术时可能发生的状况作出预测和准备。

(二)“植物与能量”的TPACK设计1.科学主题内容(CK)教学主题或学习目标是进行TAPCK设计的首要阶段，因为它是教师和学生通过教与学活动所要达到的最终目标。明确学习目标不仅是教师组织安排教学策略的基础，同时能够让学生确立明确的学习目标，充分调动起学生学习的积极动机和学习兴趣。科学内容知识的分析可以分为基础知识、重难点知识，以及与这些知识相关的先决知识，即在对学习目标知识分析后同时要关注实现学习目标所需的前提知识。科学主题知识的分析有利于教师事先建构和组织结构良好的知识体系，与此同时，对学习目标先决知识的分析将有利于教师做好教授新知识的预热准备设计。除此以外，学科知识还包括如何把教授的知识和现实的应用联系起来，知道与所教授主题相关的科学领域中大的未决问题等等。关于“植物与能量”一课的主题内容分析主要采取以下几个步骤：第一，确定教授或学习的科学知识。植物与能量这两个知识点以及两者之间的关系是本文的重难点知识，即“植物的能量是什么？”“植物的能量是如何产生的？”“植物能量产生过程的基本图解学生是否能够理解和进行简单的语言、图画的描述？”，这三个问题对于学生的认知与理解是一种难度较大的挑战。此外，学生还须掌握的知识是植物产生的化学能与光能的转换关系，以及都有哪些物质参加了这一变化过程。第二，先决知识的确定。新知识的习得是否需要先决条件是确保课程顺利引入和开展的前提条件，是提高教学和学习效率的基本保障，以防止学生初步进行新知识学习时就受到强大的学习阻力。需要学生了解和掌握有关植物与能量的先决知识包括生物的生命与能量的关系、人类和其它动物获取生命活动能量的途径，知道各种生物的生命活动都要消耗能量。第三，确定学科内容知识与现实的联系。概念体是学习者唯一可以对现实及其所接收信息进行解码的工具，这一特殊的解释系统决定了解码信息和建构知识的方式。学习正是依赖于这些已经在思考和运行着的概念范畴，学习者也正是通过它们诠释由教师或媒体传播的信息。确定学习内容与现实联系的目的在于使学生能够用直观、形象的内在经验来解释教师传授或自主学习的内容，如果学生遇到迷思概念或思维受到阻滞时就说明了他们的内在经验无法正确地理解新知识，此时须向学生提供与学习内容相关的现实知识，譬如实物、虚拟实物以及相关的操作和活动等等，切实让学生通过感知的方式加强有关学习新知识的经验。第四，了解与主题内容相关的未决问题。科学的发展实质是人们不断地探索世界的过程，宇宙的无限广大以及人生命的短暂决定了人对自然界、宇宙的认知是不可能完全达到的，会始终存在着许多困惑科学家和人类的未解问题。教师对此类知识的掌握和告知将不仅能够使学生明确科学主题中存在的疑难问题，而且教师适当的讲解和鼓励将使学生树立克服难题的远大志向和兴趣。就植物与能量这一主题而言，学生在理解和掌握光在植物体内转化过程的同时向学生提出一些前沿和未决问题，如探索在月球的气候环境下进行植物的生长和能量的转化，开发植物能源来解决人类所面临的能源危机问题等等，能够激起学生进一步探索科学的兴趣和决心。2.学生特征教师除了对学生生理、心理特征进行了解与分析外，最重要的是掌握学生会觉得什么地方理解很困难和学生在哪里会有迷思概念。教师对这些方面的把握可以通过与学生进行课前谈话的形式获知，此外可以向经验丰富的教师请教，也可以通过查询教师参考用书获知教学的重难点。教师只有知道学生知识的掌握情况，才可以决定什么是需要强调的，以及通过哪种教学策略和技术来帮助学生的学习和教师的教学工作。在“植物与能量”一文中，通过与学生谈话、参阅教师用书和请教资深教师获知学生认为最难理解的地方是“光在植物体内转化的过程”，同时最易使学生产生迷思概念的地方是植物的根、光、绿叶的能量转换以及淀粉、氧气、二氧化氮气这些产物的生产过程。3.科学中的教学法知识(PK)如何帮助学生认识具体事物是科学教学知识的显著特征，同时教师还需掌握与科学有关的一般性教学法。Grossman认为PK至少具有四个要素：学科教学目的的概念，有关学生理解的知识，有关教学策略的知识和课程知识。同时Magnusson、Krajcik等人描述了PK的五个知识组成部分：科学教学的定位、课程、学生的理解、评价和教学策略。虽然他们对于PK的认同存在着差异，但是PK至少应包括有关学生对主题理解知识和教师教授具体主题的教学策略及表征。除此之外，教师的教学法知识还包括如何陈述和解释教学内容，如何合理组织实验活动以增进学生的认知，以及如何给小组或个别学生布置作业等等。在“植物与能量”一文中，教师进行学习者特征分析后，确定的难点和迷思概念是教师进行教学法抉择的关键点，是帮助和支持教师进行教学和学生进行学习活动的前提。对于植物在光的作用下如何转换能量这一重点和迷思概念，教师确定了如下教学方法：首先，通过图片表征能量转化过程中的各个要素，使学生形成基本的感性认知；其次，根据学生自己的先前经验、素材资源想象并绘制这一能量转换过程的基本概念图；第三，编制Flash动画模拟植物能量的转换过程；第四，学生重新建构植物能量的概念，在此期间教师可以通过适当组织、监控学生的合作交流、讨论活动实现合作性建构。4.技术知识(TK)技术包括了任何用于实践目的的工具和技巧，技术不仅包括电脑、录音机等，而且还包括方法、技能和过程。教师应该知道如何使用和管理自己的电脑，如何排解电脑上的故障，同时要不断地尝试和探索新技术的使用。教师不仅对于一般教学技术特征有所了解和掌握，同时需要知道技术的可供性和限制性，即针对某一具体学科主题而言，哪些技术是可用的以及如何使用它们。根据本课的重难点和学生容易产生概念混淆的地方，教师通过多媒体展示植物能量转换中要素关系的图片，接着通过编制Flash动态模拟植物如何通过光合作用进行能量转换的过程，同时动态模拟中还嵌入了简单的智能提示来提醒和纠正学生可能产生的迷思概念。整合技术首要关注的是学科内容和有效的教学实践；整合效能不能依据使用技术的数量和类型，而要依据技术使用的方法和原因。TPACK表明技术的应用是用来支持具体的教学法知识的，它的可供性和限制性是受到具体知识影响的。5.整合技术的科学教学法知识(TPACK)科学知识、教学法、技术是构成整合技术的科学教学法知识的三大基本元素，它们之间的相互交叉与作用又形成了新的知识；学习者特征是进行TPACK设计所必须进行分析的内容和前提，没有关于学习者的分析，其它一切都是徒劳的。技术、教学法的抉择和应用的目的在于促进学习者的学习，学习者是课堂学习的主人，是教学设计最终服务的对象。简言之，TPACK的最终目的在于使教师明确在教学主题中的什么地方可以使用技术来促进教与学。在科学中进行基于整合技术的学科教学法知识形式的教学关键是知道何处、何种、何时使用技术。第一，何处使用技术。技术的使用应该用于“如果不用技术就很难甚至无法完成的事情”中，而不是重复使用那些常规方法就可以完成的事情，即教师需要知道在何处可以用技术解决他所面临的教学问题。在“植物与能量”一课中，人类不可能通过肉眼来观察植物在光的作用下如何进行能量转换这一过程，同时植物能量转换这一过程进行得比较缓慢，转换的过程受到多种外界环境的限制和影响。了解和掌握这些知识对于小学六年级的学生而言将是巨大的挑战，同时在有限的课堂环境和时间内是根本不可能完成学习目标的。第二，使用何种技术。技术的使用需要教师了解针对主题内容知识的特点进行各种媒体、软件的筛选，最终通过比较技术的可供性和限制性确定需要使用的技术。这一抉择过程不仅说明了任何一种技术都有它的局限性，同时也体现了针对不同具体主题知识的可供性。针对所存在的这些问题，创建Flash动态模拟不仅呈现了长时间、细致的实践观察过程，同时以突出、形象的形式再现了植物在光的作用下如何进行能量转换这一过程。第三，何时使用技术。安德烈·焦尔当认为学习者的概念体是学生理解周围世界的唯一工具，当学生用已有的概念体诠释所接受的信息时，如果学生无法解释或新知识与已知概念体发生认知冲突，那么就会引起学习者概念体的失衡。“困惑”或“扰乱”状态是产生学习渴望和发生学习的最佳时机，所以教师必须紧抓这一有利时机进行教学环境的创建，将学习者置身于一个特定的学习环境中，通过制造适当的真实环境或利用现实制造冲突来促使学习者将旧概念转换成新概念。在学生处于“困惑”或“扰乱”的状态下进行学习环境的创设会对他们的学习产生积极的推动作用。在教授“植物与能量”一课时，通过课堂提问、观察学生表情等形式了解学生是否处于这一阶段，通过调查的结果来决定何时呈现图片和Flash模拟动画。

(三)教师的角色与知识在人类教育历史的长河中，以教师为中心的教学模式可谓长期居于统治地位。随着信息技术在教学过程中的运用，教师在课堂中的角色与地位发生了显著的变化。美国近代所推崇的WebQuest和TELS模式特别强调“技术”的作用和“学生”对技术的自主应用，然而这两种模式却没有认真关注“教师所需的知识”和“教师在信息技术与学科整合过程中的重要作用”，因此，教师必须重新审视自己的角色和地位。第一，教师是课程的设计者。课程不能独立于教师而存在，教师是课堂教学构建和实施课程的不可或缺部分。在课堂教学中，教师决定着如何采取恰当的教学策略、选择合适的技术手段来表征知识，帮助和促进学生的学习，只强调以学生为中心和以技术为中心的观点将使学生的学习陷入低效率、无重点的状况。第二，教师的主导作用。学生的课堂学习过程是动态的、充满未知的。虽然教师在课前进行了学生特征、先决知识和重难点的分析，并为学生的学习提出了预设的学习环境，但是由于学生存在着显著个性、文化的差异性，他们的认知水平也参差不齐，即使教师进行了充分的预设也不可能计划好所有教学过程中出现的问题，此时教师的主导就显现出突出的作用。当学生在概念上出现迷思或者被阻滞时，教师要充分发挥引导和主导作用，使学生沿着学习目标的方向前进。第三，教师的认识灵活性。学科知识、教学法知识和技术知识的融合生成了许多动态的新知识，教师理解、判断这些新知识时需要针对具体的主题知识、技术的可供性和限制性、教学法知识进行综合复杂的权衡。教学过程不良的特性要求教师必须具备与TPACK三个要素足够的相关知识，同时需要教师能够在教学过程中的某个问题、某个时间进行快速的灵活抉择来解决难以预料的问题。在教授“植物与能量”一课时，教师围绕教学目标进行学生活动安排、技术应用、适时采取有效的教学策略。在课程导入阶段，教师采用基于问题的形式引入话题——“同学们，我们在前一节课学习了有关动物能量的问题，谁能介绍一下你所知道的动物的能量是怎么来的？”在新授“植物在光的作用下如何进行能量转化”时，教师实时观察学生的面部表情来推断他们是否能够表征和解决这一难题，教师通过观察来确定使用何种技术和何时使用技术来帮助学生完成学习目标。

四、结束语

整合技术的学科教学法知识框架(TPACK)呈现的是关于有效技术整合的一种思考方式，是将技术有效整合进学习环境的知识。整合模式(TPACK)是针对WebQuest、TESL两模式中只关注学生自主学习、自主探究，而忽视教师主导作用的缺陷而提出的[10]，但是并没有否定它们，是在不断吸收它们优势的基础上发展起来的课堂学习模式。整合技术的学科教学知识框架突出的特点在于其各个元素整合的动态平衡性，即教师针对具体主题内容会不断地抉择技术知识、教学法知识之间整合的最佳平衡点，对于不同的教师、不同的技术、不同的学生、不同的环境的差异会产生不同的整合方式。下面就整合中易出现的问题和解决方法进行简要的思考与归纳。

(一)整合中需要注意的问题第一，TPACK是劣构问题。教师必须意识到没有哪一种技术解决方案能适用于所有的教师、课程或教学观，例如即使是同一位教师面对不同的学生进行教学法知识、技术的权衡与组织时，同样会产生不同的整合方案，教师不能够通过足够的课前预设来预料到所有将要发生的事情。面对这一问题，教师不仅需要做好充分的课前预设准备，同时还必须具备一种能力——认知灵活性，即教师能够在课程正在进行时根据当时的境脉进行判断、选择和维持学科知识、教学法和技术之间的动态平衡。优质教学需要培养对技术、学科内容和教学法间复杂关系的微妙理解，并运用这种理解开发恰当的、具体境脉的策略和表征方法。第二，教师的角色与职责。TACK强调“教师是设计者”这个理念，强调教师在课堂中拥有一定的选择教学方法、技术手段的权力，那种完全以学生为中心的理念是错误的或是片面的。

(二)教师的TPACK知识与培养开展TPACK教学改革必须具备一支掌握整合技术的学科教学知识的教师队伍，这一群体是教学改革能否成功的关键力量，创建足够的条件来培养这支队伍是十分必要的。教师的培养主要包括两大群体：职前教师和在职教师。第一，职前教师的培养。TAPCK知识能够帮助职前教师将恰当的策略和技术有效地应用于他们的实践中。根据职前教师的特征，为他们提供一线实践的机会或间接参与到教学过程中的方式是最为有效的，因为如果直接将TPACK作为一种策略性的思维方式融入职前教学法课程，这种培养将是失败的，其根源在于他们根本就不知道如何通过技术进行学习和教学。通过让职前教师进行观摩式个案研究或参与教学使他们获得教学经验，要让他们进一步了解学生，计划并设计教学，开发有效的教学策略，获得有效的课堂管理策略，对学生使用技术进行评价。在培养过程中，可以通过发展TPACK的动态思维工具培养他们的整合技术的学科教学法知识能力。第二，在职教师的培养。有经验教师的知识是有情境的、由事件构成的和片段式的，他们的培养与职前教师的最大不同在于他们能够直接将TPACK知识作为一种策略性知识应用到教学过程之中。教师培训机构可以创设多种环境为在职教师发展TPACK知识提供机会，如创建远程协作与远程合作的活动，通过组建教育协会间的协作推动TPACK发展，将信息技术融入教师专业发展的境脉中。

综上所述，教育改革的发展需要新的理念予以支持，同时需要结合中国的教育特点不断地发展和创新。TPACK教学整合模式是人类探索教与学过程的阶段性理论成果，它对于当前以致以后的教育和学习会产生显著的促进作用，但是我们不要局限于某种模式之中，不能被一种模式或几种模式所禁锢，因为时代变迁、技术演变与革新、教师和学生思想的差异、地区的差异等因素是一种劣性问题，是结构不良的。

作者：李海峰单位：铜仁学院