黄丹青：基于 TPACK 结构的化学实验改进策略，都在这里了 | 数字课堂
21 世纪是知识瞬息万变的信息时代，科技迅猛发展，社会发展亟需创新型、实用型和复合型人才。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》指出“信息技术对教育发展具有革命性影响”。目前，基础化学课程的实验教学观念相对滞后，教学方法比较陈旧，为缩短传统实验与理想课程目标之间的距离，TPACK 应运而生。
TPACK（Technological Pedagogical And Content Knowledge）是整合学科内容知识、教学法知识、信息技术三者的有机融合体。其中，技术知识TK（Technological Knowledge）包括信息技术的硬件操作和软件的使用；教学法知识PK（Pedagogical Knowledge）包括教师对教育目标、价值和功能的理解，教育心理学知识、教学设计能力、课堂的掌控管理与开发，教师对学生学习策略和效果的评价等方法论知识；学科内容知识CK（Content Knowledge）包括教师对具体学科的核心概念、原理、规律、方法和价值的、理解和运用。
TPACK 从整合技术的视角融合了 TK、PK、CK三个要素，整体发挥教育、教学的系统功能，是学科核心素养融入化学实验课程的重要载体，为基础教育的化学实验教学设计提供了结构化思路，反映了学科知识、教学法知识、信息技术知识之间的内在逻辑。应用 TPACK 可使科学知识形象化，微观变化可视化，抽象思维显性化。
目前，我国学者对 TPACK 的理论研究尚不深入，结合具体学科教学的实践研究更少。据统计，除了数学和英语学科，TPACK 在其他学科的应用研究更少。调研情况显示，国内基础教育化学实验活动开展情况不容乐观，化学实验教学中存在轻过程、重结论、形式化和低效益等问题，城乡学校之间、各级达标校之间、达标校与未达标校之间的实验效果两极分化，学生实验能力、实验素养差异较大。
笔者在省级化学基地学校开展了基于 TPACK 结构的化学实验教学策略探讨活动，要求教师生动地“教”，加强对数字教学资源的理解，将信息技术手段运用到整合的教学法知识和具体化学实验探究中，解决学生学习过程中出现的疑难问题，使学生高效地“学”，逐步培养适应未来生存和发展所必须的科学素养。
1. 主体性原则
新课程强调“以学生为中心”，教师像一盏导航灯，在整个教学过程中立足学生的身心特点和学习需求，按照“学生主体性”“以学定教”“因材施教”原则，依据现代教育思想和教学方法，对实验教学中的 TPACK 结构、整个程序、各个环节、具体实验问题等进行具体分析，运用行之有效的系统方法和技术，为学生提供个性化学习服务，使不同水平的学生都能在原有的基础上得到发展。
2. 实践性原则
基于 TPACK 结构开展化学实验教学是发展学生学科核心素养的重要途径。结合课程标准要求，教师以项目任务驱动实验探究活动，营造有利于学生质疑、交流、争论的氛围，设计实验方案时应做到“好用、管用”，即科学、简约、可视且易于实施。教师指导学生利用各种信息资源来支持学习，运用观察、对比等方法获取信息，对信息进行加工处理，运用技术手段启迪学生科学思维，并指导学生应用化学软件处理数据，培养学生运用软件技术或手段学习化学及处理数据的能力。
3. 多元性原则
充分整合、利用多样化的优质资源和信息技术，有利于构建先进、高效、实用的数字化实验教学模式。教师需要不断提高信息技术水平，更新教学观念，改进教学方法，开展多样化的化学实验活动，鼓励学生自主学习，逐步学会分析和解决实际化学问题，并在“做科学”的探究实践中，建构新知识、学习科学方法，开发多元智能，使学生感受化学的学习价值，逐步形成终身学习的意识和能力。
教师基于 TPACK 结构进行化学实验教学设计，需要针对具体的教学对象、教学内容和教学目的，运用相关的理论、技术和系统科学方法，来分析实验教学中的问题和需求，设计解决方法，试行解决方法，评价试行结果，改进设计方案，对化学实验教学的总体结构、整个程序及其具体环节拟定行之有效的系统方案。
1. 整体规划，开发基于 TPACK 结构的化学实验课程
为改变传统实验教学的无序化，笔者基于 TPACK 结构开展实验教学，整体规划，设置满足学生基础学力与必备品格发展的化学实验课程，循序渐进地培养学生的实验素养，逐步实现实验教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的根本性变革，促进学生的有效学习和创新思维发展。特别要注意以下三点。
其一，教学设计要考虑多要素的综合，包括知识要素（如物质的性质和应用间的因果关系、物质之间的转化关系、化学反应原理和规律）、技术要素（针对实验现象不明显、难操作、有毒有害物质生成等的实验整合技术）、方法要素（含观察、判断、比较、分析、推理等）、思想要素（如严谨求实的科学态度和主动探索的优良品质、认识并欣赏化学科学对提高人类生活质量和促进社会发展的重要作用等）。
其二，关注基于移动智能网络终端、大数据分析技术和虚拟现实技术的个性化学习与评价系统的发展，应用信息技术提高化学实验教学效率和质量，根据认知主义学习理论对学生实验活动进行分析，对化学实验的学习属性、规律、条件、成果做出基本判断，为实验教学设计提供理论依据。
其三，依据建构主义学习理论对学生实验活动进行分析，在认知分析的基础之上，对学生实验活动中主体的多元性、过程的动态性、状态的生成性以及成果的发展性等更为复杂的问题进行深入分析，为基础教育化学实验学习的宏观规划、过程管理、问题指导和分化管控等提供理论依据与决策参考。
中学化学的核心知识包括：化学基本概念，如电解质、胶体、原电池、化学反应速率等；化学基础原理，如元素周期律、碱金属和卤素性质的递变规律、离子反应发生条件、温度和浓度对化学反应速率和化学平衡的影响、促进和抑制水解反应的条件等；重要元素化合物的性质；化学知识在社会、生活中的应用，如抑酸剂化学成分的检验，学校所在地区大气污染及防治情况的调查等；化学发展，如原子的发现、金属性质的发现、电池的过去与未来；等等。教师要围绕核心知识，创设基于TPACK 结构的化学实验教与学的空间，实现讲授化学知识到发展化学核心素养的转化。
例如，应用数字化传感技术，在课堂上呈现酸碱滴定的电导率曲线，并结合三重表征模式做分析，让学生获得感性认知，并对酸碱中和反应形成全面认识；将电导率传感器应用于“离子反应及其发生条件”教学，让学生通过比较
对于“物质结构与性质”模块教学，教师可以借助多媒体课件让学生了解有关核外电子运动模型的历史发展过程，认识核外电子的运动特点；通过波谱、X 射线衍射等技术测定分子的结构，了解原子光谱、分子光谱、X 射线衍射等实验手段在物质结构研究中的应用。
再如，传统教学中对于“有机化学基础”模块的学习，只要求学生知道通过化学实验和某些物理方法可以确定有机化合物的结构，而 TPACK 视野下学习“有机化学基础”，强化了仪器方法的认知，教师要帮助学生了解红外、核磁等现代仪器分析方法在有机分子结构测定中的应用。
2. 创设 TPACK 学习场，发挥实验探究活动的作用
单一实验的教学设计不是 TK、PK 和 CK 简单整合，应包含实验教学目标分析、情境创设、信息资源整合设计、自主学习设计、协作学习环境设计、学习效果评价设计、拓展延伸练习设计等。
例如，现行化学教材中的有关化学反应速率实验，多从产生气泡的快慢、溶液褪色的时间、沉淀物生成的时间等方面定性地表示化学反应速率。实验环境的光线、人的视觉暂留等因素会导致学生对现象的观察产生较大误差，无法准确分辨。
比较
该实验看似简单，但往往实验现象不明显（由于气球的张力不同，且瞬间压力不够，有时只能看到气球均竖起并停顿一定时间后慢慢膨胀，难以看出谁先放出气体）。若操作不当（如粉末黏附在气球内壁或试管内壁，实际参与反应的药品的物质的量不相等，无法保证同步操作等），可能出现相反的结果，有时甚至误导学生以气球的大小来判断反应速率。
为解决上述问题，师生应用手持技术改进该实验装置。改进后，实验敏度高，节约药品，能实时、动态地采集变量且整个过程能通过电脑直观显示，效果好。
【案例】改进“比较
【设计原理】实验设计及装置如图 1 所示。
因此，在气体常量 R 和绝对温度 T 不变时，我们可以通过测定单位时间密闭空间内压强的变化快慢来比较化学反应速率。为准确、实时、快速、自动采集气体产生的气压变化曲线，选用 DIS lab 数据信息化实验系统来完成该实验。
【操作说明】首先，将电脑、数据采集器、压强传感器、恒压分液器（利用注射器及输液管改装）、具支试管等联接固定，保持实验过程中的温度恒定，保证气密性良好。接着，在两支具支试管内分别加入等物质的量的
【拓展延伸】利用软件截取相同时间内的一段平滑的曲线进行线性拟合得到曲线的斜率 k ，即压强的变化值，根据公式可求出化学反应速率：
【反思与讨论】基于 TPACK 框架的实验改进，整体包含问题、事实、解析、评价和交流 5 个要素。
问题：能促进学生产生思维冲突、发展学生的元认知，学习者围绕问题开展探究活动，教师能识别学生对问题认识的状态并能应用信息技术适时、有效地指导学生开展实验。
事实：学习者通过实验获取可以帮助他们解释和评价问题的证据。
解释：学习者依据事实证据获得解释，对问题做出回答。
评价：通过比较其他解释，做出较客观的判断。
交流：学习者与同伴论证他们提出的解释。为了能更准确地阐释化学反应速率的含义，能直接观察反应速率的进程与变化情况，将实验过程或现象转化为可检测的物理信号，这也是科学研究中“转化”思想的运用。
以上将 DIS lab 数据应用于化学反应速率的比较，不仅节约药品，而且实验灵敏度更高，能实时采集数据，让学生动态地观察真实现象。通过软件分析还能将化学反应速率量化表示。
化学教育家傅鹰说：“靠逻辑推理所演释推导出来的实验现象，往往是靠不住的，常常与事实相悖，这是十分值得警惕的。”实验教学从传统的“推理实验”或“简单动手做实验”到“创设 TPACK学习场”的转化，首先需要教师潜心研究，迎接信息技术的迅猛发展带给教育的挑战，探索实验教学方式的新形态，应用新方法，实现新技术与化学实验教学的深度融合，优化课堂教学；其次，需要创设基于 TPACK 的学习情境，转变学生的学习方式，强调高阶思维，建立新学习时空下的学习共同体，使学生主动参与、乐于探究、勤于思考、善于质疑。
当然，由于实验技术和环境的重大改变，针对复杂的学习系统和不同实验活动的特点，还需要构建供教师评价学生的化学实验活动表现指标和学生的自评指标，制作评价量表，对学生的学习能力和实验素养进行基于 TPACK 结构的多样性评价。唯有不断努力和创新，才能使知识真正转化为智慧，听到“花开花落的呓语”和“禾苗拔节的声音”。这些想法有待今后逐步实现。
注：本文系全国教育科学“十三五”规划 2017 年度单位资助教育部规划课题“学科核心素养下活动教学设计的行动研究”（编号：FHB170580）、福建教育科学规划课题“基于核心素养的中学化学实验教学改进研究”（编号：Fjjgzx17-04）的阶段性研究成果。
（作者系福建省普通教育教学研究室教研员）
文章来源：《中小学数字化教学》2018年第7期，原标题为《基于 TPACK 结构的化学实验教学设计》，文章有删减
责任编辑：祝元志
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监 制：朱哲
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