基于TPACK框架下的电解质概念教学研究

尤蕾蕾

摘要： 通过构建教学模型，探查学生电解质概念认知情况，进行基于TPACK框架下电解质概念的教学研究。以“离子反应”一课的实践为例，证明TPACK教学框架能帮助课堂有效地利用各种信息技术和数字化手段，让概念教学更加生动、高效。

关键词： TPACK框架; 电解质概念; 离子反应; 化学教学

文章编号： 10056629（2018）12004506中图分类号： G633.8文献标识码： B

随着信息技术与课程整合的理念不断深入[1～3]，DIS數字实验技术、手写平板无线投影、微视频等数字化手段在课堂上的使用让教学越发多元。将信息技术与课堂教学紧密结合来有效提高课堂效率才是关键所在。Mishra和Koehler于2006年提出的TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge）理论框架为信息化技术整合课堂教学提供了理论指导。

1 TPACK知识框架

TPACK指将信息技术整合于课堂教学的知识综合体。它植根于三个核心成分，即技术知识（Technological Knowledge， TK）、教学法知识（Pedagogical Knowledge， PK）、学科知识（Content Knowledge， CK）。同时，它们交叉融合形成TPACK的另外四个衍生成分，即PCK、 TPK、 TCK与TPACK（见图1）。TPACK是将原有PCK知识（学科教学法知识）与信息化技术进行交叉融合。TPACK从学科知识、技术知识和教学法知识三者之间动态整合来分析教师在教学过程中利用技术进行教学的知识[4， 5]。

2 ICTTPACK模型

ICTTPACK由TPACK理论发展而来，立足于学生主体，加入了学习者知识（Knowledge of Learners）和情境知识（Knowledge of Context），其中包含教室环境、学习者的认知能力、教学目标等。ICTTPACK模型由ICT （Information and Communication Technologies）、教学法（Pedagogy）、内容（Content）、学习者（Learners）、境脉（Context）五个元素复合而成[6～9]。结合ICTTPACK模型中的技术映射，本研究提出了TPACK框架下化学教学的研究模型（见图2）。

以TPACK框架为理论基础，设计者需要了解学习对象的认知能力和水平，分析学习者的学习困难，掌握学习者的学习需求，并利用技术整合设计有利于学习者学习教学内容的方式，从而加强学习者对知识内容的理解，促进学习者整体发展。本模型共包含分析、整合、实施评价三个阶段。

分析阶段要从学生认知和化学知识两个角度对教学内容进行分析梳理，通过探查学生相关概念和认知水平，并根据已有化学知识进行分析，提炼出相关主题并设计出相应知识点。

整合阶段是教学设计的关键环节。根据上述已分析的学生认知，教师进行CK、 PK和TK分析后，进行整合去解决教学难点。在整合阶段，TPACK框架中的单一元素都会发生相对性的变化，需要根据前阶段分析结果进行TCK、 TPK分析后，进一步分析解决教学重点和难点的最佳技术方案，从而实现化学学科知识的有效呈现，形成针对学生问题情境的解决方案，最终整合成TPACK框架体系。

实施评价阶段是一个完整的教学设计必不可少的环节，它的主要作用在于根据教学设计实施情况对分析阶段、整合阶段进行反馈，从而为教师提供调整教学的可靠依据。基于TPACK框架下的教学模型需要通过学生成绩分析进行反馈评价。

3 基于TPACK框架下的电解质概念教学重构

选择电解质概念教学进行基于TPACK框架下的教学研究。电解质相关概念涉及元素化合物的分类、元素守恒、化学平衡、电化学基础、离子方程式、溶液酸碱性、化学计算等方面。重构TPACK框架下的电解质概念首先需要探查学生认知，通过对学生“电解质概念”的相异构想的探查了解学生对“电解质概念”的理解情况。

3.1 探查学生电解质概念认知情况

本研究选择上海市某中学高一年级6个班级共169名学生作为研究对象，实施时间在下半学期期末，学生已经正式学习了电解质相关概念。利用测试卷来探查学生电解质概念相异构想的基本情况，根据测试结果利用访谈来对学生电解质的认知水平作进一步分析。

结果表明，学生错误概念主要集中于溶液的导电性、导电的微粒、电离平衡和溶解中电解质变化的过程等，具体见表1。

笔者发现，大部分学生认为电解质“概念繁多，知识零乱，难于记忆，容易混淆”、“知识抽象，反应复杂”和“化学平衡知识不过关”。如果学习者对概念没有明确掌握，理解不清晰，就会造成对电解质概念体系的混乱。

另外，电解质概念过于抽象，特别是造成学生认知困难的“溶液的导电性”、“电离平衡”和“溶解中电解质变化的过程”这三个知识点。学生在访谈中表示，因为这三个概念以理论分析为主，不能直观反映出溶液中的具体情况，造成学生理解困难。

而笔者也从测试和访谈中归纳出如下的认知问题：

（1） 电解质概念与物质结构之间关系不清晰。从物质结构而言，化合物根据化学键的类型可以分成离子化合物和共价化合物;从电解质而言，化合物依能否在熔融状态或水溶液状态导电，可以分为电解质和非电解质。这四组概念相互交错，容易引发学生的理解错误，导致了如“酸不能导电”、“水不能导电”和“熔融状态下食盐不能导电”等相异构想。

（2） 导电微粒概念的缺失。学生只能记住“自由移动的离子能导电”，但是对于自由移动的离子概念不清晰。形成了如下三方面的影响： ①学生不能理解为什么溶液中许多物质以离子形式存在。他们认为离子之间应该发生反应重新生成相应的物质，如“Na+和Cl-在溶液中可以生成NaCl”等，造成离子反应理解上的困难。②学生不能理解导电性强弱与离子浓度有关。他们一直认为导电性强弱取决于强弱电解质本身的性质，造成了导电性强弱与强弱电解质混淆的情况。③学生不能理解水溶液中离子的存在，因而对溶解过程中电解质的变化也很难想象和理解。39.2%的学生只能从高一上半学期的溶解过程中的能量变化来分析溶解过程。

（3） 化学平衡概念掌握不足。化学平衡概念掌握不足使得学生在学习电离平衡、水解平衡上存在困难。对平衡的建立，许多学生忽视了弱电解质存在电离平衡，有弱离子的盐溶液才存在水解平衡。平衡的抽象性也增加了学生的学习难度，如稀释溶液后电离程度的变化就是学生易于混淆的问题。

3.2 TPACK框架下教师知识梳理

基于学生的认知情况需对电解质概念教学在TPACK框架下进行重新构建。梳理了两方面的技术知识： 一是DIS化学实验，二是课堂上使用的实时反馈软件、电子白板和翻转课堂的录播软件等。

选择学生相异构想集中的“溶液导电性”来进行设计，具体流程： （1）从PK、 CK角度分析学生情况，选定相应教学的主题和相应的教法、解析教学主题的具体知识点以及具体教学呈现形式。（2）从TCK的角度选择适用的教学技术来改变内容呈现方式，从TPK的角度思考使用该技术后，教学如何改变，选用何种教学策略，如何发挥技术的优势以促进学生的学习与理解。（3）综合TCK和PCK这2种角度，最终将开发好的TPACK教学案例用于课堂实践（见表2）。

“溶液的导电性”主题下内容的选择是基于探查学生电解质概念中发现导电性概念3个问题： （1）导电微粒的探究，（2）导电性强弱的比较，（3）反应过程中导电性的变化。其中根据课程标准、教材、教学目标等，分析其中的内容主题分别对应： （1）电解质与非电解质以及电解质的电离，（2）强电解质与弱电解质，（3）研究电解质在溶液中的化学反应。根据具体的主题对每个内容再分成相应的知识点。

从教学法的选择上，基于电解质概念的抽象性，希望通过学生实验和研究来进行教学，最终选择体验式学习来进行教学。“体验式学习”是由David Kolb根据经验构建的体验式学习模型，用4个节点建立起了4阶段理论模型： 具体体验、观察与反思、抽象概念的形成以及在新情境中检验概念的意义。体验式学习强调学习者在学习过程中的体验，并在经验中总结和反思，使得学习者在体验的过程中获得成长性发展[10]。

4 TPACK框架下电解质概念的教学实践

选择上海化学高一年级第二学期“7.2研究电解质在溶液中的化学反应”这一教学内容进行相应的设计，教材中主要包括： 离子反应、离子反应的意义和离子方程式的书写三个主要的知

识点。

4.1 教学设计

离子反应对于学生而言很抽象，基于TPACK框架下电解质概念的分析后，本研究围绕“研究电解质在溶液中的化学反应”而展开，依据表2中TPACK框架下主题的分析，以体验式学习的教学法，开展TCK分析，通过3个递进的DIS实验设计来推进问题解决，以达到教学目的。具体见表3。

TCK聚焦于探究实验的设计，具体教学设计中展现了PCK和TPK的相关设计，具体见图3。

4.2 教学过程

4.2.1 知识回顾： 微视频引入课题，做好铺垫

[视频]同浓度盐酸和醋酸导电能力的对比（DIS电导率探头）。

设计意图： 电解质电导率相关实验视频（TCK）已经在课前上传到教学云平台（TPK），学生通过云平台进行电解质相关知识复习。课上首先进行实验微视频中通过同浓度盐酸和醋酸导电能力的对比，回顾强电解质和弱电解质的知识点。然后引导学生从微粒的角度分析问题，帮助学生透过现象看本质，从离子角度研究反应的本质。导电性实验也将微观粒子存在具象表现出来，让学生感受到离子存在的事实。

4.2.2 概念建构： 实时反馈技术帮助实验探究，flash动画帮助微观和宏观对比

[思考1]现在向同浓度、相同体积的碳酸钠、碳酸钾和碳酸铵溶液中加入HCl溶液时，能发生什么反应？出现什么现象？电导率如何变化？

[学生实验1]探究碳酸钠、碳酸钾和碳酸铵溶液中加入HCl溶液后电导率的变化（TCK）。

设计意图：

（1）回顾已有化学反应知识，实时反馈学生实验过程后，发现三个实验可以观察到有气体生成，并且电导率出现明显降低，降低的程度基本相同。

（2）通过三个实验的比较，进一步确定在反应过程中出现了H+和CO2-3结合生成了二氧化碳气体和水。通过flash動画（TPK）讨论微观粒子的变化，帮助学生建立在这两个反应中某些离子发生了结合，为离子反应概念及发生条件的给出埋下伏笔。

[思考2]在上述反应中哪些离子之间发生了反应？其他离子有没有发生反应？请用化学符号表达反应情况。

设计意图：

（1）从PCK角度激发认知冲突： 在生成二氧化碳气体的同时，其他离子之间有没有发生反应呢？是不是像我们初中所学习的复分解反应离子两两交换形成了两种新的物质，还是只有部分离子发生反应呢？

（2）引导学生从认知出发，从微观的变化解释宏观的现象。在反应中，H+和CO2-3能反应体现在有气体生成，通过前面的学习，实时反馈技术（TPK）帮助学生完成两种微粒之间的反应： 2H++CO2-3H2O+CO2↑。

4.2.3 意义挖掘： 对比分析，挖掘反应本质（DIS温度探头）

[学生实验2]通过测定酸碱中和反应过程中的温度变化探查中和反应的本质（TCK）。

设计意图：

（1）通过比较相同浓度下H+与OH-离子反应前后温度变化和电导率变化，发现氢离子的浓度决定了温度和电导率的变化。从而得出离子反应的概念： 离子反应是有离子参与的反应。

（2）通过学生实验1和学生实验2发现，离子反应的发生必然是电导率降低的过程，代表着离子浓度减少。让学生得出离子反应的本质： 离子反应是向着离子浓度减少的方向进行的。并让学生归纳出离子浓度减少的三种情况： 生成沉淀、气体和弱电解质。

4.2.4 符号表征： 学习离子方程式表达（实时反馈）

[投影]离子方程式的书写。

设计意图： 传统教学中按照“写、拆、删、查”四步来教授离子方程式书写，对于学生而言仅仅是通过记忆获得，会存在以下问题： （1）学生低效地书写离子方程式，必须先书写化学方程式，同时在铝、铁的教学中学生对于新的离子方程式的应用和书写存在较大问题;（2）高一学生往往会受初中所学复分解条件的影响，只关注生成物的状态而忽略了反应物;（3）在离子共存等问题中学生还经常会出现“认为Na+和Cl-会反应”的情况。离子方程式的书写不能模式化，应该从反应的本质入手，让学生真正理解感悟离子反应的本质。

从反应物来分析溶液中的微粒，思考哪些微粒之间能发生反应？关注了微粒间的变化，将实际参与的离子用符号表达出来，这就是离子方程式的意义。利用实时反馈（TPK）将学生对离子反应的认识思路直接呈现出来，通过学生的讨论归纳离子方程式的书写要求。

[思考3]将盐酸和碳酸钠溶液的反应进一步拓展。将反应物中的盐酸改为醋酸溶液、将碳酸钠溶液改为碳酸钙，离子方程式会如何变化？

设计意图： 将已有的知识进行巩固强化，并与最早的实验视频中的醋酸呼应，理解离子反应的本质。

4.2.5 拓展应用： 强化离子方程式符号表征

[思考4]OH-+H+H2O还能表达哪些反应？

设计意图： 该问题的设置突破了从物质出发研究反应的过程，考查了学生对概念的掌握和运用。在问题思考中，学生会设计很多酸碱中和反应，笔者只需要逐一分析反应物和生成物在水溶液中的主要存在形式即可。

课后强化： 本节课后将上课相关视频传到教学云平台（TPK）上供学生进行复习，并要求学生进行以下思考： （1）H2SO4溶液和Ba（OH）2溶液反应的离子方程式如何书写？（2）向醋酸溶液中滴加少量氨水，导电能力如何变化？问题思考后反馈至云平台。

4.3 教学实践研究与教学反思

笔者根据高一阶段测试成绩作为前测，从高一年级选择2个班级（共54人）进行教学实践研究，所选班级的学生学习水平、学习状况基本相当。其中一个班级为实验组，另一个班级为控制组。笔者在实验结束后，以自编试题为后测，来考察学生对教学内容的掌握程度。

本实验的自变量为TPACK框架下电解质概念的教学，实验组采取TPACK框架下电解质概念的教学，对照组采取常规教学。干扰变量控制包括： （1）学生性别，实验组和对照组男女生比例相当;（2）教师情况，实验组与对照组为同一教师授课。

在前测中对学生情况进行描述统计、F检验和t检验。F检验，p=0.2015<0.05，表示方差不存在显著性差异，再进行T检验（等方差假设），对应概率p=0.7912>0.05，因此在被试样本中，这两个样本在0.05的水平上没有显著性差异，说明对照组和实验组在进行TPACK框架下电解质概念的教学实验前学业成绩上没有显著性差异。

经过教学后进行后测，对后测进行F检验，p=0.0430<0.05，表示有显著性差异，再进行T检验（异方差假设）后，得到t统计量平均值为1.6779，对应概率p=0.0362<0.05，说明这两个样本在0.05的水平上有显著性差异，说明实验组在进行TPACK框架下电解质概念的教学后学业成绩上要明显高于对照组。

通过对照组和实验组的比较，可以得出TPACK框架下电解质概念的教学能有效地提高学生成绩。同时TPACK框架下电解质概念的教学有助于发挥学生的主动性，学生能更加积极地参与到课堂教学中。因此，在化学课堂中进行TPACK框架下电解质概念的教学对教师和学生都是大有裨益的。

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