TPACK框架下的“地球物理测井”教学设计

骆 淼，潘和平，马火林，赵培强

中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

近十几年来，教师逐渐认识到信息技术对教学巨大的促进作用，也都不断地尝试将一些新的信息技术和教学内容整合在一起形成新的教学方法，以获得更好的教学效果。但是由于各个学科的教学特点差异较大，教师们在将信息技术和学科教学进行整合的过程中普遍面临一些困难[1-2]。

围绕教学法、学科内容和技术三要素的交叉与整合，国外的一些学者逐步提出了“整合技术的学科教学知识”（Technological Pedagogical and Content Knowledge，简称 TPACK）这一理论框架[3-5]。随后国内很多教育者也对TPACK理论进行研究，并逐步将TPACK理论应用到教学实践中，取得了良好的教学效果[6-9]。

随着计算机、互联网、移动通信、人工智能等技术的飞速发展，学生的学习方式和教师的教学方式都需要不断革新。作为一名当代的大学教师就必须将教学内容、教学方法和信息技术三者有机结合起来。地球物理测井作为勘探地球物理学科的一个分支，涉及多种物理测量方法和探测仪器的应用，与最新的物理测量方法和探测技术结合得很紧密。 在教学中，既要把相关的物理理论给学生讲清楚，还要给学生阐明各种仪器的工作原理以及测量数据的解释方法，而传统的“地球物理测井”课程教学大多是通过课堂讲授（幻灯片演示）来向学生讲解各种测井方法的物理原理，测井仪器的结构和工作原理，测井数据的处理解释方法。很显然，这种传统的教学方法使用的技术太单一，没有将学科内容、教学法和信息技术进行充分的交叉和整合。本研究从 TPACK视域出发，在“地球物理测井”课程教学中，就教学内容、教学法和信息技术三者的交叉整合进行了探索，得到一套新的测井教学设计并可以应用到实际教学之中。

一、TPACK理论的含义

作为一名新时代的大学教师，想要提高自己的执教能力，就需要不断学习新的教育理论。要使用TPACK理论来指导教学实践，必须正确理解这一理论。

Pierson在2001年关于教师如何整合技术于教学的研究被认为是TPACK概念最早的起源[3]。Koehler 与Mishra 于2005年正式采用这一概念，并对其做出进一步的定义与阐述[4]。随后Mishra和Koehler又进一步对TPACK概念进行了发展与完善[5]。

根据 Koehler 与 Mishra对 TPACK的描述，TPACK 指将信息技术整合于课堂教学的知识综合体[4]。顾名思义，它包括三个核心成分：技术知识（Technological Knowledge，TK）、教学知识（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：图 1 中的PCK、TPK、TCK 与 TPACK。所以TPACK一共包括了七个成分[10-11]。这七个成分之间密切的联系和相互作用，概念上容易混淆，需要认真的学习之后，才能正确地运用。

图 1 TPACK理论框架的组成结构

二、地球物理测井学科内容与教学方法交叉整合

“地球物理测井”课程教学涉及十几种岩石物理参数和工程参数探测方法、探测仪器以及探测数据的处理解释，所以课程既有很强的理论性，又具有很强的实践性。理论可以指导应用，应用又反过来促进理论的发展，二者同等重要。所以在教学过程中，教师需要将课堂教学和实验教学穿插进行，趁热打铁，促进学生对所学知识的理解。

“地球物理测井”课程涉及的探测方法众多，往往要根据学生的专业需求和学时数，选择所需要的方法来教学。所以我们要摆脱对教材的依赖，给出优秀的参考书和参考文献，教师引导学生去阅读。例如：对于勘探地球物理专业所开设的48个学时的“地球物理测井”课程，表1列出了其主要教学内容。根据选定的教学内容，我们再选择合适的教学方法。

表1 “地球物理测井”课程教学内容与学时安排

在自然电位测井的教学中，我们可以引入翻转课堂（Flipped Classroom）的教学理念。通俗地讲，翻转课堂理念的核心就是自学、思考、表达（简称“学思达”）。我们事先将教学中的难点（扩散电动势、扩散吸附电动势的成因）布置给学生，给他们两三天时间去自学相关的内容，并学习制作讲义，记录问题。然后在上课的时候，请同学们走到讲台上展示自己的讲义，并分组进行问答练习，先让甲组学生提问乙组学生回答，然后乙组学生提问甲组学生回答。教师主要负责设计自学内容，对讲义展示、问答、总结等环节进行设置，管理课堂的时间安排，通过观察学生的表现，对错误的地方及时纠正，对有困难的学生及时给予帮助，鼓励学生先自己思考，再积极交流。通过课堂内外学习内容的翻转，学生与教师角色的翻转，让同学们和教师在课堂上有更多的互动，促进学生对知识的吸收消化，同时提高学生的自学能力和表达能力。

在密度测井教学中，我们可以采用以问题为导向的教学方法（Problem-based Learning，简称PBL），首先提出问题—如何获得地下岩石的密度，让学生充分利用互联网资源查阅相关资料，分小组开展讨论（每个小组6～8人），获得一套可行的方案，每个小组推选一名代表阐述本小组针对问题的解决方案，然后教师对每组的方案给出评价，最后每组学生对方案进行修改完善，从而理解密度测井的方法原理。

在电阻率测井教学中，我们则可以引导学生制作思维导图（Mind Map），把电阻率测井中的主要方法和颜色、图案联系起来，使枯燥的专业术语变得有趣可爱，这样可以大大提高学习效率，增强学生的理解和记忆能力（图2）。同时还可以训练学生的发散思维，从一个教学的关键词迅速扩大到相关的方法内容，搞清楚知识点之间的关联关系。另外，思维导图还可以帮助学生分析电阻率测井方法的演化过程以及各种方法的优缺点。

图2 电阻率测井方法类别思维导图

在讲授完方法原理之后，我们立即安排实验课，在实验井中演示各种测井仪器的操作技能，数据采集方法和软件，以及施工安全要素。我院测井实验室有三口实验井（深度近200米），先后配备了美国蒙特（Mount-Sopris）公司生产的三测向电阻率、井径、井斜、井温、流体电导率、自然伽马测井探头，卢森堡Electromind公司生产的磁化率、超声波成像、全波列、自然伽马能谱、聚焦电阻率测井探头，以及原重庆地质仪器总厂生产的常规测井仪器。

实验课可以让学生亲身体验各种测井仪器的结构特点和应用效果。但是目前存在的问题是测井探头种类多，一种探头的实验都需要30～40分钟，而且绞车、主机、探头大多都只有一个，加上学生人数往往较多，没办法让每个学生都进行一次完整的实际操作。大多学生只能是在旁侧观摩实验过程，而没有办法独立体验测井仪器的操作和测量过程。所以今后，可能还需要增加测井实验课的学时，让每个学生都能有机会亲手操作测井仪器。

三、教学方法与技术交叉整合

很多新的教学方法之所以能得到广泛应用，离不开现代计算机、网络和信息技术的快速发展。同样的道理，随着新技术的不断发展，教学方法也需要不断的革新。前几年还有很多教师反对使用幻灯片教学，认为传统的板书才能够让学生记忆更深刻，但是现在大多教师都喜欢采用幻灯片来教学，因为幻灯片显然比板书有更多的优势。如今电子白板的推出和广泛使用，将会彻底地淘汰黑板，它既可以作为显示屏，也可以作为板书的黑板。

在“地球物理测井”课程的教学中，我们引入以问题为导向的PBL教学、翻转课堂和思维导图教学，都需要新技术的支持，需要对教学法和技术进行有效的整合。在以问题为导向的教学方法中，学生需要查阅资料，快速获得相关文献，就必须有高速的网络以及大容量的磁盘，然后学生需要找出问题的解决方案并记录下来，再通过网络社交平台，实时与其他同学进行讨论，进一步完善自己的方案。在翻转课堂教学方法中，学生同样需要高速的网络以及大容量的磁盘，快速获得相关文献，然后用软件制作幻灯片。在遇到困难时，学生可以利用网络社交平台向教师和同学求助。在思维导图教学方法中，学生需要了解思维导图的绘制技巧（形状的使用，颜色的搭配，合理的布局），可以手工绘制，也可以利用软件更好地完成思维导图绘制，在课堂上完成思维导图，学生则需要掌上电脑和智能手机的辅助。

在将新的教学方法引入教学中时，我们必须在技术方面要有较充分的准备，教师要熟悉各种教学法所要用到的技术，同时也要了解学生对技术的掌握情况，这样才能保证新教学方法的顺利应用，取得好的教学效果。

四、地球物理测井学科内容与技术交叉整合

在针对学生专业需求设计好教学内容之后，教师就需要借助于现有的技术来表现自己的教学内容。所以教师还需要不断学习和掌握新的技术并应用于教学活动。近几年，在“地球物理测井”课程教学活动中，我们不断将动画、录像、电子白板、无线网络、移动通信等技术引入到课堂教学之中，取得了较好的效果。

例如：在讲解超声波成像测井在井下的测量过程时，用语言很难描述它的三维运动情况，以及它绘图的过程和图像与井壁的对应关系，借助于三维动画技术我们则可以更好地解释这种井下的三维过程。

在测井数据解释中，由于需要现场给学生演示数据的准备、计算、绘图等过程，我们就需要借助触摸一体机，它既可以显示，也可以计算绘图，以免教师在操作鼠标和键盘等设备时，无法兼顾学生的反馈。

在中子测井讲解中子的弹性散射和非弹性散射时，我们鼓励学生使用掌上电脑和智能手机，利用校园无线网，实时在网上检索这两个概念并理解中子与其他原子的作用过程，为讲解中子测井仪器的工作原理做好铺垫。

在绪论中介绍测井施工概况时，还可以通过播放油田测井现场作业的视频，向同学们真实地再现石油测井的工作场景，让同学们对测井车、测井仪器、绞车、钻塔、电缆等设备有更形象的认识。

今后，随着三维打印技术、全息投影、人工智能和无人机等技术的不断发展和普及，我们的测井教学内容还需要不断地与新技术进行交叉和整合，这样才能取得更好的教学效果。

五、结束语

新教学理念的不断涌现，新技术的日新月异都给传统的教学方法既带来了挑战，也带来了机遇。TPACK理论为我们总结出了教学中最基本三个要素以及他们相互交叉的特性，让我们对教学活动的局部和整体有了新的认识。

以TPACK理论为指导，我们在地球物理测井教学设计和实践中牢牢把握教学中的三个核心要素，使测井学科内容、教学法和技术充分交叉整合，以便激发学生的学习兴趣，提高学生的参与度，增加师生之间的互动。在将地球物理测井学科内容和教学法交叉整合的实践中，我们根据教学内容选择不同的教学方法，既可以让学生学到相关的学科知识，也能训练学生的自主学习能力、表达能力和创新能力。将地球物理测井学科内容和技术交叉整合是我们实施新教学方法的基础。将教学方法和技术交叉整合直接决定了我们的教学情景和教学形式。所以，我们要在教学实践中不断协调三者的关系，才能取得好的教学效果。

学科内容、教学法和技术在教学实践中是一个有机的整体，必须整体考虑，否则很难达到最佳的教学效果。所以教师们首先要学习TPACK理论，然后在教学实践中运用TPACK的理念，实现学科内容、教学法和技术的交叉融合，改进传统的教学方法，提高大学生的自学能力、表达能力、团队协作能力和创新能力。