基于TPACK指向科学本质的教学模型构建<br/>——以“地球的形状”为例

基于TPACK指向科学本质的教学模型构建
——以“地球的形状”为例

2020-10-11阮庆元梁荣君

物理教师 2020年9期

阮庆元梁荣君

(1. 温岭市教育局教研室，浙江台州 317500； 2. 温岭市第八中学，浙江台州 317519)

初中科学课程是以对科学本质的认识为基础、以提高学生科学素养为宗旨的综合课程.[1]关于科学本质的教学，在理论层面主要研究其包含的内容，将其视为三个维度即“作为知识体系的科学(科学知识)”、“作为探究活动的科学(科学研究)”和“作为人类事业的科学(科学事业)”的观点较为突出，称之为“三维框架”.[2，3]在实践层面主要研究科学本质教学的途径，其中将科学史哲融入科学课堂与教学之中的“融合模式”，具有很好的教育功能.

教学过程是学生、教学材料和教师发生相互作用的动态过程.[4]教学过程传递的是知识，知识是能力、品质等素养的载体.知识在教师和学生内部以隐性表征的形式存在，科学本质内容中的相关条目则是关于科学本质知识的显性表征，因此，科学本质的教学应表现为以教师的知识为基础，结合科学本质的内容显化为可传授的知识，并在学生中形成关于科学本质的知识体系.

1 横向分层：科学本质教学的基础、关键和目的

1.1 教师知识：科学本质教学的基础

教师是教学的主导.教师自身的知识结构承载了教师关于学科内容的相关观念，因此在科学本质教学中，教师具有的、与教学内容相符的、并与科学本质相关的知识就成为了科学本质教学的主要载体和基础.随着科学技术的发展，关于教师知识结构的框架主要有TPACK框架，其框架提出教师应具备的3大核心知识为学科知识(CK)、教学法知识(PK)、技术知识(TK).[5]如表1为“地球的形状”[6]一课中教师所应具备的核心知识一览.

表1 核心知识一览表

1.2 条目确立：科学本质教学的关键

教学材料作为教学中介是指教学的内容.就科学本质教学而言，显性的材料是指教材中的内容，而隐性的材料则是指隐藏于教材内容背后的关于科学本质内容的共识，“三维框架”是形式之一.“地球的形状”一课中关于科学本质的三维框架如表2所示.由于教学内容所限，该一览表中只涉及科学本质中的部分条目，整合教学目标，可提炼出教学材料中的重要条目为科学知识维度的暂时性、科学研究维度的实证性与批判性和科学事业维度的科学精神和态度，称为该节科学本质教学的核心条目.

表2 科学本质的具体条目一览表

1.3 学生知识：科学本质教学的目的

学生是教学的主体.教学的有效性体现在学生的知识结构转变上，因此，科学本质教学的目的所在就是学生习得科学本质的相关知识内容，并将其纳入原有知识体系.PISA2015测试框架中认为学生的知识结构包括内容性知识，程序性知识和认知性知识.[7]3类知识具有递进性，“地球的形状”教学中，学生知识如表3所示.

表3 学生知识一览表

2 纵向联结：科学本质教学的基本途径

关于科学本质教学的途径，分为内隐途径和外显途径.内隐途径是指在教学过程中将科学本质的相关观念嵌入科学探究等活动中，让学生间接体会；外显途径是指将科学史哲融入到科学教学中，让学生直接体会，称为“融入模式”.[2]将科学本质教学的途径归纳为上述两种途径有较强的实践意义和教育功能，但教学过程应拓展“内容”到“教师”和“学生”，因此可拓展科学本质教学的基本途径.

根据上述论述，教师知识、学生知识和科学本质内容中的条目均由子要素构成，根据其相关性进行纵向联结，可将科学本质教学拓展并归纳为3种基本途径，即“学科知识—科学知识—内容性知识”、“教学法知识—科学研究—程序性知识”和“技术知识—科学事业—认知性知识”.

2.1 学科知识—科学知识—内容性知识

就科学学科教学而言科学知识是学科知识的一种表现，因此将教师具备的学科知识和科学本质中科学知识维度作为基本途径是合理的.就学生习得的知识而言，作为学科知识的科学知识对应的科学本质条目可视为内容性知识的重要来源.

案例1.在学生建立了地球的形状是球体的观点后，为了更精确地描述地球的形状，通过定量研究展示地球的赤道半径、极半径和平均半径的相关数据.教师要求学生讨论：“地球的形状是球体吗？”学生讨论并表达不同观点：“因为球体应该各处半径都相等，而这个数据显示极半径和赤道半径不同，所以不是球体.”“因为尽管极半径和赤道半径不相等，但相差很少，所以可以认为是球体.”教师追问：“21 km大概是从学校到城区的距离，很少吗？”学生回答：“相对于地球平均半径而言，21 km很短.”教师进一步追问：“能用数学的方法表示21 km相对于地球平均半径6371 km很短吗？”教师提示用百分比表示，并让学生进行计算，具体途径如图1所示.

图1

2.2 教学法知识—科学研究—程序性知识

就科学学科特点而言，教师所具有教学法知识除了通用的教学法知识外，专用的教学法知识主要是科学方法的知识，包括科学研究过程中涉及的方法，因此教师具备的教学法知识指向的是科学本质维度中的科学研究维度.而进行科学研究，或科学实验是学生习得怎么形成相关知识即程序性知识的重要途径.

图2 平面模拟实验图

案例2.根据“平静的水面，广袤的草原”，人们认为地球是平面的.随着人们活动范围的增加，观察到帆船离岸而去的现象.面对新现象人们试图利用已有的科学知识对其进行解释.学生采用水面是平面这一原有模型解释这一现象.每4人一组进行模拟实验.如图2所示，利用平整的泡沫模型模拟平坦的海面，铅笔的笔尖模拟帆船的船身，笔尾模拟帆船的桅杆.观察的实验结果与事实不符，说明海面是平的这一结论是错误的.教师引导利用其他模型模拟海面，让观察到的现象与海岸观船中出现的事实相符.各小组进行模拟实验并在实验完成后进行汇报，分别选择斜面、圆柱体、半球体、球体和橄榄球模拟海面，观察到了和实际相符的现象.结合真实的帆船向各个方向航行都可以观察到类似情况，排除斜面和圆柱体两种模型，确证球体和橄榄球两种模型，具体途径如图3所示.

图3

2.3 技术知识—科学事业—认知性知识

科学事业依托于科学技术，同时技术也可以解释知识应何而来，因此，教师具备的技术知识、科学本质中的科学事业维度和学生习得的认知性知识就构成了科学本质教学的基本途径.

图4 模拟月食实验图

案例3.结合科学史可知“月食”可作为地球形状是球体的证据.但学生不知道为什么可以作为证据.教师如图4进行模拟实验，屏幕上亮圆模拟月亮，分别在镜头和亮圆之间的合适位置多次改变圆柱体、橄榄球或球体的方位模拟地球，观察实验现象.当利用球体时发现多次实验结果其阴影边缘都是圆弧形的，当利用圆柱体时发现其中一次得到的圆弧形，当利用橄榄球形发现不能得到圆弧形.结合人们多次观察到月食边缘都是圆弧形的，得出地球形状模型是球体最合理，具体途径如图5所示.

图5

显然，这3种途径并非独立的，而是交叉的.就教师知识结构而言，在案例1中学科知识整合了教学策略等教学法知识即PCK知识；在案例2中教学法知识整合了灵活运用模型这一技术知识即TPK知识；在案例3中技术知识整合了教学法和学科知识即TPACK知识，因此在具体教学情境中，教师所应用的知识结构不是独立的，而是灵活整合3大核心知识形成PCK、TCK、TPK、TPACK等复合性知识进行教学，这亦是教师TPACK知识框架的内涵所在.[8]

就科学本质条目而言，案例1中“通过定量测定的方式得出的地球半径的数据是最直接的定量证据”体现实证性、“地球半径数据的测得依托于科学技术的支持”体现科学、社会和技术的关系；案例2中“ 通过对平静水面这一现象的分析，有些得出地球的形状是平面，有些认为该现象不可靠”是科学知识维度中主观性的体现；案例3中“月食内侧边缘的形状可以作为地球形状是球体的证据”是实证性的体现.

就学生习得知识而言，案例1中包括了“地球的形状为什么不是正球体”这一认知性知识；案例2中包括了“地球的形状是球体或橄榄球形状，非平面或斜面”是内容性知识；案例3中包括了“月食是地球的形状是球体的证据”是内容性知识.

3 纵横成体：科学本质教学的四面体模型

图6 四面体模型

教学过程是复杂的，简单的纵向联结不能说明科学本质教学的复杂性和系统性，因此，必须视其为系统，纵横成体，构建起指向科学本质的教学模型如图6所示，称其为四面体模型.

3.1 四面体模型的逻辑架构

横向而言,模型从下往上分为3层，分别为教师层，内容层和学生层.教师层是科学本质教学的基础，其内部表示教学情境，其中整合技术的学科教学法知识(TPACK)位于该层的中心位置.内容层中具体条目的确定则是科学本质教学的关键，其内部表示由教学内容所确定的关于科学本质条目的具体范畴，其中心位置是核心条目.学生层则是科学本质教学的最终目的，顶点是指向科学本质的教学目标的达成.

纵向而言,由3条线构成3个面，反应了从教师层向内容层和学生层的过渡，实则是科学本质教学的途径体现.真实的教学情境是错综复杂的，因此其教学途径也是复杂多变的，结合知识的显性和隐性特征，模型的可视面反应外显途径，不可视面反应内隐途径.

整体而言，作为主导地位的教师知识势必比学生习得的知识包括的范畴更广，教师将已达成共识的关于科学本质内容的知识转化为显性的知识表征，将其中核心的部分传递给学生，学生再内化为自身关于科学本质的隐性知识，实现指向科学本质教学之目的.同时，教学过程是在有限时空内发生的动态变化过程，因此教学情境应包含于教师、教学材料和学生根据真实情境所形成的时空范畴之内，即四面体所内含的范围.整体的教学情境又反馈于教师层，使教师灵活整合各类知识，再次体现TPACK的内涵所在.[8]