基于TPACK理论的力学类课程教学新形态构建

陈卓 周开发 王帅

摘要：本文以新工科人才培养目标为指导思想，依托现代智能教育技术和教育教学理论，提出了基于TPACK理论的力学类课程教学新形态，并从“知识可视性”“回归工程性”“迭代发展性”三大改革理念出发，围绕教学内容、教学资源、教学实践、教学评价四个方面开展了教学新形态的构建，从而形成了一个面向新工科有效提升学生解决问题能力的基础力学课程教学模式，以期能够对信息化教学的实践研究提供一定的参考。

关键词：混合式教学;智能+;TPACK

中图分类号：G40-057  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）11-0104-05

● 引言

当前，随着信息技术的不断发展，大数据、云计算、物联网以及学习分析等互联网技术正在促使教育模式转型。TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge）正是一个契合“教育”与“技术”融合的核心理念。多因素的TPACK理论模型，既反映了教育的复杂本质，又反映了教育的动态变化过程，更为教师构架知识结构指明了方向。因此，在信息化与学科融合过程中，引入TPACK理念，开展教学新形态建构很有意义。

力学类课程作为高校工科专业的核心专业基础课，是学生学习专业课程的基础和桥梁，对学生工程观念的培养、工程分析能力的强化和工程实践能力的发展起着十分重要的作用。然而，在教学现状调查研究中笔者发现，力学课程教学存在以下三个突出问题：①教学内容固化，未能与时俱进，与新工科人才培养目标不相适应。②课堂教学与考核模式单一，教学方法和手段相对滞后，未能有效融入信息化时代的背景。③缺乏对学生建模思维和抽象思维的塑造，缺乏数值仿真技能及定性分析能力的培养，与解决工程实际问题的能力需求不相适应。

以上问题的出现，说明传统的教学模式已不能满足新工科人才培养的需求。基于TPACK框架对力学类课程展开教学形态信息化的构建与实践，已然成为新时代工程教育改革的重要内容之一。

● TPACK理论

TPACK理念最初来源于Shulman教授等提出的“教学学科知识”，其认为教师的知识涉及“学科内容知识”（Content Knowledge，以下简称CK）与“教学法知识”（Pedagogical Knowledge，以下简称PK）的复杂互动，两种知识的有机结合形成学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge，以下简称PCK）。2005年，Koehler和Mishra在PCK基础上通过“整合”技术知识而形成一种新的知识，即“整合技术的学科教学知识”（Technological Pedagogical Content Knowledge，简称TPCK;后期为便于拼读，成为TPACK），从而提出了一种整合教育技术的全新概念框架[1]，如图1所示。

近年来，国外学者已在TPACK的发展策略研究[2]、理论框架研究[3]、境脉因素研究[4]、测量方法研究[5]，以及TPACK实证调查研究[6][7]、TPACK在信息与通信技术课程中的应用[3][7]等方面取得了一定成果。國内学者在TPACK的理论综述[8]、教师的TPACK能力培养[9]以及TPACK与具体课程相结合的应用[10][11]等方面也做了相关研究。袁智强[12]研究了英属哥伦比亚大学的一门在线教育硕士项目课程——“运用技术教数学与科学”，解释了TPACK概念的重要性和创造性，并在此基础上，讨论了如何将信息技术整合到教学中，如何表达乏味的知识，以及如何促进学生数学思维的健康发展，提出了一种新的基于TPACK的数学教学模式，让“知识-教学-技术”充分融合以促进大学数学教学。目前，将TPACK与具体学科相结合的研究已经成为研究的主要方向之一，但还未见基于TPACK的力学类课程的教学设计和实践的研究。因此，在TPACK理论指导下，借鉴已有的理工类课程信息技术整合的研究，开展对力学类课程课堂活动设计、教学实施效果的深入研究，探索“教育技术”“教学法”和“力学学科内容”的合理整合也将更具价值。

● TPACK理论下的教学改革理念

从TPACK框架下的学科知识、技术知识、教学知识三个方面出发，笔者分别提出了三大教学改革理念，即“知识可视性”“回归工程性”“迭代发展性”，以真正实现从“教学为中心”向“学习为中心”的转变。

1.知识可视性

力学课程是理论和逻辑性很强的学科，在学习过程中学生会遇到很多力学概念阐述，以及受力分析计算、理论公式推导等难以理解的知识内容，这些知识单靠教师讲解，难以让学生真正理解，而借助信息技术将这些知识的原理过程展现出来，让学生视觉感受知识，亲密接触知识，能促进学生对知识的理解，实现深度学习。

2.回归工程性

传统力学课程把学生固定在“教科书”里，与人的实际生活分离，从而导致知识与能力的分离和脱节。在整合信息技术后，可实现基于三维可视化技术创设情境，通过案例教学呈现典型工程问题。以实际工程项目为背景，构建学生力学思维，着重解决普遍存在的力学计算简图简化过程缺失、力学概念与实际工程关联模糊、力学抽象概念难以理解等教学问题，从而与结构设计流程中各阶段能力要求相适应。

3.迭代发展性

在信息化环境下，技术、教学法与知识三者中任何一个要素发生变化，其他两个要素均需适时地做出改变和补充，同时，信息化教学设施、学情、班级环境等具体情况也是动态变化的。因此，在这一动态教学过程中，教学形态需要不断地更新和迭代，以实现教师与学生的共同发展。

● TPACK理论下的教学新形态构建

笔者在TPACK理论研究的基础上，结合一线教学经验、问卷调查结果、典型案例分析等，以结构力学课程为例，从以下四个方面开展教学新形态构建。

1.在教学内容上，重构课程体系

首先，结合新工科背景及结构力学课程的学科知识，对教学内容进行分析。其次，从知识、能力、价值三个方面进行教学内容重构，并打破以往仅以课本内容进行划分的传统方式，提炼出工程人文、基本理论、现实应用、综合拓展四大模块，进而准确有效地对应价值传递、知识提升、能力培养的三大目标。整体课程构架设计如图2所示。

2.在教学资源上，引入智能科技

运用信息技术着重打造四大类课程软件资源，即三维动态仿真教学视频、工程人文教学案例库、数值模拟分析程序包、力学游戏教学APP。其中所开发的一系列互动仿真程序，学生可通过调节程序的参数，用可视化的方式更直观地理解抽象力学概念。

以三维动态仿真教学视频为例，传统力学课程是以实际工程问题简化后的力学模型为研究对象，只对典型结构类型开展计算、分析，这就导致了学生从工程案例转化到力学模型，即计算简图的能力缺失，最终导致与实际问题无法建立联系，仅停留在理论模型分析的阶段。因此，关于结构计算简图来源的情境创设不可或缺。

笔者所在課程组基于三维仿真技术，通过典型工程案例（如图3），提出了实际项目中所涉及的力学问题，引导学生遵循“整体结构—分体系—构件”的思路进行计算简图背后的工程应用介绍及计算简图建立的能力培养训练，如杆件、结点、荷载的具体简化及计算简图选取的重要性，并进行不同计算模型的对比取舍。同时，借助三维动态视频展示结构的拼装连接过程，并进一步巩固结构的几何组成分析过程，从而与结构设计流程中结构体系选择、结构布置、载荷计算、计算简图建立各阶段能力要求相适应。

3.在教学实践上，开展混合模式

课程组基于建构主义和复杂学习理论，采用了线上线下相结合的混合教学模式，在教学过程中，实施基于5E的TPG迭代循环教学法（如图4）。5E分别是指引入、探究、解释、转化和评价。通过逐级递进的活动引导学生参与，激发学生学习兴趣，引导学生深入理解概念，建构知识框架，形成科学思维。

同时，在5E教学过程中，引入TPG混合驱动方式。“T”是TBL（Team Based Learning），即团队学习;P是PBL（Problem Based Learning），即问题导向学习;“G”是GBL（Game Based Learning），即游戏化学习。TPG采用团队学习的模式，以问题导向、项目导向以及游戏化教学的方式逐步开展教学活动。TPG教学模式激发了学生主动学习的意识，提升了学生协同合作能力及创造力，并能促使学生有效完成高阶性、挑战性任务。

基于5E的TPG迭代循环教学法以一个知识模块为一次闭环教学操作，多个知识模块迭代循环使用该教学法，以“素养递进路线”“知识完善路线”和“能力提升路线”三条发展主线贯穿全程，形成有梯度的、递进式的教学模式。

4.在教学评价上，设计多元指标

在教学评价上，课程组设计了全方位、多元化的评价形式，具体包含过程性教师评价、同侪评价、自我评价以及终结性评价四大项内容，具体如右上表所示。这样的过程性评价体系包含以下特点：①对学习过程进行了价值建构;②强化了学习过程而非学习结果;③突出了学习者的自主参与性;④激发了学生学习积极性和创新性;⑤实现了深层式学习量化测评。

这些特点有利于学生的知识建构和创新能力培养，促进学生提升线上自主学习、线下协作学习的能力，同时能够客观全面地反映师生双向互动的教学过程，引导教师、学生优化教学互动形式，实现教学质量的持续性提高。

● 结语

本文从基础力学类课程学情出发，找出教学痛点与急需解决的问题，提出了“智能+”背景下，解决这些难题的理念与方法——将TPACK理论运用到力学类课程教学中，将信息化教学模式与力学课程教学深度融合。这一新的教学形态，有助于提升学生的人文素养、专业知识与能力水平，有助于培养全面发展的“新工科”高素质应用型人才，同时也为信息化教学研究提供了一定的参考，从而促进力学教学质量不断提升。

参考文献：

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[12]袁智强，MARINA MILNER-BOLOTIN.基于TPACK理论的学科教育技术课程研究及启示——以英属哥伦比亚大学“运用技术教数学与科学”课程为例[J].数学教育学报，2020，29（01）：6.

作者简介：陈卓（1978.12—），讲师，硕士，研究方向为基础力学。

本文为教育部产学合作协同育人项目“面向应用型人才培养的力学课程教学改革”（项目编号：202101361028）、“互联网+三维微课件自适应在线学习下的《结构力学》课程资源建设”（项目编号：202101149008）、“虚拟仿真技术在基础力学课程体系中的应用研究”（项目编号：202101161005）;重庆交通大学教育教学改革研究项目“‘智能+新工科’视域下基础力学课程体系融合创新与实践”（项目编号：2103053）;重庆市高等教育学会2021-2022年度高等教育科学研究课题（项目编号：CQGJ21B045）的阶段性研究成果。