基于TPACK 框架促进深度学习的高中化学教学设计与实践

2024-04-07深圳市新安中学集团燕川中学刘晓岚罗秀华

师道(教研) 2024年3期

文/深圳市新安中学（集团）燕川中学刘晓岚罗秀华

一、TPACK 理论与化学深度学习

TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge）理论是美国密西根州立大学的Punya Mishra和Matthew J.Koehler 提出，被译为“整合技术的学科教学法知识”。该理论为信息技术在课程教学中的融合提供了理论框架，将技术知识、教学法知识、学科内容知识相互融合，并强调教师利用新技术实现有效的教学。

深度学习理论注重学生在课堂教学中运用多层神经网络，在认识和理解知识的基础上，深入到本质的学习，并建立高阶思维。杨大辉在其《深度学习的技术》中提出5 个学习层次，即“记、懂、网、拓、活”，他几乎整合了所有高效的学习方法，指出从记忆力和理解力的最大化到建立自己的知识体系，都需要深度学习。

基于以上背景，本文旨在以TPACK 理论框架为基础，将信息技术与化学学科知识有效融合，设计旨在促进学生深度学习的高中化学教学课堂，提升学生的理解力，实现有效且有深度的课堂。

二、基于TPACK 框架促进深度学习的高中化学教学策略

（一）整合教学知识与教学法知识，构建知识网络体系

基于TPACK 理论框架，将学科知识结构化、学科思维结构化整合。教师在备课中，要注重整合教学内容，设计合适的教学目标与评价目标，进而选择恰当的教学方法，将学生核心素养的发展落实到具体的教学活动中，以达到学生知识的结构化和思维的结构化，从而实现深度学习。

以人教版高一化学必修二《化学反应与电能》为例，以问题为导向设计教学：第1 课时，以“何为原电池？”“如何设计一个电池？”出发学习原电池概念、工作原理等内容；第2 课时，以“什么样的电池是好电池？”“未来电池的发展趋势是什么？”问题深入研究生活中电池的迭代与工作原理，以及从能源利用与绿色化学的视角探讨未来电池的发展趋势，学习和理解电池的电极材料、电解液和电极反应式等相关内容。

（二）整合教学知识与信息技术，深化学生的理解程度

基于TPACK 理论框架，教师还需要深化学生的理解程度，需要学生在构建知识网络的基础上，完成对知识的深入理解和拓展。化学教师在设计教学活动和教学方法时，可以充分融合多元化的信息技术。这些信息技术与学科教学知识相融合，能够帮助学生更加深入理解抽象的化学理论知识，同时为课堂的即时评价提供便利，以促进教学中的深度学习。

以人教版高一化学必修二《化学反应与电能》为例，该主题属于概念原理课，相对于元素化合物性质课更抽象，尤其是学生理解原电池工作原理较为困难。结合该主题特点，做出以下几点信息技术融合手段：第一，利用同屏技术实时反馈与评价学生课堂表现；第二，利用动画视频，建立原电池工作模型，展示原电池工作时微观电子和离子的运动方向；第三，在学生设计电池环节，采用传屏技术，同步学生的学习成果，及时反馈与评价，实现课堂“教、学、评”一体化。

（三）创设深度学习情境，引导知识的迁移与探究

基于TPACK 理论，教师在单元主题的教学中可以尝试创设一些生产生活中的真实情境或实验情境，从而触发学生深度学习的动力。

以人教版高一化学必修二《化学反应与电能》为例，可以用柠檬电风扇实验创设柠檬电池，引发学生思考；在设计电池环节，以“化学与职业”主题，创设电池研发人员情境；创设真实的问题情境，以“我国大力支持新能源电动车产业的发展”情境，带动学生思考，引导他们利用课堂所学知识解决实际问题，在问题的解决中提升能力素养，同时获得学习成就感。

三、基于TPACK 框架促进深度学习的高中化学教学设计案例

（一）“化学反应与电能”教学分析

本节主要内容涉及原电池的概念、工作原理、原电池的构成要素及其常见的应用。新课程标准对本节内容的要求为：知道化学反应能够实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例理解化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步理解原电池的工作原理，体会提升燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

本节课主要达成两个目标，一是通过实验培养学生的观察能力，发展学生宏观辨识与微观探析的核心素养；二是通过信息技术手段与学生活动相融合，促进学生深度学习原电池原理，诊断学生对原电池原理的初步应用。

（二）教学过程设计

环节一：情境引入，柠檬电风扇实验

【演示实验】柠檬电池使电风扇转动的小实验

【思考】柠檬电池的电能是如何产生的？

设计意图：情境引入，利用生活中常见的水果制作电池的小实验，引发学生思考。

环节二：实验探究——宏观感知锌铜原电池的工作原理

【活动1】小组实验探究：化学能如何转化为电能？完成实验探究课本36 页，实验6-3。

（1）将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象；

（2）如图所示，用导线在锌片和铜片间串联一个电流表，观察、比较导线连接前后锌片、铜片上的现象，并观察电流表的指针是否偏转。

【问题组1】实验①中：

（1）从化合价变化角度分析，这属于什么类型的反应？

（2）气泡出现在锌片表面而非溶液任意位置，说明氢离子在何处得到电子？

【问题组2】实验②中：

（1）铜片上的气泡是什么？说明氢离子在何处得电子？

（2）电流表指针如何变化？说明在这个过程输出了什么能量？

设计意图：通过实验探究，学生从宏观现象感知原电池的工作原理，建立和发展学生的科学探究思维，使学生在动手操作中充分调动学习的积极性，促进深度学习。

环节三：原理分析——微观理解锌铜原电池的工作原理

【思考】锌铜原电池中的电能是如何产生的？

【活动2】通过微观动画模拟，分析原电池的工作原理；并在下图中表示出导线中电子转移方向，以及溶液中H+、SO42-的运动方向。

设计意图：本环节思维和学习深度层层递进，联系学生已有的知识——“氧化还原反应的本质”和“物理中电流的产生条件”，为学生搭建“脚手架”，注重学科知识的结构化和关联性，从而完成原电池的思维建模。此外，本环节借助微观动画，模拟原电池工作过程中的电子移动和阴阳离子移动方向，利于学生直观理解。

环节四：模型建构——理解原电池的构成条件

【情境】化学与职业：介绍电池研发人员，以此作为情境，引发学生思考，如何设计一个原电池。

【活动3】如果你是电池研发人员，请根据Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2反应设计一个原电池装置，画出装置图，并标出电子和离子移动方向。

【实验验证】对学生的成果进行评价，并邀请学生设计实验验证结果。

【问题组3】

（1）要构成原电池，需要哪些必备的要素？

（2）如果给出原电池，可以从什么角度判断正、负极？

设计意图：从教学活动角度，介绍化学与职业之“电池研发人员”，提升学生的科学态度与社会责任意识，并让学生深入情境，完成原电池的设计。从TPACK 理论角度，通过希沃授课助手中的同屏技术，将学生的设计成果及时反馈与评价，并通过同屏技术，深入设计实验并验证其设计结果。

环节五：学以致用——解决实际问题

随着新能源技术的发展，我国大力支持新能源电动车产业的发展，动力电池的研发备受关注。例如，比亚迪公司研制的“刀片电池”对标美国特斯拉的“4680 电池”，通过分析总反应式，说出刀片电池的负极材料、正极材料；氢能源电动车将是未来汽车发展的趋势，去年北京冬奥会上我国使用了氢能源燃料汽车，以下是氢氧燃料电池的工作原理示意图，判断该电池的正负极。

设计意图：总结与升华课堂，应用所学知识解决实际问题，同时诊断学生对于原电池的工作原理和构成要素的理解情况。