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标题 基于TPACK理论框架的学生“三重表征”的构建
范文 陈萌
摘要：化学“三重表征”的构建对学生学习化学知识具有重大意义。以TPACK理论框架为指导，构建基于TPACK理论框架的化学三重表征教学策略，并结合高中化学“电解池”教学设计，初步展示如何利用這些策略帮助学生实现化学“三重表征”能力的发展。
关键词：三重表征；TPACK；理论框架；教学策略；电解池
文章编号：1005–6629（2017）9–0046–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 TPACK理论框架与化学“三重表征”
1982年苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的A.H.Johnstone教授首先提出了化学学习的三种水平。最初他认为我们至少应在三种水平上来看待化学这门学科，即：（1）描述的和功能的；（2）表征的；（3）解释说明的。在第一种水平上我们可以观察和感受到物质，同时也要关注一种物质转化成另一种物质时所引起的性质变化；在第二种水平上，我们用化学式和化学方程式来表征物质及物质发生的变化，这是化学学科所特有的语言；第三种水平是从分子和原子的角度解释化学物质存在的方式和变化的原因。此后，Johnstone教授在1982年到1993年间不断完善其研究，特别是在三种学习水平的界定和表示形式上有了很大的进展。1991年，他对最初的三种水平（描述的和功能的，表征的，解释说明的）进行了修正，提出化学学习要从宏观、微观、符号三种水平上来进行。首先是宏观水平，它是用来描述可观察的现象；其次是微观水平，它是用来处理微粒的；最后是符号水平，它是根据化学式和化学方程式来表征化学的[1]。这样就从化学学科特点的角度更全面、更准确地概括了化学学习的三种水平。
上述理论一经提出就得到了国内外众多化学教育专家的关注和响应。山东师范大学毕华林教授的研究团队就在此基础之上提出了化学学习的“三重表征”，即在化学学习中，教师要有意识地帮助学生形成对物质及其变化所特有的3种表征形式：宏观表征、微观表征和符号表征。宏观表征是指物质在物理和化学变化中表现出来的、可以直接观察到的宏观现象在学习者头脑中的反映；微观表征主要是指有关物质的微观组成和结构、微观粒子的运动及相互作用等微观属性在学习者头脑中的反映；符号表征主要是指由拉丁文或英文字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映[2]。这3种表征形式并不是相互孤立的，而是彼此联系，共同构成学习者对化学知识完整的表征体系。具体关系如图1所示[3]。
此外，化学三重表征也可分为三重外部表征和三重内部表征两大类。其中三重外部表征指的是化学宏观知识、微观知识和符号知识的外在呈现方式，通常情况下由教师通过一定的教学策略来帮助学生实现。而三重内部表征是指三者在学习者头脑中的输入、编码、转换、存储和提取等，一般需要学生自主构建完成[4]。学习化学时以三重表征思维方式为依据能够帮助学生更深入地理解化学知识，培养抽象思维能力，促进良好认知结构的构建[5]。近年来国内对三重表征的研究逐渐增多，截至2017年5月，中国知网上共有76篇公开发表的期刊文献和硕、博论文提到“三重表征”。对这些文献进行整理、分析后发现，国内有关“三重表征”的研究主要集中在三个方面：第一，“三重表征”的内涵及教学策略研究；第二，对学生“三重表征”水平的现状研究；第三，学生“三重表征”的困难及原因分析。其中关于教学策略的研究主要是一种思辨上的粗略叙述，对教师具体该如何操作并未做详细说明。因此本文希望从一个全新的视角出发，设计发展学生三重表征能力的教学策略和相应的教学案例，为实际教学提供参考。

通过以上介绍可以发现，培养学生三重表征能力的关键是宏观现象的呈现、微观结构及过程的剖析、物质及其变化的符号表示以及三者之间的转化。其中微观结构及过程的剖析若仅依靠讲解法结果一定收效甚微。如果教师在教学时可以有意识地使用数字技术，则可以帮助学生想象微观世界，理解化学核心概念。然而，大部分数字技术的产生并非出于教育的目的，同时新技术真正进入教育领域后教师也没能很好地将其融入教学中去[6]，因此如何才能将新技术科学有效地整合进课堂教学，帮助教师展示三重外部表征呢？美国密西根州立大学的Punya Mishra和Matthew J. Koehler教授提出的TPACK理论框架也许能为问题的解决提供新的思路和理论指导。
TPACK理论框架建立在Shulman教授的学科教学知识（PCK）的概念之上，描述了教师对技术和学科教学知识二者如何交互可以产生有效的整合技术的教学的理解[7]。TPACK理论框架包括三个核心元素和四个复合元素，如图2所示[8]。

由图2可以看出，TPACK理论框架是教学知识、学科知识以及技术知识的综合，它的出现对21世纪教师专业知识结构提出了新的要求。只有教师充分理解和发展TPACK知识，懂得在教学过程中很好地处理技术与教学、内容之间的关系，我们才有机会更加多元且完善地展现三重外部表征，帮助学生构建三重内部表征。该理论的价值就在于可以指导教师利用具备的TPACK知识来更好地促进教与学[9]。
综上，本文将从TPACK的视角出发，面向学科、立足课堂，开发具体实用的TPACK教学策略，为教师提供教学参考，最终发展学生三重表征的构建能力。
2 基于TPACK理论框架的化学三重表征教学策略
2.1 基于微课的实验教学，增加宏观表征的体验
约翰斯顿认为，在解释微观世界和理论之前，一定要让学生有一定的宏观认识，并且这种宏观认识的材料提供得越多，越有利于学生的学习[10]。化学实验是为学生提供宏观认识的一种最基本也是最有效的手段。事实上，由于经费、设备、课时、安全等因素的影响，在实际教学中广大中小学生很少有机会走进实验室，甚至在一些偏远地区连课堂演示实验都无法进行。然而，现代信息技术产物微课的出现则可以很好地解决上述问题。微课以视频为主要载体，记录教师在课堂内外围绕某个知识点而开展的教学活动。教师在上课之前可以先将本节课所涉及的实验制作成微课或利用网络平台搜集优秀的实验视频，供学生课前观看学习，获得宏观感受。这样既可以解决因课时少、经费短缺等带来的实验缺失问题，又可以为学生提供丰富的宏观体验。当然，在播放微课时仅仅为学生展示实验现象是远远不够的，教师要在播放过程中有意识地将宏观现象与微观结构联系起来，这样化学实验才能起到支持理解微观表征的目的。
另外值得注意的是，基于微课的实验视频只能给学生带来视觉和听觉方面的宏观感受，要想获取更全面、更真实的宏观体验还得依靠实际动手操作实验。因此在条件允许的情况下，教师应尽可能地让学生动手实验，切不可完全用视频实验取代传统实验过程。
2.2 合理利用各类技术手段，增强微观世界可视化
化学是一门在分子、原子的水平上研究物质的科学。然而微观世界是抽象的，学生只能通过想象来触及，但仅靠想象容易造成学生对核心概念的相异构想。微观表征的相异构想会严重阻碍学生对化学三重表征的整体建构[11]。因此，合理使用各类技术手段将微观世界可视化，相当于为学生微观表征的构建打开了新的大门。例如，通过播放Flash动画，学生可以很容易地将“离子键的形成”“电解质在水溶液中的电离”等微观知识表示出来。一个个生动、具象的模拟动画可将神秘的微观世界展现在学生眼前，从而降低学生对微观世界的陌生和恐惧感。再例如，教师在讲解甲烷和烷烃时可以利用3Dmax软件绘制有机物分子结构。利用3Dmax软件绘制的分子结构不仅可以按四种显示模式来变换分子三维结构的外观，还可以让学生任意旋转，从不同的角度去观察分子结构，从中体会甲烷的一元取代物只有一种等知识点。综上所述，合理使用各类技术手段不仅能够提高教师的教学效果，还可以帮助学生理解复杂的微观世界，有利于三重表征的构建。
2.3 巧用多媒体程序软件，强化符号表征的中介作用
在中学化学中，化学符号既是一块知识点，又是一个连接宏观和微观的工具。要想学生完全掌握符号表征，就要不断强化符号表征的宏观含义和微观含义，以此来突出符号表征的中介作用。一种模型多媒体程序——Multimedia and Mental Models in Chemistry（“4M：CHEM”）可以帮助学生构建符号、化学现象和概念实体间的联系。该程序的设计原理是利用計算机多画面的功能来同步呈现真实实验、实验的分子水平、宏观性质图表或结构图表以及化学方程式。这四个窗口可以分别演示，也可以根据需要任意组合演示，甚至可以在必要时暂停或重启以便于学生的讨论。
“4M：CHEM”中所有的视频、图表、动画等都是已经制好的，学生可以通过同时观看不同窗口直接建立起特定知识内容下符号表征与宏观表征、微观表征间的联系。但是要想培养学生三重表征的思维方式，并使学生自觉地将其应用于化学知识上，则需要构建其他的教学策略。
2.4 基于Web的PBL教学策略，提升在不同表征间进行转换的意识和能力
通过以上三种教学策略的应用，学生可以建立起宏观表征与符号表征、微观表征与符号表征之间的联系。但要想在三者之间进行灵活转换，做到由此及彼，还需要教师在教学过程中挖掘知识点的三重表征价值，并不断地引导学生。PBL教学策略是教师发挥引导作用的一个很好的方法。学生在高质量问题的引导下借助网络资源，可以突破时间和空间的限制，进行反复练习，直至实现三者的高度融合。
但是在这一策略中有两点需要强调。首先该策略是基于网络发挥作用的。教师发布与教学内容相关的问题都要通过网络论坛，这样一来学生可以利用网络平台获取丰富的宏观-微观表征。其次，这是一个基于问题解决的教学策略，问题贯穿于整个教学活动的始终，问题的质量会直接影响教学目标能否达成。因此本文将对教师创设的问题情境提三点要求：（1）问题必须层层递进，按宏观-微观-符号的逻辑顺序逐步深入；（2）创设的问题能引导学生将宏观现象与微观本质联系起来，并能用化学符号来表征它们；（3）创设的问题能帮助学生提取化学符号所蕴含的宏观表征和微观表征的意涵。
通过这样一系列高质量的问题，学生在搜集资料、解决问题的过程中能逐步提高三重表征的意识与构建能力，甚至将其内化为自己特有的一种学习方式。
3 基于TPACK理论框架提升学生“三重表征”能力的教学设计案例
3.1 “电解池”教学分析
本文将在TPACK理论框架的指导下，利用上述教学策略，以高中“电解池”教学为例，对学生三重表征建构教学进行初步探索，以期为广大教师提供教学参考。
“电解池”选自人教版选修四《化学反应原理》第四章第三节，是中学化学重要的知识内容之一。电解原理是基于氧化还原反应规律和元素化合物的具体反应事实，且和“原电池”互为补充构建电化学体系，体现化学能与电能之间的转化，是能量观的重要载体[12]。
就内容特点而言，“电解池”中有重要的三重表征内容，具体参见表1。

针对以上内容特点，本节课的教学关键问题有二：一是通过现代信息技术尽可能给学生展示丰富的宏观现象，剖析微观粒子运动情况。二是教师在教学过程中要利用一定的教学策略帮助学生实现“电解池”中三重表征间的灵活转化，这样学生在面对不熟悉的电解池时也能很好地解决问题，具体的教学过程如下。
3.2 教学流程
[环节1]创设情境，积累宏观体验
教师播放最新化学化工前沿——“电力银行”小视频，通过视频创设情境，在情境中学习电解池。
设计意图：采用基于微课的教学策略。利用“电力银行”小视频为学生尽可能多地提供宏观认识的材料，为后续的学习积累宏观感受。
[环节2]巧用技术手段，实现“宏-微”转化
第一步：学生初中时已经学习了电解水的相关知识，教师可以以此为切入点，先让学生回忆电解水的宏观现象，接下来在此基础之上播放电解水的Flash动画，帮助学生将宏观现象与微观粒子运动联系起来，实现“宏-微”转化。
第二步：教师在学生已有感知的基础之上，总结电解原理，构建电解模型，如图3所示。

设计意图：首先，学生在初中时就已经接触到简单的电解反应——电解水，本环节以此为切入点，有利于学生认知结构的构建，体现知识的连贯性和系统性。其次，本环节利用Flash动画，将电解水的微观过程可视化。让学生从微观的角度理解电解水为什么会出现这样的宏观现象，进而构建起宏观现象与微观变化之间的联系。最后，学生通过思考获得的电解知识相对而言不够系统，时间一久很容易忘记。因此，教师应及时总结电解原理，构建电解模型，强化学生头脑中有关电解反应的宏观表征和微观表征。
[环节3]利用演示实验，获取宏观感受
教师讲述著名化学家戴维电解KOH溶液制取金属钾的化学史，并让学生讨论实验能否成功。之后教师实际演示实验，利用实验现象引发认知冲突，最终给出阴阳离子放电顺序表，构建完整的电解模型，如图4所示。

设计意图：我们知道教师给学生提供的宏观认识材料越多，就越有利于学生的学习。通过实际操作实验，可以给学生提供更真实、更全面的宏观感受。相较于教师直接给出阴阳离子放电顺序，利用宏观现象引发认知冲突往往更能引起学生思考。
[环节4]巧用“4M：CHEM”程序软件，实现符号表征的中介作用
学生利用“4M：CHEM”程序软件依次观看电解水、电解KOH溶液的窗口图像，强化符号表征在电解反应中的中介作用。最后给出本节课的思维导图，帮助学生更好地掌握电解知识，如图5所示。
设计意图：学生通过实验现象、Flash动画、电解模型等已经初步掌握了电解反应中宏观现象与微观变化间的联系，一定程度上可以实现两者间的自由转化。但是，对于符号表征的中介作用依然缺乏认识。因此，教师利用“4M：CHEM”程序软件让学生同时观看电解KOH溶液的实验现象、微观粒子运动以及化学反应式。学生在同时观看不同窗口的内容时自然而然地建立起符号表征与宏观表征、微观表征间的联系。
[环节5]基于Web的PBL教学策略，实现三者高度融合
课程结束后教师将惰性电极电解CuCl2溶液的微课视频上传到班级网络论坛，并设置以下问题让学生思考和解答。①请观看惰性电极电解CuCl2溶液的微课视频，并说出哪些粒子参与放电，它们在微观世界又是如何变化的？②请根据实验现象写出电极反应式和总反应方程式；③现在将惰性电极换成铜电极，请根据下列电极反应式预测实验现象并简述微观粒子是如何变化的。
设计意图：经过以上4个环节的学习，学生对电解反应中的三重表征已经有了大致的认识，但是要想实现三者的高度融合还需要教师继续加以引导。本环节采用基于Web的PBL教学策略，让学生在已有知识的基础之上利用微课和网络资源，在高质量问题的引导下一步步构建三重内部表征。当学生有能力在三种表征间自由转换时，也就形成了三重表征的思维方式。

参考文献：
[1]毕华林，黄婕.国外关于化学学习水平的界定与研究进展[J].全球教育展望，2007，（1）：91.
[2][3]毕华林，黄婕，亓英丽.化学学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究[J].化学教育，2005，（5）：51.
[4][11]张丙香，毕华林.化学三重表征的含义及其教学策略[J].中国教育学刊，2013，（2）：74～75.
[5]纪新惠.高中生化学三重表征思维方式的培养研究[D].济南：山东师范大学硕士学位论文，2007：33.
[6]黄冬明，高莉娜，王海燕.高中教师TPACK现状调查和分析——来自N市的报告[J].现代教育技术，2013，（2）：37～42.
[7]全美教师教育学院协会创新与技术委员会.任友群，詹藝主译.整合技术的学科教学知识：教育者手册[M].北京：教育科学出版社，2011：9.
[8] TPACK framework. http：//www.tpack.org/tpck/ index.php？title=Main_Page. 2010-5-4.
[9]于勇等. TPACK理论研究所面临的挑战[J].中国电化教育，2014，（5）：20～25.
[10] JOHNSTONE A H. The Development of Chemistry Teaching：A Changing Response to Changing Demand [J]. Journal of Chemical Education，1993，9（1）：701～705.
[12]姚远远，陈凯.基于生活情境和微粒观实验表征的“电解池”教学[J].化学教学，2013，（2）：22.
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更新时间：2024/12/22 22:23:45