時變電磁場教學中教師的TPACK及應用*

◆李陽 王應雪

時變電磁場教學中教師的TPACK及應用*

◆李陽 王應雪

提出一種深入學科的TPACK 構建及應用方法，既強調教師的TP ACK素養建設，又關注學生學習習慣的養成，希望為大學的專業課程改革提供一種新的思路。

TPACK；時變電磁場；教育信息化

1 前言

隨著國家《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》的頒布和實施，我國的教育界明確了教育信息化改革的政策導向[1]。如何進行教育理念創新，如何建設優質教育資源和信息化學習環境，如何通過學習方式和教育模式創新實現教育質量提升，這是教育界面臨的挑戰。

改革教學方式，實現教育模式的變革，許多學者為此進行著不懈探索。我國的祝智庭教授提出借助現代技術力量重構有效教學模式的觀點[2]。美國的Chris Dede認為，數字化學習和數字化新技術正在影響美國的高等教育，新技術正在讓高等教育的目標發生變化，數字化學習正在改變高等教育的過程，高等教育正在向個性化學習和個性化教育方向轉變[3]。Robert A. Reiser認為[4]，用“教學設計與技術”為“教育技術學科”命名更科學，主要強調系統化教學設計，利用媒體促進教學、績效改進。徐章韜等學者通過對信息技術支持下的學科教學知識的課例研究[5]，提出一種教師發展的“TCK-TPK-TPACK”路徑。

這些研究成果表明，教育信息化改革的浪潮已經來臨，以學生為中心的教育理念已經確立，以技術驅動的個性化學習和個性化教育的理論和方法順應了時代發展的要求，可以有效提高教育質量。TPACK（Technological Pedagogical Content Knowledge）是技術支持的學科教學法的簡稱，是信息時代教師進行有效教學必備的素養。掌握現代信息技術的教師用個性化教育的理念引導學生進行個性化學習活動的廣泛開展，必將變革傳統教育的模式。

電磁場是通信和電子本科學生重要的公共基礎課，對于提高學生的科學素養至關重要。由于本課程理論性強，用傳統的理論課講授方法進行教學時，教師和學生普遍感到枯燥乏味，教學效果不佳。在教學中引入現代數字技術，以教師的TPACK素養與學生的學習習慣的養成為基礎組織教學，探索出一種深入學科的技術支持的學科教學模式。

2 教師的TPACK和電磁場教學相結合的可行性分析

提高教學質量，教師是關鍵。在信息時代，教師的TPACK素養對于學校教學質量的提高至關重要。羅忻認為[6]，培訓可以迅速普及教師的TPACK知識。筆者認為，以教師的TPACK框架為指導，讓教師把TPACK知識應用于專業教學實踐中，不斷提高教學水平；引導學生養成個性化的主動學習的習慣，可以提高教育質量。

教師的TPACK知識簡介教師的TPACK知識框架是由美國密歇根大學的Mishra和Koehler提出的[8]，它包括三個基本成分、四個復合成分和一個境脈因素[9]。

三個基本成分：學科知識（Content Knowledge，簡稱CK）、教學法知識（Pedagogical Knowledge，簡稱PK）、技術知識（Technology Knowledge，簡稱TK）。

四個復合成分：學科教學知識（Pedagogical Content Knowledge，簡稱PCK）、基于技術的學科知識（Technological Content Knowledge，簡稱TCK）、基于技術的教學法知識（Technological Pedagogical Knowledge，簡稱TPK），基于技術的學科教學知識（Technological PedagogicalContent Knowledge，簡稱TPACK）。

雖然不同的學者從不同的視角出發，對于TPACK有著不同的理解[10-11]，筆者認為正是由于這些爭論的出現才使得該理論不斷走向成熟。

TPACK框架主要表現出以下三大特性。

1）復雜性：CK、PK和TK三個基本成分之間既相互聯系，又彼此獨立。

2）互動性：TPACK三個基本成分雙向互動，每一個成分對其他兩個基本成分進行作用，其本身又受到它們的反作用。

3）平衡性：TPACK的三個基本成分、四個復合成分以及一個境脈因素相互作用形成一種動態的平衡，這種平衡態會隨著任何一個要素的改變而被打破，隨之而來的就是平衡態的重建和維持，如此循環。

時變電磁場教學的現狀和變革需求

1）傳統教學模式的教學效果不佳。大學傳統的教學模式中，教學集中進行，教師在課堂上進行知識講解，在黑板上進行理論推導，學生上課聽講，下課復習、做作業。教師講述的知識需要學生耐心聽取，教師的板書推導需要學生領會，教師的教材訂正、理論更新需要學生準確記錄。每節45分鐘的課程，學生需要集中精力，全神貫注，反應靈敏，記錄的動作迅速；教師需要一方面精心組織教學、高效率傳授知識，一方面根據學生聽課的反饋調整講課的方式和課程進度，提高學生對知識的興趣和對課程的關注度。這對于理論性突出的電磁場課程來說，實在是勉為其難。

電磁場通篇是建立微分方程、明確邊界條件、解微分方程，中外師生公認其為“天書”。理論枯燥、課程對高等數學依賴度高，教師必須帶領學生進行必要的復習，否則學生上課聽不懂，這樣就導致一部分學生的學習效果不理想。

2）多媒體教學使得教學效果有所增強。隨著高校多媒體教學設備的普及，PPT演示逐步代替了教師的板書，學生通過拷貝教師PPT的方式減少了做筆記的勞動，提高了學習效率，學習效果相應得到增強。但是，PPT沒有聲音，學生課后只能根據教材、筆記、PPT進行復習。從教學模式上看，這樣只是對傳統教學模式的一種改進。

3）學生學習的需求。大學的學習不僅僅是學習書本知識，更重要的是學習分析問題和解決問題的方法。也就是說，學生通過觀摩教師課堂的講解，同時學習了教師分析問題和解決問題的方法。而這些知識是書本里沒有的。時變電磁場的教學目的是建立電場和磁場的時空概念，通過時變電場與磁場的相互激勵，把握電場和磁場能量傳播規律。這是對學生思維方式的訓練。

筆者發現，有一部分學生利用手機視頻攝像功能進行課堂錄像，以便于課后復習，還有一部分學生通過網絡公開課的方式進行學習，正是這部分學生，他們的學業成績提高很快。隨著信息技術和信息設備的普及，學習資源（尤其是視頻公開課和相應的數字教學資源）網絡化，不僅是學生學習的需求，也必將引發教育模式的變革。

3 教師的TPACK構建和在時變電磁場教學中的應用

樹立以學生為中心的教育理念教師教學的目的是向學生傳授知識，學生的學業水平和專業技能是學校綜合實力的一種反映。樹立以學生為中心的教學理念，首先，學生可以隨時得到共享的優質的網絡學習資源，課前、課中、課后可以隨時查閱數字教學資源，觀看教學視頻。麻省理工學院等院校做出了表率。

其次，教師的角色必須進行轉變。教師從傳統教學中的學業的主要傳授者，轉變為知識的提供者、學業的輔導者、學術問題討論的組織者。

最后，教學模式的轉變。當學生可以隨時得到共享的優質的網絡學習資源的時候，傳統的課堂傳授式講課就失去了價值，教師必須把課堂變成學業的輔導和學術問題討論的場所。這樣通過課堂參與式討論，學生向主動學習者和探究學習者轉變。

教師的TPACK建構和在時變電磁場教學中的應用從表面上看，時變電磁場的內容是根據邊界條件解麥克斯韋方程組，但是其本質是建立電場和磁場的時空概念，通過時變電場與磁場的相互激勵，把握電場和磁場能量傳播規律。這樣一來，對教師和學生在數學方面的微積分的分析方法和物理學方面的電、磁、光等概念提出要求。

首先，要求教師具有微積分、微分方程、線性空間方面的知識，具有電磁學方面的知識，還要具有時空轉換方面的學科知識（CK），這樣才能把握麥克斯韋方程組和本構關系所反映的電磁場的基本規律。也只有這樣，教師才能引導學生認識真實的電磁場。

其次，教師需要了解學生的基本情況、課程設置、學業狀況和本課程的教學大綱(境脈)，針對學生的學業基礎和學習特點進行教學。否則，不熟悉教學環境，教學只能是無的放矢，“時變電磁場”的知識對于學生來說就只能是“天書”。

再次，教師的教學方法（PK）和學生的學習方法需要相互協調，才能增強教學效果。在解決如何把學科知識傳授給學生的問題上，教師必須研究教學法知識（PK）。學生通過參與教師知識傳授的過程，現場觀摩、學習教師的思維方式、解決問題的方法，形成符合自身特點的學習方法，才能做到終生受益。

最后，教師需要引入現代技術（TK）。現代仿真技術可以形象生動地描述電場和磁場知識。在電磁場教學中運用MATLAB軟件，實現電場矢量和磁場矢量的仿真，把麥克斯韋方程組所描述的時變電磁場知識以圖形的方式進行展示，方便學生的學習和對知識的理解。

筆者注意到，學科知識傳授是一個復雜的過程，僅僅懂得學科知識（CK）、教學法知識（PK）、技術知識（TK）和境脈知識是不夠的，還需要理解這些知識在一定的境脈下的相互作用、相互復合，并把她它們應用于實際的教學實踐之中。

在時變電磁場教學中，教師的學科教學知識（PCK）是指教師運用一定的方式和方法把學科知識傳授給學生的過程和方法。比方說麥克斯韋微分方程組公式（1）～（4）：

在離開場源的真空中，把這兩個公式修改一下，公式（1）變為公式（5），公式（2）變為公式（6），電場與磁場的參數基本對應：

為了增強學生學習的效果，教師的基于技術的學科知識（TCK）、基于技術的教學法知識（TPK）和基于技術的學科教學知識（TPACK）顯得特別重要。用MATLAB軟件對正弦電磁場在真空中的傳播情況進行仿真和顯示（屬于TCK），因為電場矢量和磁場矢量都用正弦函數，仿真結果是形象生動的。因為觀察角度不同，仿真的過程和結果是不同的，怎樣用學生能夠理解的形式顯示仿真的過程和結果？結合學生具備的數學和物理學知識進行選擇（屬于TPK），使得麥克斯韋方程組所描述的宏觀電磁現象生動形象地展示在學生面前，方便了學生對知識的理解。

設計一個界面，讓學生自己設置電場和磁場的具體參數，觀察、驗證麥克斯韋方程組表示的電磁相互激勵的情況并進行討論和改進（TPACK）。這樣的教學方式和僅僅通過對方程式的解釋的教學方式進行比較，更能吸引學生的注意力和提高學生的學習興趣。

進一步增強時變電磁場教學效果的措施上述分析和應用是對教師進行的，教學是教師、學生和學校等方方面面共同參與的過程，因此，提高教育質量需要各方面因素共同促進。

1）充分發揮多媒體教學設備的效率。目前，大學的多媒體教學設備通常用于播放教師的PPT，沒有充分發揮多媒體設備的使用效率。教師可以播放有關的教學和科研視頻短片，既可以增加教學的信息量，又可以提高學生的參與感和對知識的興趣。

2）教師制作視頻短片。教師把知識講授的內容制作成視頻短片，方便學生預習和復習。通過視頻短片，學生不僅學習了知識，更重要的是學習教師的知識組織方法和知識運用方法。

3）鼓勵學生建立學習興趣小組。不同的人由于經歷和興趣不同，學習方式和方法是不同的。興趣相同的人在一起，相互討論、相互激勵、相互促進，可以共同促進學業進步。

4）教學資源網絡化。教學課件和教學視頻短片可以通過校園網、云端等實現教學資源的網絡化，以便學生預習和復習。

5）重視課堂的案例分析和討論。通過課堂的案例分析和討論，可以實現從傳授知識到掌握知識、運用知識的過渡。學生參與到課堂的案例分析和討論過程中，現場觀摩、學習教師的思維方式、解決問題的方法，形成符合自身特點的學習方法，實現終生受益。

4 結語

本文提出一種深入學科的教師TPACK構建及應用方法。在時變電磁場教學中，教師深入時變電磁場的TPACK知識構建以及在教學中的應用是基礎，技術和教學設計的融合是手段，服務于學生的個性化學習、提升本科教育質量是目的。在信息化時代，技術促進的教育變革正在改變傳統教育的面貌，技術支持的學科教學知識（TPACK）武裝起來的教師，通過不斷豐富自己在一定的境脈的學科知識（CK）、教學法知識（PK）、技術知識（TK），形成Total-PACKage，服務于學生個性化的學習。在不同的環境下，教師TPACK知識構建和應用的方法是不同的，境脈對TPACK各個因素的影響的研究還有待加強，教師的TPACK素養在促進學生主動學習方面的研究有待于進一步深入。

[1]教育部關于印發《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》的通知[EB/OL].[2012-03-13].http://www.moe. gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

[2]祝智庭,賀斌.解析美國《國家教育技術規劃2010》[J].中國電化教育,2011(6):16-21.

[3]張蔚磊,李馨,等.高等教育數字化學習的未來:訪哈佛大學教育技術學專家克里斯德迪教授[J].中國電化教育,2014(12):3-7.

[4]呂巾嬌,董麗麗,等.教育技術學學科基本概念解析及趨勢預測:訪佛羅里達州立大學羅伯特A.瑞澤教授[J].中國電化教育,2014(9):1-5.

[5]徐章韜,劉鄭,等.信息技術支持下的學科知識之課例研究[J].中國電化教育,2013(1):94-99.

[6]羅忻,吳秀園.論TPACK視域下專家型教師培養模式的轉變[J].現代教育技術,2013(7):9-13.

[7]Mishra P,Kolehler M. Technology pedagogical content knowledge: A new framework for teacher knowledge[J]. Teacher College Record,2006(6):1017-1054.

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[9]徐鵬,張海,王以寧,等.TPACK國外研究現狀及啟示[J].中國電化教育,2013(9):112-116.

[10]于永,卜娟娟,張海.TPACK理論研究面臨的挑戰[J].中國電化教育,2014(5):20-25.

[11]Cox S,Graham C R. Diagramming TPACK in practice: using and elaborated model of the TPACK framework to analyze and depict teacher knowledge[J].Tech Trends,2009(53):60-69.

Teacher’s TPACK and Its Application in Teaching of Timevarying Electromagnetic Field

Li Yang,Wang YingXue

This paper presents an approach to the construction of TPACK and its application in depth. It not only emphasizes the construction of TPACK quality of teachers,but also pays attention to the cultivation of students’ learning habits. We hope to provide a new idea for the reform of the University’s professional course.

TPACK;time-varying electromagnetic f eld;educational informationization

G642.4

B

1671-489X(2016)02-0031-04

*項目來源：安徽省質量工程“時變電磁場、電磁場與電磁波”（課題編號：2014gkk004）；安徽省教育廳“基于網絡的計算機硬件獲取方法研究”（課題編號：11411168）；安徽農業大學質量工程“語音通信電路的綜合設計”；安徽農業大學質量工程“數字信號處理教學中的仿真演示研究”。

作者：李陽，安徽農業大學信息與計算機學院副教授，研究方向為信號處理（230036）；王應雪，安徽省教育技術裝備中心，高級工程師，研究方向為教育技術和教育裝備（230011）。

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.031