心智模型和元概念模型認知轉化視角下的TPCK

牛翠賢 楊絮 張海 白晶

技術可以作為認知工具在輔助學習上發揮巨大作用，如可以幫助學習者通過編寫維基百科文章或給數字視頻添加注釋的方式構建存取信息的方式。但目前新興技術在教育領域的應用仍不夠廣泛，教師對技術在教學情境中的具體作用仍沒有達成共識。

教師需要在具體情境中重新設計技術的應用，明確技術的適用范圍、局限性以及教學目標，篩選最適宜的技術創建學習活動，進而最大限度地實現技術在教學中的輔助功能。而教師在衡量技術的潛能時所面臨的最大挑戰在于，基于自身先驗知識，理解技術的社會認知功能。

基于上述教學需求，美國密歇根州立大學學者Koehler和Mishra在2005年提出了TPCK理論框架（如圖1），并以韋恩圖的形式描述了信息化教學環境下教師的知識形態及組成，闡釋TPCK是信息時代教師知識體系的核心。統計分析近年發表的有關TPCK發展的論文，可以發現多數研究的關注點在教師培訓、專業發展以及培訓項目評估方法上，極少探究TPCK本質與TPCK發展過程中的認知過程。有關TPCK本質的探究存在兩種觀點：整合觀點和轉化觀點。Koehler和Mishra提出的TPCK框架，將TPCK概念化為PCK、TCK和TPK互相整合的知識體，代表了TPCK本質的整合觀點。Angeli和Valanides在2005年提出的ICT-TPCK結構，蘊含了TPCK的轉化觀點，將TPCK概念化為一個獨特的、不同的知識體。在轉化模型中，內容、教學法、學習者、技術和情境被看作是TPCK發展的重要因素。然而，目前尚未形成轉化結果下的認知過程的理論概念。而近期一項研究通過心智模型和元概念意識兩種層次的、TPCK發展的認知過程闡釋了轉化視角下的認知過程。

● TPCK的層次結構GBb

Cox和Graham于2009年提出的TPCK結構清晰地定義了TPCK的層次結構（如下頁表），這很好地幫助了研究者理解TPCK的各個要素及特點。同時，研究將第一層級的轉化，即基礎要素知識（TK、PK、CK）向交叉要素的知識（PCK、TPK、TCK）的轉化，定義為心智模型的建構，在第二層次上，提出TPCK是完成教學任務所需的元概念意識的概念化。

● 第一層次轉化：心智模型表征的TPCK

1.心智模型與TPCK框架映射關系

上頁圖1以韋恩圖的形式展示了TPCK最普遍的框架結構。然而以韋恩圖表示TPCK框架的視覺效果模糊了TPCK的理論發展過程，只是簡單地提出任何一個基礎要素的發展都會自發地帶來交叉要素的發展。這與當前實證研究的結果不符，與該研究提出的認知過程也正相反。盡管Mishra和Koehler在2006年用“轉化”的形式來描述TPCK，將TPCK概括為一種特殊的知識體，而不是從相鄰子域自發產生的，但是文獻中并沒有直接陳述TPCK中的七種結構要素（TK、PK、CK、TPK、TCK、PCK、TPCK）之間的假設關系。Cox和Graham提出的層次結構，也沒能從認知角度呈現各個構成要素及其相互關系。

根據相關文獻，有研究者提出了心智模型觀點。心智模型是情境中各個元素以及人們基于自身先驗知識和信念所建構出的各個元素之間關系的表征。對于如何呈現心智模型，認知心理學假定：心智模型是可直接操控的元素及元素之間關系的模擬和連貫表征，它比一般信念和陳述的知識更加情境化，并具有指向性。相比下表中的層級結構，心智模型意味著更深層次的理解。根據Johnson-Laird和Brewer的觀點，心智模型是深度理解的象征，因為心智模型是在具體情境中建構出的認知結構，如任務沖突情境。

教師構建出各個技術的功能及其對學生學習科目影響的心智模型，解決約束條件，同時對基于初始不完全信息（如教室背景）提出推論并作出預測是非常必要的。與Gentner和Steven的觀點不同，有的研究者并不把心智模型看作長期模型結構，而是一種需要不斷發展的結構。

假定一個反饋過程：教師通過創造性解決不同的難題情境（如課程計劃），對同類問題進行共性描述。通過這一系列難題，教師可以從具體的任務情境中抽象出共性，逐步建構心智模型。因此，任務解決，如課程計劃或者課堂實施經驗，很可能被存儲在抽象出的模型中。然而，在某一課程中抽象出的結構不具備較大的普適性，這種結合TPCK知識子域的結構不足以使教師能夠順利解決之后的每個任務。這只能說明教師可以使用某一種或某一類技術，并不能使職前教師依據教學需要正確地選擇ICT。

2.TPCK構成要素的相互關系

當將心智模型觀念映射到TPCK框架中時，應如何假定七個子域之間的關系呢？根據Brewer的觀點，屬性知識可以提供指導創建心智模型的參考框架。因此，要開始了解一種新技術或者計劃一門應用技術的可能性時，構成要素中的先驗知識有助于更高層級要素的建構。其中的問題是：先驗知識是如何整合進高層級子域內的？研究者認為基礎子域內知識轉換需要以一種特殊的形式發生，從而幫助教師解決課程中使用新興技術的難題（如上頁圖2）。

教師在完成課程任務時，需要將相當獨立的基礎要素整合形成關系緊密的要素，將知識轉化為心智模型。教師僅僅整合先前知識的事實元素是不夠的，需要依據事實元素的相互關系重新形成能在心理上操控的心智模型，便于教師進行下一步推論。例如，教師對別人的YouTube視頻進行編輯、注釋和評論，即教師具備TK。同時，教師掌握了建構主義或者基于探究的方法，即教師具備PK。為了衡量YouTube對探究式學習的潛力（箭頭b），教師首先需要建構一個衡量技術在輔助學習中潛能的心智模型（箭頭a）。在此過程中，心智模型包含的元素應具備以下功能：①推斷技術的功能是否支持學生的學習；②某些技術的潛能是否只能通過合作性活動衡量，如共同對視頻片段進行注釋。既然技術和教學法信息的映射可以被看作是積極有效的認知過程，那么教師將教學法知識和技術知識轉化成心智模型的過程就可能需要外部的支持。

為了清晰描述心智模型的轉化過程，研究者將各個基礎要素在上頁圖2中清晰明確地劃分開，并用不同程度的暗影表示不同層次的轉化來增強視覺效果。我們可以清晰地看出跨越圖中的界限與認知過程緊密相關，由外圍到中心知識，復雜程度逐漸加深。教師從外部區域（淺灰）跨越到內部區域（灰色和黑色），此過程不僅僅是簡單的連接不同的知識要素的問題，關鍵是通過建構各個要素及其相互關系，轉化知識表征形式。接著涉及到基于先前知識將心智模型結合到規劃課程中（以TPK為例，上頁圖2箭頭b）。同時，心智模型向任務的整合還需要一定的外部支持（箭頭c）。

心智模型與命題表征不同，需要更深層次的理解。命題表征只包含既有信息，無法進行進一步推斷。例如，單獨考慮內容知識時，物理學家以命題的形式表示電路知識，使之能夠命名某些電路知識，但卻無法完成對電路的評價或搭建新電路。因而，此過程需要建構一個電路相關元素以及元素相互關系的心智模型，以整合任務難題中的新信息，從而使各個基礎要素以某種特殊的形式轉化成心智模型。

● 第二層次轉化：元概念意識表征的TPCK

教師完成由基礎構成要素TK、PK和CK到心智模型中疊加要素TPK、PC、TCK的轉化，那么之后如何將各個構成要素的整合過程概念化？研究者認為，TPCK結構可以被概念化為教學任務要求的元概念意識：教師、各個知識要素以及情境。

綜合考慮Cox、Koehler、Abbitt等人對TPCK的定義，發現各個定義中都蘊含TPCK結構本身特定的理論和實踐價值，即TPCK是教師對與背景和教學任務相關知識的處理的知識。因此，研究者認為第二層轉化關注的是TPCK視角下的元知識，這對理解新技術與其他要素的結合具有重要意義。Vosniadou等人認為，這種精細的、科學的理解是一種以元概念意識為特征的，即TPCK理論的元概念意識是什么及其作用。因此，研究者將TPCK知識表征看作是一種結構，即元概念意識。這與舒爾曼對教師知識定義大體一致，即為解釋自身行為與決定的知識和能力，這也是專家教師獨有的能力，是從對技術的樸素理解到形成TPCK結構必須具備的知識和能力。

從一位使用技術經驗不足的新手教師成長為融合技術的專家教師需要一個過程，而此過程可以從概念轉變的角度闡述。新手教師的觀念認知呈現方式，有兩種不同的理論觀點：一種是“概念理解”，假定新手教師建構一個“碎片知識”的碎片系統，即相當大數量的、可以在特定背景中激活的解釋片段。另一種是“理論理論（Theory Theory）”，假定新手教師建構一個框架理論，由此可以產生任何一個特定的解釋。

1.TPCK：不連貫的知識碎片

在知識碎片方法中，研究者認為概念理解由大量的“直觀元素”組成，一些元素具有廣泛的作用域（適用背景），而一些元素的作用域很狹窄（某些特定背景）。這些元素被定義為“現象元”，它能夠在某一瞬間激發出整體現象，并且能夠描述“世界上自然發生的現象”。因此“現象元”是一種次概念實體。另外，每個“現象元”都是獨特的，要凝結成一個整體結構幾乎不可能。盡管現象元組合有不同的發展軌跡，卻可以在許多相似情境微妙地重合，表現出局部一致性。

或許，研究者可以把學習定義為元素（現象元）及元素（現象元）相互作用的過程，給學習者帶來重要的知識理解。通過組織管理這些元素，學習者可以與情境建立聯系，并依據這些元素解釋情境的能力價值對元素進行區別排序。由于“現象元”龐大的數量與獨特性，難以進行統合，至今尚未形成共同認可的元概念結構。

至于“現象元”的局部一致性，我們可以設想這樣的情況：教師從每天教學的情境中抽象出“不言自明的圖示”，然后生成大量的可以再次采用的基于特定背景的“現象元”元素。例如，在教學中，使用計算機實驗室展開合作學習會導致課堂混亂。這就有可能具有共性的現象元，并能夠同時解釋相關的情境或者導致不同要素之間或者要素內部的分化，如學生在下午感到疲乏或者計算機實驗室的小組作業等要素都可能是導致混亂的原因。因此，TPCK結構中的“現象元”應具備特定的背景、話題、技術或者教學策略等特質。然而，這種形式的TPCK概念化無法解釋新的約束條件，如新技術或者新課堂。也因此難以對教師怎樣理解使用技術教學的各個因素以及如何相互作用形成系統的元概念意識。

2.TPCK：一種相干理論

Vosniadou等人借鑒物理學科提出概念理解“相干理論”：學習者初始本體論和認識論預設可以被納入一般框架理論。框架理論是有組織的物理現象的因果和解釋性框架。受框架理論限制，一些特殊的理論（如心智模型）和信念的建構要基于日常觀察，并透過文化信息解釋、說明或者預測特殊的現象。約束框架理論中只有極少理論可以外推遷移，一般被認為是相當穩定并且極難改變的。研究者認為概念化是通過整合新信息與臨時心智模型，以形成新的心智模型的發展過程，也是一種繼續豐富和修正的過程。其修正方式有兩種：一是對弱質模型的改造，即對已有結構的分化和分層構造；二是徹底的重構，即脫離先前的結構重新構造新的理論結構，這種徹底的重構一般被認為是較難實現的。其中一個原因在于隨著本體論和認識論的改變，在此基礎之上形成的所有知識結構也會受到嚴重影響。因此，為了將樸素理論發展成科學的理解，必須獲得教師自身不同的認知表征形式的元概念意識。

相干理論基礎上的心智模型具有動態的結構，并且建立在問題解決的基礎之上。創造過程應該是基于概念結構，并受限于概念結構。從日常生活中提取初始的概念結構，不斷同化新信息，以完善心智模型。同時，觀念改變過程中的學習最終意味著對潛在的猜想的重新解釋。

相干理論觀點認為，發展TPCK意味著通過建構基于框架預設的初始心智模型，教師可以建立關于“本土化”理論預設的基礎是什么，以及教師如何建構這些“本土化”理論的元知識（如課程技術和教室決定）。相干理論觀點認為培訓教師使其靈活創新地使用技術可能非常困難，因為要完成這一任務，教師教育者將不得不轉變初始預設，而改變這些預設不僅要耗費精力，而且很可能會產生不愉快的情緒，同時還要建構值得信賴的理解教學環境的方式。這對教師教育者和教師來說難度都很大。

diSessa等人在如下頁圖3和圖4中描述了“碎片知識”和“相干理論”。圖3將TPCK定義為一種一般情況下每個解釋性元素不相干的系統。這些解釋性元素是從日常教學經驗中抽象而來的。圖中描繪了新手教師（尚未形成TPCK的教師）理解整合技術的學科教學內容的表征形式。在此圖中TPCK本身應該是所有元素的“交集”，融合了所有的知識子域。圖4將TPCK定義為教師的直觀的相干理論，描繪了已經形成TPCK結構的教師理解整合技術的學科教學知識表征形式。由此，具備TPCK意味著形成一個大致上涵蓋各個要素、要素之間的相互關系以及情境角色的概念。

總之，TPCK框架應關注三個焦點：情境、規范和關系結構。作為科學的框架理論的TPCK應該滿足：①清晰的技術應用情境；②在本體論和認識論上形成一定數量的技術、教學法和內容的預設；③預設應包括教師各個知識要素之間系統關系的元概念框架。

3.元概念意識表征的TPCK

根據TPCK框架概念化的相干理論，將TPCK結構定義為元知識。此時不同背景的教師技術使用的過程會形成不同的理解，如教學經驗豐富的教師使用技術教學時有可能只增加PK，技術熟練的教師教學可能只增加TK。或許可以將TPCK定義為教師對完成教學任務的需要、教師各個子域的知識以及約束情境的元概念意識（如圖5）。TPCK可以理解為一個層級的元概念意識，對專家知識進行高層次的組織而不是一種受限、固定的知識體。

在TPCK中間區域，以教學任務代替了先前的TPCK。這是因為根據視覺邏輯，最中心的區域應該是最明確的部分，應該是一個具體的課程或者計劃等，而不是綜合的知識。

● 結論

不斷涌現的技術影響著每位教師的教學效果，它既可以增強可視化效果，還可以影響學習過程。要想發揮技術的潛力就需要教師精細規劃技術的使用方法。此研究提出了教師發展TPCK知識的心智模型和元概念意識觀點，闡釋了TPCK框架的基礎理論假設。但這仍需后來的研究者實證探究心智模型在教師教學中的角色和指導作用，以及知識要素與教師信念的關系，等等。

基金項目：本論文獲得東北師范大學教師教育研究基金重點項目“卓越教師素質結構實證研究”，東北師范大學教師教育研究基金一般項目“卓越教師培訓能力遷移影響因素實證研究”，東北師范大學教師教學發展基金項目“面向高水平復合型傳媒人才UGMR創新培養模式的實踐型教師共同體建設”資助。本論文也受到東北師范大學附屬中學校本課題“依托家園網絡平臺促進托班幼兒自我服務能力的行動研究”支持。