基于TPACK框架下的電解質(zhì)概念教學(xué)研究

尤蕾蕾

摘要： 通過構(gòu)建教學(xué)模型，探查學(xué)生電解質(zhì)概念認(rèn)知情況，進(jìn)行基于TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)研究。以“離子反應(yīng)”一課的實(shí)踐為例，證明TPACK教學(xué)框架能幫助課堂有效地利用各種信息技術(shù)和數(shù)字化手段，讓概念教學(xué)更加生動、高效。

關(guān)鍵詞： TPACK框架; 電解質(zhì)概念; 離子反應(yīng); 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 10056629（2018）12004506中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

隨著信息技術(shù)與課程整合的理念不斷深入[1～3]，DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)、手寫平板無線投影、微視頻等數(shù)字化手段在課堂上的使用讓教學(xué)越發(fā)多元。將信息技術(shù)與課堂教學(xué)緊密結(jié)合來有效提高課堂效率才是關(guān)鍵所在。Mishra和Koehler于2006年提出的TPACK（Technological Pedagogical and Content Knowledge）理論框架為信息化技術(shù)整合課堂教學(xué)提供了理論指導(dǎo)。

1?TPACK知識框架

TPACK指將信息技術(shù)整合于課堂教學(xué)的知識綜合體。它植根于三個核心成分，即技術(shù)知識（Technological Knowledge， TK）、教學(xué)法知識（Pedagogical Knowledge， PK）、學(xué)科知識（Content Knowledge， CK）。同時，它們交叉融合形成TPACK的另外四個衍生成分，即PCK、 TPK、 TCK與TPACK（見圖1）。TPACK是將原有PCK知識（學(xué)科教學(xué)法知識）與信息化技術(shù)進(jìn)行交叉融合。TPACK從學(xué)科知識、技術(shù)知識和教學(xué)法知識三者之間動態(tài)整合來分析教師在教學(xué)過程中利用技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的知識[4， 5]。

2?ICTTPACK模型

ICTTPACK由TPACK理論發(fā)展而來，立足于學(xué)生主體，加入了學(xué)習(xí)者知識（Knowledge of Learners）和情境知識（Knowledge of Context），其中包含教室環(huán)境、學(xué)習(xí)者的認(rèn)知能力、教學(xué)目標(biāo)等。ICTTPACK模型由ICT （Information and Communication Technologies）、教學(xué)法（Pedagogy）、內(nèi)容（Content）、學(xué)習(xí)者（Learners）、境脈（Context）五個元素復(fù)合而成[6～9]。結(jié)合ICTTPACK模型中的技術(shù)映射，本研究提出了TPACK框架下化學(xué)教學(xué)的研究模型（見圖2）。

以TPACK框架為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)者需要了解學(xué)習(xí)對象的認(rèn)知能力和水平，分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)困難，掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求，并利用技術(shù)整合設(shè)計(jì)有利于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容的方式，從而加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對知識內(nèi)容的理解，促進(jìn)學(xué)習(xí)者整體發(fā)展。本模型共包含分析、整合、實(shí)施評價三個階段。

分析階段要從學(xué)生認(rèn)知和化學(xué)知識兩個角度對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析梳理，通過探查學(xué)生相關(guān)概念和認(rèn)知水平，并根據(jù)已有化學(xué)知識進(jìn)行分析，提煉出相關(guān)主題并設(shè)計(jì)出相應(yīng)知識點(diǎn)。

整合階段是教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)上述已分析的學(xué)生認(rèn)知，教師進(jìn)行CK、 PK和TK分析后，進(jìn)行整合去解決教學(xué)難點(diǎn)。在整合階段，TPACK框架中的單一元素都會發(fā)生相對性的變化，需要根據(jù)前階段分析結(jié)果進(jìn)行TCK、 TPK分析后，進(jìn)一步分析解決教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的最佳技術(shù)方案，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科知識的有效呈現(xiàn)，形成針對學(xué)生問題情境的解決方案，最終整合成TPACK框架體系。

實(shí)施評價階段是一個完整的教學(xué)設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)，它的主要作用在于根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施情況對分析階段、整合階段進(jìn)行反饋，從而為教師提供調(diào)整教學(xué)的可靠依據(jù)。基于TPACK框架下的教學(xué)模型需要通過學(xué)生成績分析進(jìn)行反饋評價。

3?基于TPACK框架下的電解質(zhì)概念教學(xué)重構(gòu)

選擇電解質(zhì)概念教學(xué)進(jìn)行基于TPACK框架下的教學(xué)研究。電解質(zhì)相關(guān)概念涉及元素化合物的分類、元素守恒、化學(xué)平衡、電化學(xué)基礎(chǔ)、離子方程式、溶液酸堿性、化學(xué)計(jì)算等方面。重構(gòu)TPACK框架下的電解質(zhì)概念首先需要探查學(xué)生認(rèn)知，通過對學(xué)生“電解質(zhì)概念”的相異構(gòu)想的探查了解學(xué)生對“電解質(zhì)概念”的理解情況。

3.1?探查學(xué)生電解質(zhì)概念認(rèn)知情況

本研究選擇上海市某中學(xué)高一年級6個班級共169名學(xué)生作為研究對象，實(shí)施時間在下半學(xué)期期末，學(xué)生已經(jīng)正式學(xué)習(xí)了電解質(zhì)相關(guān)概念。利用測試卷來探查學(xué)生電解質(zhì)概念相異構(gòu)想的基本情況，根據(jù)測試結(jié)果利用訪談來對學(xué)生電解質(zhì)的認(rèn)知水平作進(jìn)一步分析。

結(jié)果表明，學(xué)生錯誤概念主要集中于溶液的導(dǎo)電性、導(dǎo)電的微粒、電離平衡和溶解中電解質(zhì)變化的過程等，具體見表1。

筆者發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生認(rèn)為電解質(zhì)“概念繁多，知識零亂，難于記憶，容易混淆”、“知識抽象，反應(yīng)復(fù)雜”和“化學(xué)平衡知識不過關(guān)”。如果學(xué)習(xí)者對概念沒有明確掌握，理解不清晰，就會造成對電解質(zhì)概念體系的混亂。

另外，電解質(zhì)概念過于抽象，特別是造成學(xué)生認(rèn)知困難的“溶液的導(dǎo)電性”、“電離平衡”和“溶解中電解質(zhì)變化的過程”這三個知識點(diǎn)。學(xué)生在訪談中表示，因?yàn)檫@三個概念以理論分析為主，不能直觀反映出溶液中的具體情況，造成學(xué)生理解困難。

而筆者也從測試和訪談中歸納出如下的認(rèn)知問題：

（1） 電解質(zhì)概念與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系不清晰。從物質(zhì)結(jié)構(gòu)而言，化合物根據(jù)化學(xué)鍵的類型可以分成離子化合物和共價化合物;從電解質(zhì)而言，化合物依能否在熔融狀態(tài)或水溶液狀態(tài)導(dǎo)電，可以分為電解質(zhì)和非電解質(zhì)。這四組概念相互交錯，容易引發(fā)學(xué)生的理解錯誤，導(dǎo)致了如“酸不能導(dǎo)電”、“水不能導(dǎo)電”和“熔融狀態(tài)下食鹽不能導(dǎo)電”等相異構(gòu)想。

（2） 導(dǎo)電微粒概念的缺失。學(xué)生只能記住“自由移動的離子能導(dǎo)電”，但是對于自由移動的離子概念不清晰。形成了如下三方面的影響： ①學(xué)生不能理解為什么溶液中許多物質(zhì)以離子形式存在。他們認(rèn)為離子之間應(yīng)該發(fā)生反應(yīng)重新生成相應(yīng)的物質(zhì)，如“Na+和Cl-在溶液中可以生成NaCl”等，造成離子反應(yīng)理解上的困難。②學(xué)生不能理解導(dǎo)電性強(qiáng)弱與離子濃度有關(guān)。他們一直認(rèn)為導(dǎo)電性強(qiáng)弱取決于強(qiáng)弱電解質(zhì)本身的性質(zhì)，造成了導(dǎo)電性強(qiáng)弱與強(qiáng)弱電解質(zhì)混淆的情況。③學(xué)生不能理解水溶液中離子的存在，因而對溶解過程中電解質(zhì)的變化也很難想象和理解。39.2%的學(xué)生只能從高一上半學(xué)期的溶解過程中的能量變化來分析溶解過程。

（3） 化學(xué)平衡概念掌握不足。化學(xué)平衡概念掌握不足使得學(xué)生在學(xué)習(xí)電離平衡、水解平衡上存在困難。對平衡的建立，許多學(xué)生忽視了弱電解質(zhì)存在電離平衡，有弱離子的鹽溶液才存在水解平衡。平衡的抽象性也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，如稀釋溶液后電離程度的變化就是學(xué)生易于混淆的問題。

3.2?TPACK框架下教師知識梳理

基于學(xué)生的認(rèn)知情況需對電解質(zhì)概念教學(xué)在TPACK框架下進(jìn)行重新構(gòu)建。梳理了兩方面的技術(shù)知識： 一是DIS化學(xué)實(shí)驗(yàn)，二是課堂上使用的實(shí)時反饋軟件、電子白板和翻轉(zhuǎn)課堂的錄播軟件等。

選擇學(xué)生相異構(gòu)想集中的“溶液導(dǎo)電性”來進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體流程： （1）從PK、 CK角度分析學(xué)生情況，選定相應(yīng)教學(xué)的主題和相應(yīng)的教法、解析教學(xué)主題的具體知識點(diǎn)以及具體教學(xué)呈現(xiàn)形式。（2）從TCK的角度選擇適用的教學(xué)技術(shù)來改變內(nèi)容呈現(xiàn)方式，從TPK的角度思考使用該技術(shù)后，教學(xué)如何改變，選用何種教學(xué)策略，如何發(fā)揮技術(shù)的優(yōu)勢以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與理解。（3）綜合TCK和PCK這2種角度，最終將開發(fā)好的TPACK教學(xué)案例用于課堂實(shí)踐（見表2）。

“溶液的導(dǎo)電性”主題下內(nèi)容的選擇是基于探查學(xué)生電解質(zhì)概念中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性概念3個問題： （1）導(dǎo)電微粒的探究，（2）導(dǎo)電性強(qiáng)弱的比較，（3）反應(yīng)過程中導(dǎo)電性的變化。其中根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材、教學(xué)目標(biāo)等，分析其中的內(nèi)容主題分別對應(yīng)： （1）電解質(zhì)與非電解質(zhì)以及電解質(zhì)的電離，（2）強(qiáng)電解質(zhì)與弱電解質(zhì)，（3）研究電解質(zhì)在溶液中的化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)具體的主題對每個內(nèi)容再分成相應(yīng)的知識點(diǎn)。

從教學(xué)法的選擇上，基于電解質(zhì)概念的抽象性，希望通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)和研究來進(jìn)行教學(xué)，最終選擇體驗(yàn)式學(xué)習(xí)來進(jìn)行教學(xué)。“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)”是由David Kolb根據(jù)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)模型，用4個節(jié)點(diǎn)建立起了4階段理論模型： 具體體驗(yàn)、觀察與反思、抽象概念的形成以及在新情境中檢驗(yàn)概念的意義。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的體驗(yàn)，并在經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)和反思，使得學(xué)習(xí)者在體驗(yàn)的過程中獲得成長性發(fā)展[10]。

4?TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)實(shí)踐

選擇上海化學(xué)高一年級第二學(xué)期“7.2研究電解質(zhì)在溶液中的化學(xué)反應(yīng)”這一教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，教材中主要包括： 離子反應(yīng)、離子反應(yīng)的意義和離子方程式的書寫三個主要的知

識點(diǎn)。

4.1?教學(xué)設(shè)計(jì)

離子反應(yīng)對于學(xué)生而言很抽象，基于TPACK框架下電解質(zhì)概念的分析后，本研究圍繞“研究電解質(zhì)在溶液中的化學(xué)反應(yīng)”而展開，依據(jù)表2中TPACK框架下主題的分析，以體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的教學(xué)法，開展TCK分析，通過3個遞進(jìn)的DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來推進(jìn)問題解決，以達(dá)到教學(xué)目的。具體見表3。

TCK聚焦于探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，具體教學(xué)設(shè)計(jì)中展現(xiàn)了PCK和TPK的相關(guān)設(shè)計(jì)，具體見圖3。

4.2?教學(xué)過程

4.2.1?知識回顧： 微視頻引入課題，做好鋪墊

[視頻]同濃度鹽酸和醋酸導(dǎo)電能力的對比（DIS電導(dǎo)率探頭）。

設(shè)計(jì)意圖： 電解質(zhì)電導(dǎo)率相關(guān)實(shí)驗(yàn)視頻（TCK）已經(jīng)在課前上傳到教學(xué)云平臺（TPK），學(xué)生通過云平臺進(jìn)行電解質(zhì)相關(guān)知識復(fù)習(xí)。課上首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)微視頻中通過同濃度鹽酸和醋酸導(dǎo)電能力的對比，回顧強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的知識點(diǎn)。然后引導(dǎo)學(xué)生從微粒的角度分析問題，幫助學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，從離子角度研究反應(yīng)的本質(zhì)。導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)也將微觀粒子存在具象表現(xiàn)出來，讓學(xué)生感受到離子存在的事實(shí)。

4.2.2?概念建構(gòu)： 實(shí)時反饋技術(shù)幫助實(shí)驗(yàn)探究，flash動畫幫助微觀和宏觀對比

[思考1]現(xiàn)在向同濃度、相同體積的碳酸鈉、碳酸鉀和碳酸銨溶液中加入HCl溶液時，能發(fā)生什么反應(yīng)？出現(xiàn)什么現(xiàn)象？電導(dǎo)率如何變化？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)1]探究碳酸鈉、碳酸鉀和碳酸銨溶液中加入HCl溶液后電導(dǎo)率的變化（TCK）。

設(shè)計(jì)意圖：

（1）回顧已有化學(xué)反應(yīng)知識，實(shí)時反饋學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程后，發(fā)現(xiàn)三個實(shí)驗(yàn)可以觀察到有氣體生成，并且電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯降低，降低的程度基本相同。

（2）通過三個實(shí)驗(yàn)的比較，進(jìn)一步確定在反應(yīng)過程中出現(xiàn)了H+和CO2-3結(jié)合生成了二氧化碳?xì)怏w和水。通過flash動畫（TPK）討論微觀粒子的變化，幫助學(xué)生建立在這兩個反應(yīng)中某些離子發(fā)生了結(jié)合，為離子反應(yīng)概念及發(fā)生條件的給出埋下伏筆。

[思考2]在上述反應(yīng)中哪些離子之間發(fā)生了反應(yīng)？其他離子有沒有發(fā)生反應(yīng)？請用化學(xué)符號表達(dá)反應(yīng)情況。

設(shè)計(jì)意圖：

（1）從PCK角度激發(fā)認(rèn)知沖突： 在生成二氧化碳?xì)怏w的同時，其他離子之間有沒有發(fā)生反應(yīng)呢？是不是像我們初中所學(xué)習(xí)的復(fù)分解反應(yīng)離子兩兩交換形成了兩種新的物質(zhì)，還是只有部分離子發(fā)生反應(yīng)呢？

（2）引導(dǎo)學(xué)生從認(rèn)知出發(fā)，從微觀的變化解釋宏觀的現(xiàn)象。在反應(yīng)中，H+和CO2-3能反應(yīng)體現(xiàn)在有氣體生成，通過前面的學(xué)習(xí)，實(shí)時反饋技術(shù)（TPK）幫助學(xué)生完成兩種微粒之間的反應(yīng)： 2H++CO2-3H2O+CO2↑。

4.2.3?意義挖掘： 對比分析，挖掘反應(yīng)本質(zhì)（DIS溫度探頭）

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)2]通過測定酸堿中和反應(yīng)過程中的溫度變化探查中和反應(yīng)的本質(zhì)（TCK）。

設(shè)計(jì)意圖：

（1）通過比較相同濃度下H+與OH-離子反應(yīng)前后溫度變化和電導(dǎo)率變化，發(fā)現(xiàn)氫離子的濃度決定了溫度和電導(dǎo)率的變化。從而得出離子反應(yīng)的概念： 離子反應(yīng)是有離子參與的反應(yīng)。

（2）通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)1和學(xué)生實(shí)驗(yàn)2發(fā)現(xiàn)，離子反應(yīng)的發(fā)生必然是電導(dǎo)率降低的過程，代表著離子濃度減少。讓學(xué)生得出離子反應(yīng)的本質(zhì)： 離子反應(yīng)是向著離子濃度減少的方向進(jìn)行的。并讓學(xué)生歸納出離子濃度減少的三種情況： 生成沉淀、氣體和弱電解質(zhì)。

4.2.4?符號表征： 學(xué)習(xí)離子方程式表達(dá)（實(shí)時反饋）

[投影]離子方程式的書寫。

設(shè)計(jì)意圖： 傳統(tǒng)教學(xué)中按照“寫、拆、刪、查”四步來教授離子方程式書寫，對于學(xué)生而言僅僅是通過記憶獲得，會存在以下問題： （1）學(xué)生低效地書寫離子方程式，必須先書寫化學(xué)方程式，同時在鋁、鐵的教學(xué)中學(xué)生對于新的離子方程式的應(yīng)用和書寫存在較大問題;（2）高一學(xué)生往往會受初中所學(xué)復(fù)分解條件的影響，只關(guān)注生成物的狀態(tài)而忽略了反應(yīng)物;（3）在離子共存等問題中學(xué)生還經(jīng)常會出現(xiàn)“認(rèn)為Na+和Cl-會反應(yīng)”的情況。離子方程式的書寫不能模式化，應(yīng)該從反應(yīng)的本質(zhì)入手，讓學(xué)生真正理解感悟離子反應(yīng)的本質(zhì)。

從反應(yīng)物來分析溶液中的微粒，思考哪些微粒之間能發(fā)生反應(yīng)？關(guān)注了微粒間的變化，將實(shí)際參與的離子用符號表達(dá)出來，這就是離子方程式的意義。利用實(shí)時反饋（TPK）將學(xué)生對離子反應(yīng)的認(rèn)識思路直接呈現(xiàn)出來，通過學(xué)生的討論歸納離子方程式的書寫要求。

[思考3]將鹽酸和碳酸鈉溶液的反應(yīng)進(jìn)一步拓展。將反應(yīng)物中的鹽酸改為醋酸溶液、將碳酸鈉溶液改為碳酸鈣，離子方程式會如何變化？

設(shè)計(jì)意圖： 將已有的知識進(jìn)行鞏固強(qiáng)化，并與最早的實(shí)驗(yàn)視頻中的醋酸呼應(yīng)，理解離子反應(yīng)的本質(zhì)。

4.2.5?拓展應(yīng)用： 強(qiáng)化離子方程式符號表征

[思考4]OH-+H+H2O還能表達(dá)哪些反應(yīng)？

設(shè)計(jì)意圖： 該問題的設(shè)置突破了從物質(zhì)出發(fā)研究反應(yīng)的過程，考查了學(xué)生對概念的掌握和運(yùn)用。在問題思考中，學(xué)生會設(shè)計(jì)很多酸堿中和反應(yīng)，筆者只需要逐一分析反應(yīng)物和生成物在水溶液中的主要存在形式即可。

課后強(qiáng)化： 本節(jié)課后將上課相關(guān)視頻傳到教學(xué)云平臺（TPK）上供學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)，并要求學(xué)生進(jìn)行以下思考： （1）H2SO4溶液和Ba（OH）2溶液反應(yīng)的離子方程式如何書寫？（2）向醋酸溶液中滴加少量氨水，導(dǎo)電能力如何變化？問題思考后反饋至云平臺。

4.3?教學(xué)實(shí)踐研究與教學(xué)反思

筆者根據(jù)高一階段測試成績作為前測，從高一年級選擇2個班級（共54人）進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐研究，所選班級的學(xué)生學(xué)習(xí)水平、學(xué)習(xí)狀況基本相當(dāng)。其中一個班級為實(shí)驗(yàn)組，另一個班級為控制組。筆者在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，以自編試題為后測，來考察學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度。

本實(shí)驗(yàn)的自變量為TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)，實(shí)驗(yàn)組采取TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)，對照組采取常規(guī)教學(xué)。干擾變量控制包括： （1）學(xué)生性別，實(shí)驗(yàn)組和對照組男女生比例相當(dāng);（2）教師情況，實(shí)驗(yàn)組與對照組為同一教師授課。

在前測中對學(xué)生情況進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)。F檢驗(yàn)，p=0.2015<0.05，表示方差不存在顯著性差異，再進(jìn)行T檢驗(yàn)（等方差假設(shè)），對應(yīng)概率p=0.7912>0.05，因此在被試樣本中，這兩個樣本在0.05的水平上沒有顯著性差異，說明對照組和實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)行TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)實(shí)驗(yàn)前學(xué)業(yè)成績上沒有顯著性差異。

經(jīng)過教學(xué)后進(jìn)行后測，對后測進(jìn)行F檢驗(yàn)，p=0.0430<0.05，表示有顯著性差異，再進(jìn)行T檢驗(yàn)（異方差假設(shè)）后，得到t統(tǒng)計(jì)量平均值為1.6779，對應(yīng)概率p=0.0362<0.05，說明這兩個樣本在0.05的水平上有顯著性差異，說明實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)行TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)后學(xué)業(yè)成績上要明顯高于對照組。

通過對照組和實(shí)驗(yàn)組的比較，可以得出TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)能有效地提高學(xué)生成績。同時TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)有助于發(fā)揮學(xué)生的主動性，學(xué)生能更加積極地參與到課堂教學(xué)中。因此，在化學(xué)課堂中進(jìn)行TPACK框架下電解質(zhì)概念的教學(xué)對教師和學(xué)生都是大有裨益的。

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