TPACK框架下的“地球物理測(cè)井”教學(xué)設(shè)計(jì)

駱 淼，潘和平，馬火林，趙培強(qiáng)

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

近十幾年來，教師逐漸認(rèn)識(shí)到信息技術(shù)對(duì)教學(xué)巨大的促進(jìn)作用，也都不斷地嘗試將一些新的信息技術(shù)和教學(xué)內(nèi)容整合在一起形成新的教學(xué)方法，以獲得更好的教學(xué)效果。但是由于各個(gè)學(xué)科的教學(xué)特點(diǎn)差異較大，教師們?cè)趯⑿畔⒓夹g(shù)和學(xué)科教學(xué)進(jìn)行整合的過程中普遍面臨一些困難[1-2]。

圍繞教學(xué)法、學(xué)科內(nèi)容和技術(shù)三要素的交叉與整合，國(guó)外的一些學(xué)者逐步提出了“整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)”（Technological Pedagogical and Content Knowledge，簡(jiǎn)稱 TPACK）這一理論框架[3-5]。隨后國(guó)內(nèi)很多教育者也對(duì)TPACK理論進(jìn)行研究，并逐步將TPACK理論應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中，取得了良好的教學(xué)效果[6-9]。

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和教師的教學(xué)方式都需要不斷革新。作為一名當(dāng)代的大學(xué)教師就必須將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和信息技術(shù)三者有機(jī)結(jié)合起來。地球物理測(cè)井作為勘探地球物理學(xué)科的一個(gè)分支，涉及多種物理測(cè)量方法和探測(cè)儀器的應(yīng)用，與最新的物理測(cè)量方法和探測(cè)技術(shù)結(jié)合得很緊密。 在教學(xué)中，既要把相關(guān)的物理理論給學(xué)生講清楚，還要給學(xué)生闡明各種儀器的工作原理以及測(cè)量數(shù)據(jù)的解釋方法，而傳統(tǒng)的“地球物理測(cè)井”課程教學(xué)大多是通過課堂講授（幻燈片演示）來向?qū)W生講解各種測(cè)井方法的物理原理，測(cè)井儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的處理解釋方法。很顯然，這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法使用的技術(shù)太單一，沒有將學(xué)科內(nèi)容、教學(xué)法和信息技術(shù)進(jìn)行充分的交叉和整合。本研究從 TPACK視域出發(fā)，在“地球物理測(cè)井”課程教學(xué)中，就教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)法和信息技術(shù)三者的交叉整合進(jìn)行了探索，得到一套新的測(cè)井教學(xué)設(shè)計(jì)并可以應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)之中。

一、TPACK理論的含義

作為一名新時(shí)代的大學(xué)教師，想要提高自己的執(zhí)教能力，就需要不斷學(xué)習(xí)新的教育理論。要使用TPACK理論來指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐，必須正確理解這一理論。

Pierson在2001年關(guān)于教師如何整合技術(shù)于教學(xué)的研究被認(rèn)為是TPACK概念最早的起源[3]。Koehler 與Mishra 于2005年正式采用這一概念，并對(duì)其做出進(jìn)一步的定義與闡述[4]。隨后Mishra和Koehler又進(jìn)一步對(duì)TPACK概念進(jìn)行了發(fā)展與完善[5]。

根據(jù) Koehler 與 Mishra對(duì) TPACK的描述，TPACK 指將信息技術(shù)整合于課堂教學(xué)的知識(shí)綜合體[4]。顧名思義，它包括三個(gè)核心成分：技術(shù)知識(shí)（Technological Knowledge，TK）、教學(xué)知識(shí)（Pedagogical Knowledge，PK）、 學(xué) 科 知 識(shí)（Content Knowledge，CK）。同時(shí)，它們交叉融合形成 TPACK 的另外四個(gè)衍生成分，即：圖 1 中的PCK、TPK、TCK 與 TPACK。所以TPACK一共包括了七個(gè)成分[10-11]。這七個(gè)成分之間密切的聯(lián)系和相互作用，概念上容易混淆，需要認(rèn)真的學(xué)習(xí)之后，才能正確地運(yùn)用。

圖 1 TPACK理論框架的組成結(jié)構(gòu)

二、地球物理測(cè)井學(xué)科內(nèi)容與教學(xué)方法交叉整合

“地球物理測(cè)井”課程教學(xué)涉及十幾種巖石物理參數(shù)和工程參數(shù)探測(cè)方法、探測(cè)儀器以及探測(cè)數(shù)據(jù)的處理解釋，所以課程既有很強(qiáng)的理論性，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。理論可以指導(dǎo)應(yīng)用，應(yīng)用又反過來促進(jìn)理論的發(fā)展，二者同等重要。所以在教學(xué)過程中，教師需要將課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)穿插進(jìn)行，趁熱打鐵，促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。

“地球物理測(cè)井”課程涉及的探測(cè)方法眾多，往往要根據(jù)學(xué)生的專業(yè)需求和學(xué)時(shí)數(shù)，選擇所需要的方法來教學(xué)。所以我們要擺脫對(duì)教材的依賴，給出優(yōu)秀的參考書和參考文獻(xiàn)，教師引導(dǎo)學(xué)生去閱讀。例如：對(duì)于勘探地球物理專業(yè)所開設(shè)的48個(gè)學(xué)時(shí)的“地球物理測(cè)井”課程，表1列出了其主要教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)選定的教學(xué)內(nèi)容，我們?cè)龠x擇合適的教學(xué)方法。

表1 “地球物理測(cè)井”課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排

在自然電位測(cè)井的教學(xué)中，我們可以引入翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）的教學(xué)理念。通俗地講，翻轉(zhuǎn)課堂理念的核心就是自學(xué)、思考、表達(dá)（簡(jiǎn)稱“學(xué)思達(dá)”）。我們事先將教學(xué)中的難點(diǎn)（擴(kuò)散電動(dòng)勢(shì)、擴(kuò)散吸附電動(dòng)勢(shì)的成因）布置給學(xué)生，給他們兩三天時(shí)間去自學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，并學(xué)習(xí)制作講義，記錄問題。然后在上課的時(shí)候，請(qǐng)同學(xué)們走到講臺(tái)上展示自己的講義，并分組進(jìn)行問答練習(xí)，先讓甲組學(xué)生提問乙組學(xué)生回答，然后乙組學(xué)生提問甲組學(xué)生回答。教師主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)自學(xué)內(nèi)容，對(duì)講義展示、問答、總結(jié)等環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置，管理課堂的時(shí)間安排，通過觀察學(xué)生的表現(xiàn)，對(duì)錯(cuò)誤的地方及時(shí)糾正，對(duì)有困難的學(xué)生及時(shí)給予幫助，鼓勵(lì)學(xué)生先自己思考，再積極交流。通過課堂內(nèi)外學(xué)習(xí)內(nèi)容的翻轉(zhuǎn)，學(xué)生與教師角色的翻轉(zhuǎn)，讓同學(xué)們和教師在課堂上有更多的互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收消化，同時(shí)提高學(xué)生的自學(xué)能力和表達(dá)能力。

在密度測(cè)井教學(xué)中，我們可以采用以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法（Problem-based Learning，簡(jiǎn)稱PBL），首先提出問題—如何獲得地下巖石的密度，讓學(xué)生充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源查閱相關(guān)資料，分小組開展討論（每個(gè)小組6～8人），獲得一套可行的方案，每個(gè)小組推選一名代表闡述本小組針對(duì)問題的解決方案，然后教師對(duì)每組的方案給出評(píng)價(jià)，最后每組學(xué)生對(duì)方案進(jìn)行修改完善，從而理解密度測(cè)井的方法原理。

在電阻率測(cè)井教學(xué)中，我們則可以引導(dǎo)學(xué)生制作思維導(dǎo)圖（Mind Map），把電阻率測(cè)井中的主要方法和顏色、圖案聯(lián)系起來，使枯燥的專業(yè)術(shù)語變得有趣可愛，這樣可以大大提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)生的理解和記憶能力（圖2）。同時(shí)還可以訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散思維，從一個(gè)教學(xué)的關(guān)鍵詞迅速擴(kuò)大到相關(guān)的方法內(nèi)容，搞清楚知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。另外，思維導(dǎo)圖還可以幫助學(xué)生分析電阻率測(cè)井方法的演化過程以及各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 電阻率測(cè)井方法類別思維導(dǎo)圖

在講授完方法原理之后，我們立即安排實(shí)驗(yàn)課，在實(shí)驗(yàn)井中演示各種測(cè)井儀器的操作技能，數(shù)據(jù)采集方法和軟件，以及施工安全要素。我院測(cè)井實(shí)驗(yàn)室有三口實(shí)驗(yàn)井（深度近200米），先后配備了美國(guó)蒙特（Mount-Sopris）公司生產(chǎn)的三測(cè)向電阻率、井徑、井斜、井溫、流體電導(dǎo)率、自然伽馬測(cè)井探頭，盧森堡Electromind公司生產(chǎn)的磁化率、超聲波成像、全波列、自然伽馬能譜、聚焦電阻率測(cè)井探頭，以及原重慶地質(zhì)儀器總廠生產(chǎn)的常規(guī)測(cè)井儀器。

實(shí)驗(yàn)課可以讓學(xué)生親身體驗(yàn)各種測(cè)井儀器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用效果。但是目前存在的問題是測(cè)井探頭種類多，一種探頭的實(shí)驗(yàn)都需要30～40分鐘，而且絞車、主機(jī)、探頭大多都只有一個(gè)，加上學(xué)生人數(shù)往往較多，沒辦法讓每個(gè)學(xué)生都進(jìn)行一次完整的實(shí)際操作。大多學(xué)生只能是在旁側(cè)觀摩實(shí)驗(yàn)過程，而沒有辦法獨(dú)立體驗(yàn)測(cè)井儀器的操作和測(cè)量過程。所以今后，可能還需要增加測(cè)井實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)，讓每個(gè)學(xué)生都能有機(jī)會(huì)親手操作測(cè)井儀器。

三、教學(xué)方法與技術(shù)交叉整合

很多新的教學(xué)方法之所以能得到廣泛應(yīng)用，離不開現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的快速發(fā)展。同樣的道理，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，教學(xué)方法也需要不斷的革新。前幾年還有很多教師反對(duì)使用幻燈片教學(xué)，認(rèn)為傳統(tǒng)的板書才能夠讓學(xué)生記憶更深刻，但是現(xiàn)在大多教師都喜歡采用幻燈片來教學(xué)，因?yàn)榛脽羝@然比板書有更多的優(yōu)勢(shì)。如今電子白板的推出和廣泛使用，將會(huì)徹底地淘汰黑板，它既可以作為顯示屏，也可以作為板書的黑板。

在“地球物理測(cè)井”課程的教學(xué)中，我們引入以問題為導(dǎo)向的PBL教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂和思維導(dǎo)圖教學(xué)，都需要新技術(shù)的支持，需要對(duì)教學(xué)法和技術(shù)進(jìn)行有效的整合。在以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法中，學(xué)生需要查閱資料，快速獲得相關(guān)文獻(xiàn)，就必須有高速的網(wǎng)絡(luò)以及大容量的磁盤，然后學(xué)生需要找出問題的解決方案并記錄下來，再通過網(wǎng)絡(luò)社交平臺(tái)，實(shí)時(shí)與其他同學(xué)進(jìn)行討論，進(jìn)一步完善自己的方案。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法中，學(xué)生同樣需要高速的網(wǎng)絡(luò)以及大容量的磁盤，快速獲得相關(guān)文獻(xiàn)，然后用軟件制作幻燈片。在遇到困難時(shí)，學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)社交平臺(tái)向教師和同學(xué)求助。在思維導(dǎo)圖教學(xué)方法中，學(xué)生需要了解思維導(dǎo)圖的繪制技巧（形狀的使用，顏色的搭配，合理的布局），可以手工繪制，也可以利用軟件更好地完成思維導(dǎo)圖繪制，在課堂上完成思維導(dǎo)圖，學(xué)生則需要掌上電腦和智能手機(jī)的輔助。

在將新的教學(xué)方法引入教學(xué)中時(shí)，我們必須在技術(shù)方面要有較充分的準(zhǔn)備，教師要熟悉各種教學(xué)法所要用到的技術(shù)，同時(shí)也要了解學(xué)生對(duì)技術(shù)的掌握情況，這樣才能保證新教學(xué)方法的順利應(yīng)用，取得好的教學(xué)效果。

四、地球物理測(cè)井學(xué)科內(nèi)容與技術(shù)交叉整合

在針對(duì)學(xué)生專業(yè)需求設(shè)計(jì)好教學(xué)內(nèi)容之后，教師就需要借助于現(xiàn)有的技術(shù)來表現(xiàn)自己的教學(xué)內(nèi)容。所以教師還需要不斷學(xué)習(xí)和掌握新的技術(shù)并應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)。近幾年，在“地球物理測(cè)井”課程教學(xué)活動(dòng)中，我們不斷將動(dòng)畫、錄像、電子白板、無線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信等技術(shù)引入到課堂教學(xué)之中，取得了較好的效果。

例如：在講解超聲波成像測(cè)井在井下的測(cè)量過程時(shí)，用語言很難描述它的三維運(yùn)動(dòng)情況，以及它繪圖的過程和圖像與井壁的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借助于三維動(dòng)畫技術(shù)我們則可以更好地解釋這種井下的三維過程。

在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋中，由于需要現(xiàn)場(chǎng)給學(xué)生演示數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、計(jì)算、繪圖等過程，我們就需要借助觸摸一體機(jī)，它既可以顯示，也可以計(jì)算繪圖，以免教師在操作鼠標(biāo)和鍵盤等設(shè)備時(shí)，無法兼顧學(xué)生的反饋。

在中子測(cè)井講解中子的彈性散射和非彈性散射時(shí)，我們鼓勵(lì)學(xué)生使用掌上電腦和智能手機(jī)，利用校園無線網(wǎng)，實(shí)時(shí)在網(wǎng)上檢索這兩個(gè)概念并理解中子與其他原子的作用過程，為講解中子測(cè)井儀器的工作原理做好鋪墊。

在緒論中介紹測(cè)井施工概況時(shí)，還可以通過播放油田測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的視頻，向同學(xué)們真實(shí)地再現(xiàn)石油測(cè)井的工作場(chǎng)景，讓同學(xué)們對(duì)測(cè)井車、測(cè)井儀器、絞車、鉆塔、電纜等設(shè)備有更形象的認(rèn)識(shí)。

今后，隨著三維打印技術(shù)、全息投影、人工智能和無人機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，我們的測(cè)井教學(xué)內(nèi)容還需要不斷地與新技術(shù)進(jìn)行交叉和整合，這樣才能取得更好的教學(xué)效果。

五、結(jié)束語

新教學(xué)理念的不斷涌現(xiàn)，新技術(shù)的日新月異都給傳統(tǒng)的教學(xué)方法既帶來了挑戰(zhàn)，也帶來了機(jī)遇。TPACK理論為我們總結(jié)出了教學(xué)中最基本三個(gè)要素以及他們相互交叉的特性，讓我們對(duì)教學(xué)活動(dòng)的局部和整體有了新的認(rèn)識(shí)。

以TPACK理論為指導(dǎo)，我們?cè)诘厍蛭锢頊y(cè)井教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐中牢牢把握教學(xué)中的三個(gè)核心要素，使測(cè)井學(xué)科內(nèi)容、教學(xué)法和技術(shù)充分交叉整合，以便激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與度，增加師生之間的互動(dòng)。在將地球物理測(cè)井學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)法交叉整合的實(shí)踐中，我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇不同的教學(xué)方法，既可以讓學(xué)生學(xué)到相關(guān)的學(xué)科知識(shí)，也能訓(xùn)練學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、表達(dá)能力和創(chuàng)新能力。將地球物理測(cè)井學(xué)科內(nèi)容和技術(shù)交叉整合是我們實(shí)施新教學(xué)方法的基礎(chǔ)。將教學(xué)方法和技術(shù)交叉整合直接決定了我們的教學(xué)情景和教學(xué)形式。所以，我們要在教學(xué)實(shí)踐中不斷協(xié)調(diào)三者的關(guān)系，才能取得好的教學(xué)效果。

學(xué)科內(nèi)容、教學(xué)法和技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中是一個(gè)有機(jī)的整體，必須整體考慮，否則很難達(dá)到最佳的教學(xué)效果。所以教師們首先要學(xué)習(xí)TPACK理論，然后在教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用TPACK的理念，實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)容、教學(xué)法和技術(shù)的交叉融合，改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提高大學(xué)生的自學(xué)能力、表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。