心智模型和元概念模型认知转化视角下的TPCK

牛翠贤 杨絮 张海 白晶

技术可以作为认知工具在辅助学习上发挥巨大作用，如可以帮助学习者通过编写维基百科文章或给数字视频添加注释的方式构建存取信息的方式。但目前新兴技术在教育领域的应用仍不够广泛，教师对技术在教学情境中的具体作用仍没有达成共识。

教师需要在具体情境中重新设计技术的应用，明确技术的适用范围、局限性以及教学目标，筛选最适宜的技术创建学习活动，进而最大限度地实现技术在教学中的辅助功能。而教师在衡量技术的潜能时所面临的最大挑战在于，基于自身先验知识，理解技术的社会认知功能。

基于上述教学需求，美国密歇根州立大学学者Koehler和Mishra在2005年提出了TPCK理论框架（如图1），并以韦恩图的形式描述了信息化教学环境下教师的知识形态及组成，阐释TPCK是信息时代教师知识体系的核心。统计分析近年发表的有关TPCK发展的论文，可以发现多数研究的关注点在教师培训、专业发展以及培训项目评估方法上，极少探究TPCK本质与TPCK发展过程中的认知过程。有关TPCK本质的探究存在两种观点：整合观点和转化观点。Koehler和Mishra提出的TPCK框架，将TPCK概念化为PCK、TCK和TPK互相整合的知识体，代表了TPCK本质的整合观点。Angeli和Valanides在2005年提出的ICT-TPCK结构，蕴含了TPCK的转化观点，将TPCK概念化为一个独特的、不同的知识体。在转化模型中，内容、教学法、学习者、技术和情境被看作是TPCK发展的重要因素。然而，目前尚未形成转化结果下的认知过程的理论概念。而近期一项研究通过心智模型和元概念意识两种层次的、TPCK发展的认知过程阐释了转化视角下的认知过程。

● TPCK的层次结构GBb

Cox和Graham于2009年提出的TPCK结构清晰地定义了TPCK的层次结构（如下页表），这很好地帮助了研究者理解TPCK的各个要素及特点。同时，研究将第一层级的转化，即基础要素知识（TK、PK、CK）向交叉要素的知识（PCK、TPK、TCK）的转化，定义为心智模型的建构，在第二层次上，提出TPCK是完成教学任务所需的元概念意识的概念化。

● 第一层次转化：心智模型表征的TPCK

1.心智模型与TPCK框架映射关系

上页图1以韦恩图的形式展示了TPCK最普遍的框架结构。然而以韦恩图表示TPCK框架的视觉效果模糊了TPCK的理论发展过程，只是简单地提出任何一个基础要素的发展都会自发地带来交叉要素的发展。这与当前实证研究的结果不符，与该研究提出的认知过程也正相反。尽管Mishra和Koehler在2006年用“转化”的形式来描述TPCK，将TPCK概括为一种特殊的知识体，而不是从相邻子域自发产生的，但是文献中并没有直接陈述TPCK中的七种结构要素（TK、PK、CK、TPK、TCK、PCK、TPCK）之间的假设关系。Cox和Graham提出的层次结构，也没能从认知角度呈现各个构成要素及其相互关系。

根据相关文献，有研究者提出了心智模型观点。心智模型是情境中各个元素以及人们基于自身先验知识和信念所建构出的各个元素之间关系的表征。对于如何呈现心智模型，认知心理学假定：心智模型是可直接操控的元素及元素之间关系的模拟和连贯表征，它比一般信念和陈述的知识更加情境化，并具有指向性。相比下表中的层级结构，心智模型意味着更深层次的理解。根据Johnson-Laird和Brewer的观点，心智模型是深度理解的象征，因为心智模型是在具体情境中建构出的认知结构，如任务冲突情境。

教师构建出各个技术的功能及其对学生学习科目影响的心智模型，解决约束条件，同时对基于初始不完全信息（如教室背景）提出推论并作出预测是非常必要的。与Gentner和Steven的观点不同，有的研究者并不把心智模型看作长期模型结构，而是一种需要不断发展的结构。

假定一个反馈过程：教师通过创造性解决不同的难题情境（如课程计划），对同类问题进行共性描述。通过这一系列难题，教师可以从具体的任务情境中抽象出共性，逐步建构心智模型。因此，任务解决，如课程计划或者课堂实施经验，很可能被存储在抽象出的模型中。然而，在某一课程中抽象出的结构不具备较大的普适性，这种结合TPCK知识子域的结构不足以使教师能够顺利解决之后的每个任务。这只能说明教师可以使用某一种或某一类技术，并不能使职前教师依据教学需要正确地选择ICT。

2.TPCK构成要素的相互关系

当将心智模型观念映射到TPCK框架中时，应如何假定七个子域之间的关系呢？根据Brewer的观点，属性知识可以提供指导创建心智模型的参考框架。因此，要开始了解一种新技术或者计划一门应用技术的可能性时，构成要素中的先验知识有助于更高层级要素的建构。其中的问题是：先验知识是如何整合进高层级子域内的？研究者认为基础子域内知识转换需要以一种特殊的形式发生，从而帮助教师解决课程中使用新兴技术的难题（如上页图2）。

教师在完成课程任务时，需要将相当独立的基础要素整合形成关系紧密的要素，将知识转化为心智模型。教师仅仅整合先前知识的事实元素是不够的，需要依据事实元素的相互关系重新形成能在心理上操控的心智模型，便于教师进行下一步推论。例如，教师对别人的YouTube视频进行编辑、注释和评论，即教师具备TK。同时，教师掌握了建构主义或者基于探究的方法，即教师具备PK。为了衡量YouTube对探究式学习的潜力（箭头b），教师首先需要建构一个衡量技术在辅助学习中潜能的心智模型（箭头a）。在此过程中，心智模型包含的元素应具备以下功能：①推断技术的功能是否支持学生的学习；②某些技术的潜能是否只能通过合作性活动衡量，如共同对视频片段进行注释。既然技术和教学法信息的映射可以被看作是积极有效的认知过程，那么教师将教学法知识和技术知识转化成心智模型的过程就可能需要外部的支持。

为了清晰描述心智模型的转化过程，研究者将各个基础要素在上页图2中清晰明确地划分开，并用不同程度的暗影表示不同层次的转化来增强视觉效果。我们可以清晰地看出跨越图中的界限与认知过程紧密相关，由外围到中心知识，复杂程度逐渐加深。教师从外部区域（浅灰）跨越到内部区域（灰色和黑色），此过程不仅仅是简单的连接不同的知识要素的问题，关键是通过建构各个要素及其相互关系，转化知识表征形式。接着涉及到基于先前知识将心智模型结合到规划课程中（以TPK为例，上页图2箭头b）。同时，心智模型向任务的整合还需要一定的外部支持（箭头c）。

心智模型与命题表征不同，需要更深层次的理解。命题表征只包含既有信息，无法进行进一步推断。例如，单独考虑内容知识时，物理学家以命题的形式表示电路知识，使之能够命名某些电路知识，但却无法完成对电路的评价或搭建新电路。因而，此过程需要建构一个电路相关元素以及元素相互关系的心智模型，以整合任务难题中的新信息，从而使各个基础要素以某种特殊的形式转化成心智模型。

● 第二层次转化：元概念意识表征的TPCK

教师完成由基础构成要素TK、PK和CK到心智模型中叠加要素TPK、PC、TCK的转化，那么之后如何将各个构成要素的整合过程概念化？研究者认为，TPCK结构可以被概念化为教学任务要求的元概念意识：教师、各个知识要素以及情境。

综合考虑Cox、Koehler、Abbitt等人对TPCK的定义，发现各个定义中都蕴含TPCK结构本身特定的理论和实践价值，即TPCK是教师对与背景和教学任务相关知识的处理的知识。因此，研究者认为第二层转化关注的是TPCK视角下的元知识，这对理解新技术与其他要素的结合具有重要意义。Vosniadou等人认为，这种精细的、科学的理解是一种以元概念意识为特征的，即TPCK理论的元概念意识是什么及其作用。因此，研究者将TPCK知识表征看作是一种结构，即元概念意识。这与舒尔曼对教师知识定义大体一致，即为解释自身行为与决定的知识和能力，这也是专家教师独有的能力，是从对技术的朴素理解到形成TPCK结构必须具备的知识和能力。

从一位使用技术经验不足的新手教师成长为融合技术的专家教师需要一个过程，而此过程可以从概念转变的角度阐述。新手教师的观念认知呈现方式，有两种不同的理论观点：一种是“概念理解”，假定新手教师建构一个“碎片知识”的碎片系统，即相当大数量的、可以在特定背景中激活的解释片段。另一种是“理论理论（Theory Theory）”，假定新手教师建构一个框架理论，由此可以产生任何一个特定的解释。

1.TPCK：不连贯的知识碎片

在知识碎片方法中，研究者认为概念理解由大量的“直观元素”组成，一些元素具有广泛的作用域（适用背景），而一些元素的作用域很狭窄（某些特定背景）。这些元素被定义为“现象元”，它能够在某一瞬间激发出整体现象，并且能够描述“世界上自然发生的现象”。因此“现象元”是一种次概念实体。另外，每个“现象元”都是独特的，要凝结成一个整体结构几乎不可能。尽管现象元组合有不同的发展轨迹，却可以在许多相似情境微妙地重合，表现出局部一致性。

或许，研究者可以把学习定义为元素（现象元）及元素（现象元）相互作用的过程，给学习者带来重要的知识理解。通过组织管理这些元素，学习者可以与情境建立联系，并依据这些元素解释情境的能力价值对元素进行区别排序。由于“现象元”庞大的数量与独特性，难以进行统合，至今尚未形成共同认可的元概念结构。

至于“现象元”的局部一致性，我们可以设想这样的情况：教师从每天教学的情境中抽象出“不言自明的图示”，然后生成大量的可以再次采用的基于特定背景的“现象元”元素。例如，在教学中，使用计算机实验室展开合作学习会导致课堂混乱。这就有可能具有共性的现象元，并能够同时解释相关的情境或者导致不同要素之间或者要素内部的分化，如学生在下午感到疲乏或者计算机实验室的小组作业等要素都可能是导致混乱的原因。因此，TPCK结构中的“现象元”应具备特定的背景、话题、技术或者教学策略等特质。然而，这种形式的TPCK概念化无法解释新的约束条件，如新技术或者新课堂。也因此难以对教师怎样理解使用技术教学的各个因素以及如何相互作用形成系统的元概念意识。

2.TPCK：一种相干理论

Vosniadou等人借鉴物理学科提出概念理解“相干理论”：学习者初始本体论和认识论预设可以被纳入一般框架理论。框架理论是有组织的物理现象的因果和解释性框架。受框架理论限制，一些特殊的理论（如心智模型）和信念的建构要基于日常观察，并透过文化信息解释、说明或者预测特殊的现象。约束框架理论中只有极少理论可以外推迁移，一般被认为是相当稳定并且极难改变的。研究者认为概念化是通过整合新信息与临时心智模型，以形成新的心智模型的发展过程，也是一种继续丰富和修正的过程。其修正方式有两种：一是对弱质模型的改造，即对已有结构的分化和分层构造；二是彻底的重构，即脱离先前的结构重新构造新的理论结构，这种彻底的重构一般被认为是较难实现的。其中一个原因在于随着本体论和认识论的改变，在此基础之上形成的所有知识结构也会受到严重影响。因此，为了将朴素理论发展成科学的理解，必须获得教师自身不同的认知表征形式的元概念意识。

相干理论基础上的心智模型具有动态的结构，并且建立在问题解决的基础之上。创造过程应该是基于概念结构，并受限于概念结构。从日常生活中提取初始的概念结构，不断同化新信息，以完善心智模型。同时，观念改变过程中的学习最终意味着对潜在的猜想的重新解释。

相干理论观点认为，发展TPCK意味着通过建构基于框架预设的初始心智模型，教师可以建立关于“本土化”理论预设的基础是什么，以及教师如何建构这些“本土化”理论的元知识（如课程技术和教室决定）。相干理论观点认为培训教师使其灵活创新地使用技术可能非常困难，因为要完成这一任务，教师教育者将不得不转变初始预设，而改变这些预设不仅要耗费精力，而且很可能会产生不愉快的情绪，同时还要建构值得信赖的理解教学环境的方式。这对教师教育者和教师来说难度都很大。

diSessa等人在如下页图3和图4中描述了“碎片知识”和“相干理论”。图3将TPCK定义为一种一般情况下每个解释性元素不相干的系统。这些解释性元素是从日常教学经验中抽象而来的。图中描绘了新手教师（尚未形成TPCK的教师）理解整合技术的学科教学内容的表征形式。在此图中TPCK本身应该是所有元素的“交集”，融合了所有的知识子域。图4将TPCK定义为教师的直观的相干理论，描绘了已经形成TPCK结构的教师理解整合技术的学科教学知识表征形式。由此，具备TPCK意味着形成一个大致上涵盖各个要素、要素之间的相互关系以及情境角色的概念。

总之，TPCK框架应关注三个焦点：情境、规范和关系结构。作为科学的框架理论的TPCK应该满足：①清晰的技术应用情境；②在本体论和认识论上形成一定数量的技术、教学法和内容的预设；③预设应包括教师各个知识要素之间系统关系的元概念框架。

3.元概念意识表征的TPCK

根据TPCK框架概念化的相干理论，将TPCK结构定义为元知识。此时不同背景的教师技术使用的过程会形成不同的理解，如教学经验丰富的教师使用技术教学时有可能只增加PK，技术熟练的教师教学可能只增加TK。或许可以将TPCK定义为教师对完成教学任务的需要、教师各个子域的知识以及约束情境的元概念意识（如图5）。TPCK可以理解为一个层级的元概念意识，对专家知识进行高层次的组织而不是一种受限、固定的知识体。

在TPCK中间区域，以教学任务代替了先前的TPCK。这是因为根据视觉逻辑，最中心的区域应该是最明确的部分，应该是一个具体的课程或者计划等，而不是综合的知识。

● 结论

不断涌现的技术影响着每位教师的教学效果，它既可以增强可视化效果，还可以影响学习过程。要想发挥技术的潜力就需要教师精细规划技术的使用方法。此研究提出了教师发展TPCK知识的心智模型和元概念意识观点，阐释了TPCK框架的基础理论假设。但这仍需后来的研究者实证探究心智模型在教师教学中的角色和指导作用，以及知识要素与教师信念的关系，等等。

基金项目：本论文获得东北师范大学教师教育研究基金重点项目“卓越教师素质结构实证研究”，东北师范大学教师教育研究基金一般项目“卓越教师培训能力迁移影响因素实证研究”，东北师范大学教师教学发展基金项目“面向高水平复合型传媒人才UGMR创新培养模式的实践型教师共同体建设”资助。本论文也受到东北师范大学附属中学校本课题“依托家园网络平台促进托班幼儿自我服务能力的行动研究”支持。