運用POE教學策略深度建構生物學概念
——以“氣孔開閉原理”為例

姚國平

（無錫市蠡園中學 江蘇無錫 214072）

POE教學策略是國外學者基于“觀察滲透理論”的哲學觀念和建構主義理論提出的，旨在探查和轉變學生的前科學概念，并促進學生形成科學概念。在初中生物學學習中，理解氣孔的開閉和蒸騰作用的關系是建構“綠色植物在水循環中的作用”這一重要概念的基礎。筆者嘗試運用POE教學策略，以實證為基礎、以邏輯思維為工具，促成學生在經歷科學探究過程中深度建構氣孔開閉的原理。

1 POE教學策略流程簡介

預測（predict）、觀察（observe）、解釋（explain）是POE教學策略的基本教學環節。教學過程中，教師要求學生在一定的背景基礎上，首先對實驗現象或事件結果進行預測。接著，學生實踐并做好觀察記錄，最后對自己預測和觀察到的現象之間的不一致作出解釋。這三個環節組成了一個教學活動單元，可以有效幫助學生調整認知結構，建構科學概念。如果一堂課中概念較多，或者較為復雜，就可以設計多個類似的教學單元。

環節一：預測。預測是POE教學策略的起始步驟，學生根據教師提供的背景材料，如一個實驗、一種情境、一個事件，對可能產生的現象或結果進行預測，并且要闡明預測的依據。在這個過程中，學生的預測需要結合已有知識經驗。這樣在表達過程中就可以充分暴露學生的前概念，有利于教師有針對性地組織教學。這也是設計預測環節的主要目的。教師應要求學生闡明預測的依據，旨在提高預測的科學性，摒棄隨意性的臆測。

環節二：觀察。在該環節，學生需要參與實驗、模擬、調查等實踐體驗類活動，觀察和記錄活動結果或發生的現象，以獲取一定的客觀事實。由于觀察到的現象、結果和預測的現象、結果會不一致或未曾預料到，可能會造成學生心理上的失衡，對當前的概念產生不滿，從而為概念轉變創造了條件。

環節三：解釋。學生根據所觀察到的事實現象作出個人解釋，即自己構建證據與觀點之間的聯系，對前科學概念作出適當的調整。對初中學生來說，進行條理清晰的解釋往往有一定的難度。這時，教師不能越俎代庖，直接給出正確的結論，而應通過設計系列問題引導學生理性分析，抽絲剝繭地層層深入事物本質。同時，教師組織學生進行小組和全班討論，最后師生共同探討出對矛盾現象的科學性解釋，從而達到對自身認知結構調整的目的。

當然，以上僅是一般教學模型的構建，學生的認知極為復雜。上述環節不是截然分明的，在實際教學中，可能會有一個循環的過程，每一個環節也可能包含其他環節的要素，如預測中也常常包含著解釋。

2 POE教學策略案例呈現

氣孔是葉片表面的微觀結構，學生難以感知，成為學習的難點。在“氣孔開閉原理”的教學中，需要解決兩個問題：① 氣孔是否客觀存在?②氣孔是如何開閉?這樣，學生才能深入理解植物的蒸騰作用及其在水循環中的作用，建立起相應的生命觀念。

2.1 氣孔的客觀存在

環節一：預測。

教師以實驗方式呈現兩則背景材料：（1）源于教材的“蒸騰作用”實驗；（2）演示“巧看氣孔”實驗，教師將兩片女貞葉片放在燒杯中，加入70℃左右的熱水，葉片表面產生氣泡。這兩個實驗現象勾連起來，學生會初步認識到：植物體內水分以氣體形式散失到體外，并且葉片表面有散失的通道。然后，教師提出問題：“你認為葉片上有什么樣的特殊結構，可以讓氣體自由通過？”有學生推測：葉片表皮細胞之間不是特別致密，有間隙存在，能作為氣體進出的通道。其依據在于先前學習的知識：（1）葉片表面由一層表皮細胞構成；（2）根吸收水分時要通過幾層細胞才能進入導管。也有學生結合生活經驗，推測葉片表面的某些區域具有類似“小孔”結構。究竟哪種預測合理呢？

環節二：觀察。

教師組織學生用蠶豆葉的下表皮制成臨時裝片進行觀察，在低倍鏡下學生除了觀察到排列緊密的形狀不規則的表皮細胞外，還發現零星分布了“芝麻點”一樣的結構。經仔細觀察，學生發現這些結構其實是由兩個半月形的細胞圍成的。教師指出，半月形的細胞叫保衛細胞，“芝麻點”就是保衛細胞之間的空隙——氣孔。這樣，以實證的方式回應了學生的預測。對于第一種預測的學生來說，產生了認知矛盾；對于第二種預測的學生來說，經驗中的“小孔”和實際觀察到的氣孔在結構上是有差別的，也會使學生產生對原有認知的不滿，進而激發尚需進一步修正的動機。

環節三：解釋。

根據觀察結果，教師引導學生討論哪種預測更為合理。學生普遍認為葉片表面有氣孔存在比較合理，如果是細胞間隙的話，那么葉片表面氣泡不應該只是零星分布，而應該是密密麻麻的。在取得一定事實的基礎上，學生最終形成了科學的解釋：熱水中葉片表面有氣泡，是因為有氣體從氣孔逸出，植物蒸騰作用過程中水蒸氣就是通過氣孔散失的。并且也拓展了相關的知識：植物光合作用產生的氧氣和呼吸作用產生的二氧化碳也是從氣孔進出的，氣孔不僅是葉片散失水分的通道，還是植物體與外界進行其它氣體交換的“門戶”。

2.2 氣孔的開閉原理

環節一：預測。

背景材料：教師展示圓齒野鴉椿蒸騰速率日變化圖（圖1）。學生發現植物的蒸騰速率在24 h內是有變化的。這一真實的情境引發了他們進一步探究的欲望。此時，教師設疑：植物蒸騰作用的強度是如何調節的呢？

圖1 圓齒野鴉椿蒸騰速率日變化圖

根據前面觀察到的氣孔結構，學生很容易作出推測：氣孔大一點蒸騰作用強一點，氣孔小一點蒸騰作用弱一點，即氣孔的開放程度決定了蒸騰速率的強度。在教師的引導下，學生可以進一步推測，兩個保衛細胞的彎曲程度決定了氣孔孔徑的大小。教師進一步追問：保衛細胞為什么會發生彎曲和拉直的形態變化呢？

這一變化的預測對學生有一定的難度。有學生聯系到尿液的排出，推測：保衛細胞的細胞壁像肌肉一樣有很強的彈性，當細胞內的水分充滿或減少時就會發生相應的形態變化，氣孔就會變大或者變小。

教師引導學生調整預測的角度。學生都有這樣的經驗，因為氣球的吹嘴部位和底部的壁比周圍的壁來得厚，所以吹氣球時氣球周圍一圈容易鼓脹。由此，教師進行類比：如果有一個長條形的氣球，一側壁比較厚，一側壁比較薄，不斷吹氣，形狀會發生什么樣的變化？如果兩個這樣的氣球相對合在一起，慢慢鼓脹時兩個氣球間隙會發生什么變化？假如，這就是兩個保衛細胞呢？學生由此大膽推測，保衛細胞內外側壁厚薄不均，當保衛細胞內充滿氣體時，氣孔會擴大，反之會縮小。

環節二：觀察。

上述兩種推測是否科學、合理，關鍵是要獲取兩個事實：保衛細胞細胞壁的特點；具備特殊結構的保衛細胞，在某種條件下是否會發生形狀變化。

觀察1：教師要求學生再次細致觀察保衛的內側壁。學生發現果然內側壁比較厚，同時也印證了初次觀察時看到的“芝麻點”，其實就是保衛細胞內側壁比較厚不透光形成的。

觀察2：保衛細胞是否會發生形狀變化呢？教師進行模擬實驗，拿出一根白蘿卜，用水果刮皮刀刮下一片蘿卜，讓學生把它看作內、外壁厚度不均的“保衛細胞”。然后，要求學生把預先準備好的一片蘿卜放入盛有清水的量筒內，觀察蘿卜片的形狀變化和量筒內液面的變化。約2 min后，學生發現蘿卜片向有“皮”的一則卷曲，同時發現量筒內液面下降。如果兩個這樣的“保衛細胞”發生這樣的變化，那么就會有“氣孔”擴大的現象發生。反之，“氣孔”就會縮小。通過類比推理，學生對“保衛細胞的形態變化”有了全新的認識。

環節三：解釋。

經過觀察，學生很容易否定第一次的預測。教師提出問題植物生長過程中需要吸收水分，光合作用、呼吸作用會有氣體變化，那么，導致保衛細胞發生形變究竟是氣體因素，還是水分因素呢？學生回憶細胞的知識，確定應該是水分。結合上述觀察事實，學生相互質疑、補充，在教師的幫助下，對“氣孔的開閉原理”形成了科學合理的解釋：氣孔的開閉由保衛細胞控制。保衛細胞的結構很特殊，靠近氣孔的細胞壁比較厚，外側的細胞壁比較薄。因此，當保衛細胞吸水膨脹時，較薄的外側細胞壁容易伸長，引起整個保衛細胞向外側彎曲，于是氣孔就開放了；當保衛細胞失水時，整個細胞的體積縮小了，細胞壁隨著收縮，氣孔就關閉了。這樣，通過實驗、觀察和分析，在一系列事實和證據的支撐下，學生的論證有理有據，不僅建構了科學概念，還培養了科學思維的品質。

3 教學反思

（1）以學習者為中心。傳統的“演示——觀察——解釋”模式是學生觀察、教師解釋，整個教學過程中教師居于主導地位，學生僅是淺層理解、被動接受。以“預測——觀察——解釋”為基本環節的POE教學策略，教師作為課堂教學的組織者，在于引導學生充分表達自己的觀點和想法，促進學生自我調整、自我完善概念體系，這是學生在原有認知結構基礎上的主動建構過程。

（2）以實證為基石。《義務教育生物學課程標準（2011年版）》在課程性質的描述中，強調了生物學的自然科學和理科的屬性。科學必須實事求是，需要讓結論建立在證據基礎上，其本質是實證的。重探究、重理性、重實證，理應成為生物課堂的應有之義。教師運用POE教學策略，引導學生以事實和現象為證據，實事求是，通過邏輯論證闡釋自己的觀點，發現客觀事物之間的內在聯系，可以有效培養學生的實證意識，提升學生的科學素養。

（3）以概念形成為旨歸?？茖W探究的過程即是科學概念形成、發展的過程。POE教學策略是科學探究的一種范式，最初學生運用頭腦中的前科學概念來預測事件的可能狀況，然后發現和觀察到的結果有某種程度上的不一致，最后在師生的互動過程中逐步形成對原有問題的正確解釋，即形成科學概念，并整合到認知結構中。在真實的探究情境中，隨著生物學概念的建立，更上位的生命觀念領悟也會融入其中，如氣孔的結構和原理就滲透了結構與功能相適應的生命觀念。