基于POE策略的物理習(xí)題可視化教學(xué)探究

王勝利 王亞輝

POE（predict-observe-explain，意為預(yù)測、觀察、解釋）策略是基于學(xué)生行為建立的實(shí)驗(yàn)演示策略。在這種策略的指引下，教師以學(xué)生為主體開展演示活動。可視化教學(xué)目的在于在對不可視的思維或現(xiàn)象進(jìn)行可視化處理[1]。高中生分析習(xí)題中物體各階段的運(yùn)動狀態(tài)時(shí)存在困難。教師采用POE策略開展可視化教學(xué)，有助于轉(zhuǎn)變學(xué)生前概念。筆者從行為視角，以2022年全國甲卷第5題的講授為例，分析POE策略背后的教師行為，設(shè)計(jì)物理演示活動的教學(xué)流程，采用POE策略并拓展應(yīng)用范圍，開展物理習(xí)題可視化教學(xué)，提高了習(xí)題教學(xué)效果。

一、關(guān)于POE策略的理論探究

POE策略是由岡斯通（Gunstone）和懷特（White）于1992年提出的。POE策略源于DOE（demonstrate-observe-explain，意為演示、觀察、解釋）策略，從字母組成上看二者區(qū)別在于觀察與解釋之前學(xué)生是猜想還是直接觀察。在DOE策略教學(xué)中，演示與觀察與其說是兩個(gè)階段，不如說是一個(gè)階段的兩種行為——教師的演示行為與學(xué)生的觀察行為。教師演示時(shí)學(xué)生自然是在觀察的，其實(shí)POE策略是在DOE策略基礎(chǔ)上增加了學(xué)生的猜想行為。

實(shí)驗(yàn)演示行為之前加上學(xué)生猜想后，教學(xué)觀、學(xué)生觀、科學(xué)發(fā)展觀都發(fā)生了極大的變化[2]。首先，猜想是學(xué)生在教師語言引導(dǎo)下的一種猜想，而非天馬行空式的想象，是學(xué)生根據(jù)自身原有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的一種預(yù)測，它反映了學(xué)生自身的知識水平與思維狀況。猜想的結(jié)果可能是對的也有可能是錯(cuò)的，不同學(xué)生的猜想也未必相同。其次，觀察是學(xué)生的行為，與此同時(shí)教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，因?yàn)橹袑W(xué)生大多有強(qiáng)烈的好奇心，想要驗(yàn)證猜想是否正確。在猜想基礎(chǔ)上進(jìn)行觀察，學(xué)生會異常認(rèn)真，觀察也更加仔細(xì)。最后，解釋很關(guān)鍵，學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)后，圍繞預(yù)測現(xiàn)象與真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象討論，分析原因，解釋現(xiàn)象，讓教師進(jìn)行評判。

筆者從行為視角觀察，發(fā)現(xiàn)POE策略更加注重學(xué)生的學(xué)，預(yù)測、觀察、解釋都是學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，但并不是說教師完全沒有作為，學(xué)生的三種行為對應(yīng)著教師的引導(dǎo)（guide）、演示（demonstration）、歸納（conclude），只是教學(xué)活動的主體是學(xué)生。教師從學(xué)生的前概念的猜測出發(fā)，重視學(xué)生的主觀能動性，在整個(gè)教學(xué)過程中充當(dāng)引導(dǎo)者、演示者，以學(xué)生的學(xué)為中心開展教學(xué)活動，讓學(xué)生自主建構(gòu)知識，積極交流，整體的教學(xué)氛圍是寬松民主的。DOE策略的不足在于只讓學(xué)生被動接受知識，沒有考慮學(xué)生自身原有的思維意識[3]。

在教學(xué)實(shí)踐中，拉恩（Ranne）和科拉里（Kolari）將POE策略擴(kuò)展為PDEODE策略，即在POE基礎(chǔ)上增加兩個(gè)討論（discuss）和一個(gè)解釋（explain），并將其放在預(yù)測后和最終解釋前——讓學(xué)生猜想后先行分組討論并解釋為什么這樣猜想，解釋前再次分組討論。相較于POE基本模型，PDEODE策略更加具體，也更加煩瑣，分組解釋猜想使得學(xué)生的猜想與真實(shí)的教師演示間隔更長，學(xué)生的興趣能否維持那么長時(shí)間有待考究。整體來說，PDEODE策略只是POE策略的拓展，它是對POE策略隱含學(xué)生行為的再次挖掘，并未突破POE策略的框架。

可見，POE策略的核心在于充分暴露學(xué)生的前概念，以實(shí)驗(yàn)演示激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，引起認(rèn)知沖突或者進(jìn)行知識同化，最后進(jìn)行解釋歸納。教師可以將POE策略從演示實(shí)驗(yàn)中抽脫出來，用驗(yàn)證（right? & verify）替換觀察（observe），將POE策略變?yōu)镻RE策略，則應(yīng)用場景就不限于實(shí)驗(yàn)。教師可以針對任何問題，讓學(xué)生經(jīng)歷從猜想到驗(yàn)證猜想再到解釋猜想的過程，這符合教育教學(xué)的一般規(guī)律。

二、POE策略在物理習(xí)題可視化教學(xué)中的應(yīng)用

（一）物理可視化教學(xué)

可視來源于英文單詞visual，意為視覺的、形象的。可視化指將抽象的事物形象化處理，最早用于計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算——將大量的數(shù)據(jù)以圖像、圖形的形式展示。可視化是一種教學(xué)手段，即教師借助計(jì)算機(jī)信息技術(shù)或圖式結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)教學(xué)為目的，對抽象的知識或邏輯進(jìn)行形象化、具體化處理，采用可視化的方式降低抽象思維難度，幫助學(xué)生建構(gòu)物理知識。

物理知識比較抽象。學(xué)生學(xué)習(xí)物理需要有較強(qiáng)的抽象思維能力和邏輯思維能力，然而大多數(shù)人并不能直接理解抽象的物理知識。教師要為學(xué)生提供支架，在學(xué)習(xí)前期通過可視化教學(xué)手段創(chuàng)設(shè)物理情境，輔助學(xué)生理解抽象的物理知識，待學(xué)生達(dá)到要求后再撤去支架。對于物理知識而言，可視化對象既可以是難以展現(xiàn)的物理現(xiàn)象或是難以實(shí)現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)，也可以是習(xí)題模型的動態(tài)模擬。這些可視化手段的運(yùn)用都可以促進(jìn)教師的教與學(xué)生的學(xué)，提高教學(xué)效率。教師對于不同類型的物理知識應(yīng)采用不同的物理可視化教學(xué)手段。物理可視化教學(xué)分為兩類：一類是依托圖式結(jié)構(gòu)靜態(tài)的思維可視化；另一類是依托實(shí)驗(yàn)動態(tài)的知識可視化。有實(shí)驗(yàn)演示的地方就可用到POE策略，有思維流程的地方便可用到圖式結(jié)構(gòu)，可以說這兩大類的可視化均在POE策略中有所體現(xiàn)。

習(xí)題教學(xué)在物理課上很常見，旨在測評學(xué)生對物理知識的理解與運(yùn)用能力，以及分析問題的邏輯思維能力。但習(xí)題教學(xué)難以應(yīng)對復(fù)雜的物體運(yùn)動問題，如板塊運(yùn)動和帶電粒子運(yùn)動問題。學(xué)生的抽象思維能力不強(qiáng)，很難正確分析物體的真實(shí)運(yùn)動情況，僅憑教師拿教輔資料教學(xué)很難取得理想的效果。這時(shí)，如果運(yùn)用模擬仿真手段演示物體的運(yùn)動，既可以吸引學(xué)生的注意力，又可以降低學(xué)生抽象思維難度，優(yōu)化物理習(xí)題教學(xué)。

（二）基于POE策略構(gòu)建物理可視化教學(xué)流程

可視化教學(xué)是一種理念，也是一種方法，教師在教學(xué)中該如何運(yùn)用呢。筆者在POE策略的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了教師的行為，設(shè)計(jì)了物理可視化教學(xué)流程（如圖1）。首先，教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)大膽猜想實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然后，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生觀察。實(shí)驗(yàn)演示完畢，學(xué)生進(jìn)行討論，嘗試解釋為什么會有這樣的結(jié)果，無論結(jié)果與猜想相同與否都尋求科學(xué)解釋。最后，教師進(jìn)行歸納、總結(jié)，以圖式結(jié)構(gòu)展現(xiàn)分析問題的思維過程，達(dá)到轉(zhuǎn)變學(xué)生概念的目的。

三、案例與分析

隨著教學(xué)環(huán)境不斷改進(jìn)，物理可視化教學(xué)的手段也在不斷拓展，POE策略從演示實(shí)驗(yàn)向信息技術(shù)方面拓展。

（一）教學(xué)案例

對于2022年高考全國甲卷第5題（如圖2），筆者運(yùn)用POE策略進(jìn)行講授。

環(huán)節(jié)一：教師引導(dǎo)。

教師：從題干中提煉信息，粒子帶正電還是負(fù)電，有無初速度，電場的方向是往哪的，磁場的方向是往哪的？

學(xué)生：粒子帶正電，初速度為0，電場方向沿y軸向上，磁場方向垂直紙面向里。

教師：假如粒子僅受電場作用做什么運(yùn)動，或僅在磁場中做什么運(yùn)動？

學(xué)生：分別做直線運(yùn)動和圓周運(yùn)動。

教師：這個(gè)粒子在復(fù)合場中做什么運(yùn)動呢？

環(huán)節(jié)二：學(xué)生猜想。

學(xué)生猜想1：粒子帶正電荷，在沿y軸的電場中獲得向上的加速度，在磁場中受洛倫茲力作用做向右的圓周運(yùn)動，所以軌跡應(yīng)該是A或C。

學(xué)生猜想2：粒子靜止時(shí)不受洛倫茲力，受電場力作用，產(chǎn)生初速度方向向上，根據(jù)左手定則，四指指向運(yùn)動方向，磁場方向穿過手心，運(yùn)動軌跡向左運(yùn)動畫圈，穿過x軸后可能不會停止，會繼續(xù)向下運(yùn)動一部分，所以選D。

學(xué)生猜想3：粒子受電場力產(chǎn)生向上加速度，受洛倫茲力作用向左畫圈，當(dāng)速度方向與加速度方向夾角小于90°時(shí)加速，大于90°時(shí)做減速運(yùn)動。洛倫茲力只改變運(yùn)動的速度方向，并不改變速度的大小，所以初速度為0的運(yùn)動軌跡應(yīng)該是選項(xiàng)B，并不會向x軸下方運(yùn)動。

環(huán)節(jié)三：教師演示與學(xué)生觀察。

帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動難以在真實(shí)環(huán)境下演示，需要借助信息技術(shù)手段進(jìn)行模擬。教師使用Python軟件，建立復(fù)合場模型，初始演示時(shí)只展示粒子動態(tài)的運(yùn)動過程，而后再加上速度—時(shí)間圖像進(jìn)行演示，從不同角度改變粒子的電場方向、磁場方向、粒子帶正負(fù)電和粒子有無初速度等方面進(jìn)行模擬，讓學(xué)生認(rèn)真觀察各種情況下粒子的運(yùn)動軌跡。

模擬演示（如圖3）：E向上，B向里，正電荷由靜止釋放。

模擬演示（如圖4）：E向上，B向里，正電荷有向上初速度釋放。

環(huán)節(jié)四：學(xué)生解釋。

學(xué)生通過討論交流，觀察現(xiàn)象，修正左手定則的使用方法。學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)，靜止發(fā)射的粒子速度沿最高點(diǎn)對稱，再次回到x軸時(shí)也靜止，回想起電場力是保守力，只與始末位置有關(guān)，在x軸等勢面上不做功，所以軌跡為B選項(xiàng)所示圖像。當(dāng)有初始時(shí)有向上的初速度，那么回到x軸時(shí)也有同樣的初速度，只是方向與之前相反，會繼續(xù)減速向下運(yùn)動，x軸方向上的速度減小到0時(shí)，受電場力作用獲得向上的加速度開始往復(fù)運(yùn)動。

環(huán)節(jié)五：教師總結(jié)。

教師總結(jié)復(fù)合場中帶電粒子運(yùn)動問題的解題思路，首先明確每個(gè)場強(qiáng)的性質(zhì)、方向、強(qiáng)弱與大小，其次根據(jù)場強(qiáng)對帶電粒子進(jìn)行受力分析，確定帶電粒子的運(yùn)動性質(zhì)，根據(jù)帶電粒子在電場中和磁場中的運(yùn)動規(guī)律，分析粒子的運(yùn)動過程[4]。在該題中，電場力對粒子做功，洛倫茲力方向與速度方向始終垂直對粒子不做功，電場力是保守力，做功只與運(yùn)動始末位置有關(guān)，與路徑無關(guān)，初速度為0，在零勢能面與最高點(diǎn)之間做往復(fù)運(yùn)動，并不會向下穿過x軸。

（二）案例分析

抽象的復(fù)合場中的運(yùn)動是高中物理教學(xué)中的難點(diǎn)知識，學(xué)生理解起來比較困難。微觀的粒子運(yùn)動在真實(shí)世界中難以觀察，教師需要借助物理可視化手段輔助教學(xué)。在案例中，教師通過提問先行引導(dǎo)學(xué)生提煉題干信息，再通過猜想、解釋，暴露學(xué)生對復(fù)合場運(yùn)動的前概念，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在分析問題和應(yīng)用物理規(guī)律的過程中存在的片面性。教師模擬演示題干中的情況，以及改變磁場方向、電場方向、粒子電性和初速度等的情境，直觀展示各種變化條件下的粒子運(yùn)動軌跡。學(xué)生從現(xiàn)象出發(fā)，觀察正確的運(yùn)動軌跡，反思受力分析中存在的問題，進(jìn)而分析、解釋粒子在復(fù)合場中為何形成這樣的軌跡。最后，教師進(jìn)行歸納、總結(jié)，從單一問題出發(fā)向此模型的問題進(jìn)行提升，以流程圖的可視化形式展示此類型問題的解題思路。

復(fù)合場是電場、磁場和重力場的組合，案例涉及的高考題只定性分析粒子運(yùn)動軌跡，并不進(jìn)行具體的相關(guān)物理量計(jì)算，更注重對學(xué)生科學(xué)思維及物質(zhì)運(yùn)動觀念的測評。學(xué)生僅靠“刷題”掌握不了這些知識。教師借助Python編程軟件進(jìn)行模擬演示可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，用幾行簡單的代碼就展示了現(xiàn)實(shí)中難以演示的物理現(xiàn)象，從抽象走向現(xiàn)實(shí)，給學(xué)生內(nèi)心深處也播下了運(yùn)用信息技術(shù)解決實(shí)際問題的種子。

相較于傳統(tǒng)的演示活動，基于POE策略的物理習(xí)題可視化教學(xué)活動更注重學(xué)生本位：教學(xué)中心從教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，學(xué)生通過猜想自行對比演示現(xiàn)象，討論探究原因，避免了傳統(tǒng)課堂上的填鴨式講授。由于POE涉及環(huán)節(jié)更多，其在實(shí)踐中的教學(xué)效率，短期來看可能不如傳統(tǒng)講授法，但從長期來看對學(xué)生思維能力的提升非常有利，這種暫時(shí)的“慢”可以換來長久的“快”。

筆者將POE策略與物理習(xí)題可視化教學(xué)相融合，采用POE策略，注重學(xué)生本位，設(shè)計(jì)教學(xué)流程，重視學(xué)生思維的參與，暴露學(xué)生前概念，通過形成認(rèn)知沖突與知識同化進(jìn)行促學(xué)。教師從行為視角對POE策略進(jìn)行分析，拓展預(yù)測、觀察、解釋背后隱藏的教師行為，進(jìn)行引導(dǎo)、演示、總結(jié)，基于師生間6種行為劃分5個(gè)環(huán)節(jié)可以高效開展教學(xué)活動。筆者以帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動為例，將不夠直觀的物理現(xiàn)象可視化，用仿真模擬與流程圖兩種可視化手段實(shí)現(xiàn)知識的可視化與思維的可視化，基于習(xí)題課拓展了POE策略的應(yīng)用范圍。總之，可視化教學(xué)與POE策略兩種重視學(xué)生思維發(fā)展的方法強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，有利于學(xué)生提高科學(xué)思維能力，進(jìn)而全面提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

注：本文系陜西理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目（編號：SLGYJG2014）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

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（作者王勝利系陜西理工大學(xué)研究生；王亞輝系陜西理工大學(xué)副教授）

責(zé)任編輯：祝元志