POE策略下數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)

小學(xué)科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)給小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)注入了一股新的力量。POE策略是在觀察滲透理論、哲學(xué)觀念和建構(gòu)主義、前概念、概念轉(zhuǎn)變等教育理論基礎(chǔ)上提出的一種教學(xué)策略。教師可以基于POE策略，結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)適用于小學(xué)科學(xué)課后服務(wù)的實(shí)驗(yàn)案例。

一、POE策略

POE策略是指“預(yù)測(cè)—觀察—解釋”（Predict-Observe-Explain）。預(yù)測(cè)：要求學(xué)生了解即將面對(duì)的問(wèn)題情境，并針對(duì)現(xiàn)象或事實(shí)提出預(yù)測(cè)及理由，借此了解他們的前概念。觀察：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察活動(dòng)，學(xué)生即時(shí)記錄所觀察的現(xiàn)象和結(jié)果，不同學(xué)生觀察到的結(jié)果不同，即時(shí)記錄可確保學(xué)生不會(huì)因別人不一樣的答案而改變自己的想法。解釋：當(dāng)預(yù)測(cè)與觀察到的結(jié)果不一致時(shí)，學(xué)生要試著去協(xié)調(diào)觀察結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果之間的差異，教師應(yīng)鼓勵(lì)他們思考各種可能性并用文字或者圖畫說(shuō)明。

1.主要特點(diǎn)

對(duì)前概念的關(guān)注。前概念是指在接受新知識(shí)之前，已經(jīng)具備的一些與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和觀念。這些前概念可能正確，也可能存在偏差或錯(cuò)誤，它們會(huì)影響學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解和接受程度。POE策略促使教師通過(guò)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)來(lái)了解學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并根據(jù)學(xué)情有針對(duì)性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。而在觀察環(huán)節(jié)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)可能會(huì)有一定的差異，造成學(xué)生的認(rèn)知失衡，從而激發(fā)他們探究的興趣。

對(duì)學(xué)生觀的重視。在POE策略中，預(yù)測(cè)和觀察的理論基礎(chǔ)來(lái)源于對(duì)學(xué)生的累積經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)可，也就是建構(gòu)主義中所指出的學(xué)生觀。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)生并不是空著腦袋接受知識(shí)的個(gè)體，而是以已有經(jīng)驗(yàn)作為建構(gòu)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)主體。POE策略認(rèn)為，教師在為引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突創(chuàng)設(shè)情境的過(guò)程中起到了主導(dǎo)作用，目的是使學(xué)生以意義建構(gòu)為手段之一，將科學(xué)概念逐漸地納入自身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。

2.實(shí)施過(guò)程

POE策略的實(shí)施流程如圖1，其中預(yù)測(cè)、觀察、解釋是可以外顯的，而概念轉(zhuǎn)變、概念沖突、新概念的形成與強(qiáng)化等是內(nèi)隱的，所以在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，主要看預(yù)測(cè)、觀察、解釋這三個(gè)環(huán)節(jié)。

3.注意事項(xiàng)

預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生根據(jù)教師提出的問(wèn)題或者創(chuàng)設(shè)的情境，對(duì)可能產(chǎn)生的現(xiàn)象或結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)不是隨意地猜測(cè)，預(yù)測(cè)時(shí)要闡明依據(jù)，旨在提高預(yù)測(cè)的科學(xué)性，摒棄隨意性的猜測(cè)。

觀察環(huán)節(jié)中，學(xué)生觀察并記錄發(fā)生的現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，以獲取一定的客觀事實(shí)。由于觀察到的現(xiàn)象、結(jié)果和預(yù)測(cè)的現(xiàn)象、結(jié)果可能會(huì)有不一致或未曾預(yù)料到的地方，會(huì)造成學(xué)生對(duì)當(dāng)前的概念產(chǎn)生排斥或沖突，這就為概念轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。因此，教師應(yīng)注意給學(xué)生足夠的觀察時(shí)間，提醒他們仔細(xì)觀察，從而為概念轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。

解釋環(huán)節(jié)中，學(xué)生根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出自己的解釋，對(duì)前概念做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與更新，即建立證據(jù)與觀點(diǎn)之間的聯(lián)結(jié)。進(jìn)行條理清晰的解釋往往會(huì)有一定的難度，這時(shí)，教師不能越俎代庖，直接給出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)系列的問(wèn)題逐步引導(dǎo)學(xué)生理性分析，抽絲剝繭地層層深入，漸漸探索事物本質(zhì)。對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)，有些結(jié)果不必做出明確的解釋。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件等組成，能采集和處理各種數(shù)據(jù)并以圖、表、數(shù)字等顯示的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)（如圖2）。

傳感器：將“感觸”到的待測(cè)物的相關(guān)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集器能夠識(shí)別和分析的電信號(hào)，并傳送到數(shù)據(jù)采集器中。

數(shù)據(jù)采集器：接受從傳感器傳過(guò)來(lái)的電信號(hào)，收集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。

計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件：顯示數(shù)據(jù)采集器收集的數(shù)據(jù)并通過(guò)相關(guān)軟件處理和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)可概括為以下幾點(diǎn)：可視性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性以及直觀性。可視性是指可將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化的溫度、氣壓、pH等變量以數(shù)字形式通過(guò)計(jì)算機(jī)表現(xiàn)出來(lái)；實(shí)時(shí)性是指數(shù)據(jù)變化的顯示與實(shí)驗(yàn)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，實(shí)時(shí)顯示；準(zhǔn)確性體現(xiàn)在既可以由電腦自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔從1/20800 s到1000 s，又可以人工控制采集，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確到0.5%，完全符合小學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求；直觀性表現(xiàn)為傳感器技術(shù)可以圖像、刻度計(jì)、表格等多種形式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示實(shí)驗(yàn)的變化過(guò)程，還可以在查看任一時(shí)間或某個(gè)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

三、案例：澄清石灰水為什么不變渾濁？

《人的呼吸》一課探究了二氧化碳的性質(zhì)，主要是其能使澄清石灰水變渾濁。常用的實(shí)驗(yàn)方法是：把澄清的石灰水倒進(jìn)裝有二氧化碳的瓶子里，搖晃幾下，觀察石灰水有什么變化。由于人呼出的氣體中含較多二氧化碳，為簡(jiǎn)便起見，常常直接向澄清的石灰水中吹氣，跟教材配套的教學(xué)光盤中的視頻里也是這么操作的。但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：一開始往澄清的石灰水中吹氣，石灰水跟預(yù)計(jì)的一樣，變渾濁了；但是，繼續(xù)往石灰水中吹氣后，石灰水又變清了。學(xué)生很難理解這是為什么。由此，我們基于POE策略改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.預(yù)測(cè)

學(xué)生的有關(guān)預(yù)測(cè)包括以下幾點(diǎn)：可能是吹入的二氧化碳太多了，可能是澄清石灰水的問(wèn)題，可能是空氣中的其他氣體使得變混濁的澄清石灰水又變清了。

2.觀察

通過(guò)溶液電導(dǎo)率的變化來(lái)反應(yīng)溶液的變化，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、計(jì)算機(jī)三者連接起來(lái)，選擇合適量程；②在軟件、“實(shí)驗(yàn)”中選擇“數(shù)據(jù)采集”，選擇采集模式、取樣速度、限定時(shí)間；③取約3 mL飽和澄清石灰水加入大試管中，用蒸餾水按1∶2（體積比）將飽和澄清石灰水稀釋，插入電導(dǎo)率傳感器和吸管，點(diǎn)擊“開始”，緩慢吹氣，直到數(shù)據(jù)幾乎不變?yōu)橹梗虎苡^察變化曲線，先下降再上升，觀察澄清石灰水，先變渾濁再變澄清，結(jié)合兩次的觀察發(fā)現(xiàn)，澄清石灰水最渾濁的時(shí)候正是曲線的最低點(diǎn)，也就是電導(dǎo)率最低的時(shí)候。學(xué)生觀察到：這條曲線先下降，再緩慢地上升了一點(diǎn)點(diǎn)（如圖3）。

3.解釋

在向澄清石灰水中吹入二氧化碳時(shí)，溶液的導(dǎo)電能力開始逐漸下降，當(dāng)達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，溶液是最渾濁的，然后繼續(xù)往溶液里吹入二氧化碳，溶液的導(dǎo)電能力又逐漸變強(qiáng)，溶液又變得越來(lái)越清。原理是澄清石灰水（氫氧化鈣）會(huì)與二氧化碳進(jìn)行反應(yīng)，生成碳酸鈣，碳酸鈣是一種難溶物，導(dǎo)致溶液的導(dǎo)電率變低，繼續(xù)吹入二氧化碳后，會(huì)與碳酸鈣繼續(xù)反應(yīng)，生成碳酸氫鈣，碳酸氫鈣溶解于水，所以溶液的導(dǎo)電率又上升。

對(duì)于小學(xué)生而言，他們不需要知道背后復(fù)雜的化學(xué)變化，只需借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水最渾濁的時(shí)候正是曲線的最低點(diǎn)，也就是電導(dǎo)率最低的時(shí)候，從而知道繼續(xù)往澄清石灰水中吹氣，澄清石灰水會(huì)變清澈。所以，在做往澄清石灰水中吹入二氧化碳實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，不能吹入過(guò)多的二氧化碳。

4.案例反思

往澄清石灰水中繼續(xù)吹氣后，變渾濁的澄清石灰水又變清了。此時(shí)，可以采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，以數(shù)字、圖表的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，并加以適當(dāng)?shù)慕忉專龅綄?shí)驗(yàn)教學(xué)的深入淺出。這里用到了電導(dǎo)率傳感器，其實(shí)還有很多其他的傳感器，可以應(yīng)用到其他內(nèi)容（見表1）。

四、總結(jié)與反思

1.以素養(yǎng)提升為導(dǎo)向，培育科學(xué)素養(yǎng)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的可視性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、直觀性可以幫助學(xué)生用實(shí)驗(yàn)的手段更方便地去驗(yàn)證自己的預(yù)測(cè)。對(duì)小學(xué)生而言，他們無(wú)須對(duì)繁雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也無(wú)需了解數(shù)據(jù)是如何產(chǎn)生的，他們只需要分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，從而自我調(diào)整及完善概念體系，在原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上主動(dòng)建構(gòu)，使學(xué)習(xí)成為既動(dòng)手又動(dòng)腦的過(guò)程。

2.以具體實(shí)證為基石，建構(gòu)科學(xué)概念

科學(xué)需要讓結(jié)論建立在證據(jù)的基礎(chǔ)上，其本質(zhì)是實(shí)證的，重實(shí)證、重探究理應(yīng)成為科學(xué)課程的應(yīng)有之義。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、清晰的圖表、具體的數(shù)值等直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，引導(dǎo)他們以事實(shí)和現(xiàn)象為證據(jù)，實(shí)事求是，通過(guò)邏輯論證來(lái)闡明自己的觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)客觀事物之間的內(nèi)在聯(lián)系。

3.以思維形成為宗旨，提升思維能力

POE策略是科學(xué)探究的一種范式，注重依據(jù)思維的深化過(guò)程設(shè)計(jì)活動(dòng)方案，突出學(xué)習(xí)進(jìn)階的理念，促進(jìn)學(xué)生在研究中深入學(xué)習(xí)，由學(xué)以致知、學(xué)以致用向?qū)W以致創(chuàng)的方向遞進(jìn)發(fā)展。學(xué)生在整個(gè)認(rèn)知建構(gòu)的過(guò)程中，分析、綜合、比較、分類、抽象、概念、歸納、演繹等思維能力不斷得到提升。

[課題：南京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“POE教學(xué)策略提高小學(xué)中年段學(xué)生科學(xué)探究能力的實(shí)踐研究”，編號(hào)：L/2018/381]

（作者單位：江蘇省南京市金陵匯文學(xué)校）

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