通過物理演示實驗教學(xué)提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)

王　艾，侯　丹

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通過物理演示實驗教學(xué)提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)

王艾，侯丹

摘要：物理新課程標準要求學(xué)生能夠理解物理知識的本質(zhì)，通過建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀進行學(xué)習(xí)，同時在課程理念、課程目標、學(xué)習(xí)方式及教學(xué)評價四方面提出了重大創(chuàng)新性要求，以提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。POE演示物理實驗教學(xué)策略是針對演示實驗教學(xué)提出的，將演示實驗教學(xué)分為預(yù)測、觀察和解釋三個階段，在幫助學(xué)生理解知識本質(zhì)的同時，可以更好地促進學(xué)生綜合素養(yǎng)的提高。

關(guān)鍵詞：POE教學(xué)策略;物理演示實驗教學(xué)；綜合素養(yǎng);知識本質(zhì)

新的物理課程標準要求在促進中學(xué)生對知識本質(zhì)理解的基礎(chǔ)上，提高中學(xué)生的綜合素養(yǎng)。這就要求教師能夠正確地引導(dǎo)學(xué)生自主地完成知識的建構(gòu)過程，透徹地理解物理知識的本質(zhì)，在教師設(shè)計的情境中，自覺地發(fā)現(xiàn)自己的前概念并改變自我，完成知識建構(gòu)的過程。同時要在課堂教學(xué)中滲透三維教學(xué)目標，全面提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)，提高教學(xué)效率，這就需要采用新的教學(xué)方法才能適應(yīng)新的教學(xué)改革。POE演示實驗教學(xué)策略是建立在“觀察滲透理論”和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀、前概念、概念轉(zhuǎn)變等教育理論基礎(chǔ)之上的新型演示實驗教學(xué)策略，是新的實驗教學(xué)方法的改革，對有效地完成課堂教學(xué)及學(xué)生綜合素養(yǎng)培養(yǎng)方面具有一定的優(yōu)勢。

一、 新課程標準的改革與創(chuàng)新的新要求

知識學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的前提，因此加強學(xué)生對核心知識的理解與學(xué)習(xí)，理解物理知識的本質(zhì)是本次改革的基礎(chǔ)。圍繞知識的學(xué)習(xí)，新課程標準提出了三維教學(xué)目標，要求教師從“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀”[1](P5～6)三個維度設(shè)計教學(xué)過程，對學(xué)生進行全面地培養(yǎng)。此外還在四大領(lǐng)域進行了創(chuàng)新：教育理念要先進化，課程目標全面具體化，教學(xué)方法科學(xué)化，教育評價多樣化。

新課程標準對學(xué)生知識學(xué)習(xí)的新要求及四個創(chuàng)新，使學(xué)生的學(xué)習(xí)有了新的需求，要求學(xué)生要理解知識的本質(zhì)，理解和應(yīng)用物理學(xué)基本觀點和思想，體會科學(xué)探究的歷程，提高自身科學(xué)素養(yǎng)，樹立正確的人生觀。相應(yīng)的對教師和教學(xué)提出了更高目標，要求教師更新教學(xué)理念，樹立以學(xué)生為主體的教學(xué)觀念，并將課程目標具體化，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。要采用新的教學(xué)方法，如探究教學(xué)方法，并在整個教學(xué)過程中滲透物理學(xué)發(fā)展史、科學(xué)探究思想、正確的人生觀和價值觀。此外配套的教育評價也從單一化變?yōu)槎鄻踊岢處熥⒅剡^程性評價，以便更有利于對學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)。

二、POE(預(yù)測-觀察-解釋)演示實驗教學(xué)策略簡介

預(yù)測-觀察-解釋(Predict-Observe-Explain，縮寫為POE)教學(xué)策略是由White R.T.和Gunstone R.F.于1992年正式提出的[2]，該策略由探察學(xué)生理解科學(xué)的研究方法演化而來，是建立在“觀察滲透理論”的哲學(xué)觀和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀、前概念、概念轉(zhuǎn)變等教育理論基礎(chǔ)之上的新型演示實驗教學(xué)策略。[3]

POE教學(xué)策略是針對探測學(xué)生的前概念、轉(zhuǎn)變學(xué)生概念提出的新型演示實驗教學(xué)策略，這一策略強調(diào)學(xué)生本位，將學(xué)生的學(xué)習(xí)看成是個體自我建構(gòu)的過程[4]，學(xué)生的學(xué)習(xí)起點是從觀察開始，參與到整個實驗結(jié)果的預(yù)測中，在輕松、自由的環(huán)境下進行學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，主動地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高學(xué)習(xí)效率。

POE策略最主要的特點在于學(xué)生在給出自己的預(yù)測后，必須自己決策選擇采用相關(guān)科學(xué)知識內(nèi)容來解釋自己的預(yù)測，若預(yù)測結(jié)果與觀察現(xiàn)象一致，學(xué)生會進行認知同化，進行知識的學(xué)習(xí)。而當所觀察到的實驗結(jié)果與自己的預(yù)測不一致時，學(xué)生就會產(chǎn)生認知沖突，激發(fā)自己的求知欲望，完成知識順應(yīng)的過程，重新建構(gòu)自己的知識體系。在此過程中，教師既能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)生的前概念，又能夠有效地促使學(xué)生發(fā)生前概念的轉(zhuǎn)變。[5]

POE演示實驗教學(xué)策略分為三個階段：預(yù)測、觀察、解釋。預(yù)測即學(xué)生在實驗前對實驗結(jié)果進行預(yù)測，并記錄；觀察即學(xué)生觀察實驗結(jié)果后記錄實驗結(jié)果并與自己的預(yù)測對比；解釋即在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生自主地對觀察結(jié)果進行討論與解釋。[6]POE演示實驗教學(xué)策略的三個階段對學(xué)生、教師的要求及教學(xué)特點總結(jié)見表1。

POE演示實驗教學(xué)策略

表1.　三個階段要求及教學(xué)特點總結(jié)表

三、基于POE物理演示實驗教學(xué)策略的中學(xué)物理教學(xué)

通過對新課標的要求與表1的對比研究，可知POE物理演示實驗教學(xué)策略能夠有效地完成新課程標準提出的對于核心概念知識本質(zhì)的理解，有利于建構(gòu)學(xué)生自身的知識體系，全面提高學(xué)生綜合素養(yǎng)，學(xué)會用科學(xué)的方法分析和解決問題?；赑OE物理演示實驗教學(xué)策略的中學(xué)物理教學(xué)具體完成過程及詳細說明如下：

(一)課前準備階段

在進行POE演示實驗之前，教師要進行充分準備，對學(xué)生可能擁有的前概念進行研究和總結(jié)。據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)研究結(jié)果可知，中學(xué)生前概念形成的原因有兩類：一類是由學(xué)生日常生活經(jīng)驗所形成的前概念，學(xué)生在日常生活中會對事物和現(xiàn)象產(chǎn)生直覺的或非科學(xué)的認識，表現(xiàn)為片面、幼稚甚至于與科學(xué)概念相悖的前概念；另一類是學(xué)生在正式學(xué)習(xí)物理知識后由于理解有偏差形成的對科學(xué)概念非本質(zhì)的認識。[7]基于以上兩種原因，教師要在兩方面對學(xué)生可能具有的前概念進行分析和總結(jié)：首先根據(jù)所要教學(xué)的知識內(nèi)容，查找物理學(xué)史中人們對該知識理解的發(fā)展過程，在這一過程中，人們的思想中曾經(jīng)有過哪些錯誤的觀點，這些錯誤的觀點來源于人們對日常生活經(jīng)驗的總結(jié)和理解，因此也有可能是現(xiàn)在學(xué)生所具有的前概念，進行總結(jié)和記錄。其次查找相關(guān)文獻資料，總結(jié)現(xiàn)有測量到的相關(guān)知識的前概念，進行總結(jié)。結(jié)合以上兩方面前概念內(nèi)容的總結(jié)，設(shè)計出相應(yīng)的能夠體現(xiàn)這些前概念的實驗內(nèi)容，精心安排實驗過程和實驗次序，為實驗的設(shè)計提供理論依據(jù)，讓學(xué)生能夠通過合理的實驗設(shè)計體會科學(xué)家探究知識的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)家頑強的奮斗精神，不僅在知識技能方面對學(xué)生進行培養(yǎng)，而且在情感態(tài)度、價值觀等方面又要有所滲透，從而促進學(xué)生綜合素養(yǎng)的提高。

(二)課堂實施階段

POE物理演示實驗探究教學(xué)在課堂上實施時具體分為三個階段：

1.預(yù)測階段

要求學(xué)生在教師開始實驗前，根據(jù)教師展示的實驗器材和基本的實驗介紹獨立自主地完成對實驗結(jié)果的預(yù)測，并根據(jù)自己的現(xiàn)有知識對所作預(yù)測做出認為科學(xué)合理的解釋，記錄完整。在這一階段，教師為使學(xué)生充分暴露自己的前概念，對實驗器材及實驗內(nèi)容的說明要做到簡明扼要，精準到位，以便減少其他因素對學(xué)生所猜測的結(jié)果帶來的影響，同時為學(xué)生認知沖突的發(fā)生和概念的轉(zhuǎn)變提供實證依據(jù)。

例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)“自由落體運動”時，往往存在著這樣的前概念：認為“重的物體下落速度快，輕的物體下落速度慢”。學(xué)生這樣的認識來源于生活，同時幾百年前的人們也具有相同的觀點，他們對于自由落體運動的理解具有一定的局限性，很難想象從同一高度下落的物體會同時落地。因此，在教學(xué)過程中，設(shè)計了如下的實驗讓學(xué)生對實驗結(jié)果進行猜測：取面積相等的紙和薄紙板，向?qū)W生說明它們是質(zhì)量不同的兩個物品(可以放在已經(jīng)調(diào)節(jié)平衡天平的兩個托盤上，以此證明他們的質(zhì)量是不同的)，讓學(xué)生猜測在同一高度使兩物體下落，會有什么結(jié)果，記錄并說明原因。再讓學(xué)生猜測將紙揉成紙團，會有什么樣的實驗結(jié)果，記錄并說明原因。學(xué)生會根據(jù)自己日常生活經(jīng)驗對實驗的結(jié)果進行預(yù)測和說明。

學(xué)生在這一階段，往往會根據(jù)自己原有的知識結(jié)構(gòu)對實驗結(jié)果進行預(yù)測，這時即使教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生有很多錯誤觀點也不要急于糾正，要讓學(xué)生通過后續(xù)的實驗觀察，發(fā)現(xiàn)存在的問題，促進對正確知識的理解。這樣對培養(yǎng)學(xué)生敢于大膽猜想，敢于進行分析的實踐能力有一定的促進作用。

2.觀察階段

在此階段，教師親自或請學(xué)生完成演示實驗，演示的過程中盡可能地讓學(xué)生觀察到實驗的所有現(xiàn)象，并提醒學(xué)生做好實驗現(xiàn)象的記錄，同時教師在演示的過程中要適當引導(dǎo)學(xué)生進行觀察。學(xué)生在整個的觀察過程中，會充滿好奇心，精神會高度集中，因為他們很想知道自己的推測是否正確。觀察結(jié)束后，教師提醒學(xué)生對比自己的預(yù)測和觀察的結(jié)果是否一致，并認真思考原因。這時，學(xué)生的認知沖突就會凸顯，從而發(fā)現(xiàn)自己存在的前概念。

例如，學(xué)生在對物體做自由落體運動的實驗結(jié)果進行了預(yù)測和說明后，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量并不是決定物體下落快慢的決定因素。在第一個實驗中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)薄紙板首先落地，學(xué)生會覺得自己的猜測是正確的，心中充滿了自豪感。當教師進行第二個實驗時，學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量輕的紙團率先落地了，這時學(xué)生的前概念被充分地挖掘出來，學(xué)生的自豪感消失，轉(zhuǎn)而學(xué)生的好奇心被充分調(diào)動，為后續(xù)概念轉(zhuǎn)變的順利進行做好準備。

學(xué)生觀察了實驗現(xiàn)象后，若與自己預(yù)測相同，則順其自然地將新知識納入到自己原有的認知體系，完成了知識的同化過程；若與自己的預(yù)測存在明顯差異時，學(xué)生就會產(chǎn)生強烈的認知沖突，學(xué)生的學(xué)習(xí)動機又達到了一個新的高度，他們具有非常強烈的欲望想知道自己錯在哪里。此過程中，學(xué)生的認知為“不平衡”狀態(tài)，為進一步完成知識的順應(yīng)并成為新的“平衡”狀態(tài)做好鋪墊。同時，這種教法還培養(yǎng)了學(xué)生勇于發(fā)現(xiàn)問題，反思自我的能力以及敢于承擔(dān)問題的責(zé)任心。

3.解釋階段

最后階段，通過學(xué)生間、師生間的相互討論，或通過進一步的實驗現(xiàn)象進行說明，得出正確的結(jié)論，完成概念的轉(zhuǎn)變。

例如，學(xué)生在發(fā)現(xiàn)了自己對自由落體運動存在錯誤的理解后，將在教師的引導(dǎo)下，對兩次實驗過程和結(jié)果進行分析和總結(jié)，找出頭腦中存在的問題，最后教師再適時進行牛頓管實驗，帶領(lǐng)學(xué)生再次通過實驗觀察得出正確結(jié)論，完成概念的轉(zhuǎn)變。

這一階段，學(xué)生處于“不平衡”狀態(tài)，竭力想把自己的原有知識體系重新恢復(fù)“平衡”，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生進行自主討論，分析、解釋實驗現(xiàn)象，挖掘本質(zhì)，得出結(jié)論。如果不能完全解釋，也可繼續(xù)以其他實驗進行解釋，最后由教師進行總結(jié)分析。在此過程中，學(xué)生除了通過研究、分析學(xué)習(xí)到了知識的本質(zhì)，并認識到了在日常生活中總結(jié)出的經(jīng)驗是具有一定的局限性的，必須采用科學(xué)的實驗方法進行驗證分析才能發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)，進而得到正確的結(jié)論。

在整個POE物理演示實驗探究教學(xué)的過程中，教師帶領(lǐng)學(xué)生完成了科學(xué)家對知識探究的心路歷程，除加深學(xué)生對知識的理解外，學(xué)生學(xué)習(xí)了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的基本探究能力，培養(yǎng)了應(yīng)用所學(xué)知識解決身邊問題的能力，提高了自我反思能力及勇于承擔(dān)錯誤的責(zé)任感，促進了學(xué)生綜合素養(yǎng)的提高。

四、小結(jié)

物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，物理教學(xué)設(shè)計中同樣必不可少的是物理實驗，物理實驗不僅僅能夠增加課堂的生動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時還能夠幫助學(xué)生理解科學(xué)知識的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生觀察的能力和實驗的操作技能，讓學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，體會科學(xué)家的心路歷程，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度及正確的情感態(tài)度價值觀。POE演示實驗教學(xué)策略正是在這樣的教育研究基礎(chǔ)上提出的，該策略顯著地提高了演示實驗教學(xué)效果，是一種新型的基于現(xiàn)代教育研究的基礎(chǔ)上提出的教學(xué)策略。它以學(xué)生的前概念為實驗設(shè)計基礎(chǔ)，同時通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生自主地進行知識的探究與學(xué)習(xí)，改變自己的前概念，加深對物理知識本質(zhì)的理解。它適合于融入到現(xiàn)有物理教學(xué)中，提高物理課堂教學(xué)的有效性，在有限的教學(xué)時間內(nèi)高效地促進學(xué)生綜合素養(yǎng)的提高。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部修訂.普通高中物理課程標準(實驗)[M].北京：人民教育出版社，2009.

[2] Gunstone, R.F. & White, R.T. Understanding of gravity[J].Science Education, 1981(3).

[3] Posner, G.J., Strike, K.A. & Hewson, P.W. Accommodation of a scientific conception toward a theory of conceptual change[J]. Science Education, 1982(2).

[4] 蔡春.用POE教學(xué)策略進行“性狀分離比的模擬”教學(xué)[J].生物學(xué)教學(xué)，2014(4).

[5] 林雪梅，張軍鵬.“POE”教學(xué)策略及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2011(4).

[6] 顧江鴻，史小梅，李春密.預(yù)測-觀察-解釋——一種基于現(xiàn)代教育研究的演示策略[J].教育科學(xué)研究，2009(5).

[7] 侯丹，尹航宇，翟潔.物理專業(yè)本科生對本專業(yè)知識迷思概念形成原因的分析[J].課程教育研究，2015(10).

[責(zé)任編輯：陳浮]

收稿日期：2016-04-15

作者簡介：王艾，天津市耀華中學(xué)高級教師；侯丹，天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院實驗師，博士。

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1009-7228(2016)03-0057-04

DOI:10.16826/j.cnki.1009-7228.2016.03.012

Improving Students’ Comprehensive Quality through Physical Demonstrative Experiment Teaching

WANG Ai, HOU Dan

Abstract:The New Curriculum Standard of physics requires students to understand the nature of physical knowledge, and learn according to a constructionism view of learning. Also, major innovative demands of curriculum idea, curriculum goal, learning method and teaching evaluation were put forward to cultivate students’ comprehensive quality. POE physics demonstrative experiment teaching strategy was proposed for demonstrative experiment teaching, and the demonstrative experiment teaching was divided into three stages: prediction, observation and interpretation. It can help the students to understand the nature of knowledge, and can enhance the students’ comprehensive quality.

Key Words:POE teaching strategy; physics demonstrative experiment teaching; comprehensive quality; the essence of knowledge