運(yùn)用POE教學(xué)策略深度建構(gòu)生物學(xué)概念
——以“氣孔開閉原理”為例

姚國平

（無錫市蠡園中學(xué) 江蘇無錫 214072）

POE教學(xué)策略是國外學(xué)者基于“觀察滲透理論”的哲學(xué)觀念和建構(gòu)主義理論提出的，旨在探查和轉(zhuǎn)變學(xué)生的前科學(xué)概念，并促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)概念。在初中生物學(xué)學(xué)習(xí)中，理解氣孔的開閉和蒸騰作用的關(guān)系是建構(gòu)“綠色植物在水循環(huán)中的作用”這一重要概念的基礎(chǔ)。筆者嘗試運(yùn)用POE教學(xué)策略，以實(shí)證為基礎(chǔ)、以邏輯思維為工具，促成學(xué)生在經(jīng)歷科學(xué)探究過程中深度建構(gòu)氣孔開閉的原理。

1 POE教學(xué)策略流程簡介

預(yù)測（predict）、觀察（observe）、解釋（explain）是POE教學(xué)策略的基本教學(xué)環(huán)節(jié)。教學(xué)過程中，教師要求學(xué)生在一定的背景基礎(chǔ)上，首先對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或事件結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。接著，學(xué)生實(shí)踐并做好觀察記錄，最后對自己預(yù)測和觀察到的現(xiàn)象之間的不一致作出解釋。這三個環(huán)節(jié)組成了一個教學(xué)活動單元，可以有效幫助學(xué)生調(diào)整認(rèn)知結(jié)構(gòu)，建構(gòu)科學(xué)概念。如果一堂課中概念較多，或者較為復(fù)雜，就可以設(shè)計(jì)多個類似的教學(xué)單元。

環(huán)節(jié)一：預(yù)測。預(yù)測是POE教學(xué)策略的起始步驟，學(xué)生根據(jù)教師提供的背景材料，如一個實(shí)驗(yàn)、一種情境、一個事件，對可能產(chǎn)生的現(xiàn)象或結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，并且要闡明預(yù)測的依據(jù)。在這個過程中，學(xué)生的預(yù)測需要結(jié)合已有知識經(jīng)驗(yàn)。這樣在表達(dá)過程中就可以充分暴露學(xué)生的前概念，有利于教師有針對性地組織教學(xué)。這也是設(shè)計(jì)預(yù)測環(huán)節(jié)的主要目的。教師應(yīng)要求學(xué)生闡明預(yù)測的依據(jù)，旨在提高預(yù)測的科學(xué)性，摒棄隨意性的臆測。

環(huán)節(jié)二：觀察。在該環(huán)節(jié)，學(xué)生需要參與實(shí)驗(yàn)、模擬、調(diào)查等實(shí)踐體驗(yàn)類活動，觀察和記錄活動結(jié)果或發(fā)生的現(xiàn)象，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)測的現(xiàn)象、結(jié)果會不一致或未曾預(yù)料到，可能會造成學(xué)生心理上的失衡，對當(dāng)前的概念產(chǎn)生不滿，從而為概念轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。

環(huán)節(jié)三：解釋。學(xué)生根據(jù)所觀察到的事實(shí)現(xiàn)象作出個人解釋，即自己構(gòu)建證據(jù)與觀點(diǎn)之間的聯(lián)系，對前科學(xué)概念作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對初中學(xué)生來說，進(jìn)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(jié)論，而應(yīng)通過設(shè)計(jì)系列問題引導(dǎo)學(xué)生理性分析，抽絲剝繭地層層深入事物本質(zhì)。同時，教師組織學(xué)生進(jìn)行小組和全班討論，最后師生共同探討出對矛盾現(xiàn)象的科學(xué)性解釋，從而達(dá)到對自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)調(diào)整的目的。

當(dāng)然，以上僅是一般教學(xué)模型的構(gòu)建，學(xué)生的認(rèn)知極為復(fù)雜。上述環(huán)節(jié)不是截然分明的，在實(shí)際教學(xué)中，可能會有一個循環(huán)的過程，每一個環(huán)節(jié)也可能包含其他環(huán)節(jié)的要素，如預(yù)測中也常常包含著解釋。

2 POE教學(xué)策略案例呈現(xiàn)

氣孔是葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)，學(xué)生難以感知，成為學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。在“氣孔開閉原理”的教學(xué)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(xué)生才能深入理解植物的蒸騰作用及其在水循環(huán)中的作用，建立起相應(yīng)的生命觀念。

2.1 氣孔的客觀存在

環(huán)節(jié)一：預(yù)測。

教師以實(shí)驗(yàn)方式呈現(xiàn)兩則背景材料：（1）源于教材的“蒸騰作用”實(shí)驗(yàn)；（2）演示“巧看氣孔”實(shí)驗(yàn)，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(chǎn)生氣泡。這兩個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象勾連起來，學(xué)生會初步認(rèn)識到：植物體內(nèi)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(rèn)為葉片上有什么樣的特殊結(jié)構(gòu)，可以讓氣體自由通過？”有學(xué)生推測：葉片表皮細(xì)胞之間不是特別致密，有間隙存在，能作為氣體進(jìn)出的通道。其依據(jù)在于先前學(xué)習(xí)的知識：（1）葉片表面由一層表皮細(xì)胞構(gòu)成；（2）根吸收水分時要通過幾層細(xì)胞才能進(jìn)入導(dǎo)管。也有學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，推測葉片表面的某些區(qū)域具有類似“小孔”結(jié)構(gòu)。究竟哪種預(yù)測合理呢？

環(huán)節(jié)二：觀察。

教師組織學(xué)生用蠶豆葉的下表皮制成臨時裝片進(jìn)行觀察，在低倍鏡下學(xué)生除了觀察到排列緊密的形狀不規(guī)則的表皮細(xì)胞外，還發(fā)現(xiàn)零星分布了“芝麻點(diǎn)”一樣的結(jié)構(gòu)。經(jīng)仔細(xì)觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)其實(shí)是由兩個半月形的細(xì)胞圍成的。教師指出，半月形的細(xì)胞叫保衛(wèi)細(xì)胞，“芝麻點(diǎn)”就是保衛(wèi)細(xì)胞之間的空隙——?dú)饪?。這樣，以實(shí)證的方式回應(yīng)了學(xué)生的預(yù)測。對于第一種預(yù)測的學(xué)生來說，產(chǎn)生了認(rèn)知矛盾；對于第二種預(yù)測的學(xué)生來說，經(jīng)驗(yàn)中的“小孔”和實(shí)際觀察到的氣孔在結(jié)構(gòu)上是有差別的，也會使學(xué)生產(chǎn)生對原有認(rèn)知的不滿，進(jìn)而激發(fā)尚需進(jìn)一步修正的動機(jī)。

環(huán)節(jié)三：解釋。

根據(jù)觀察結(jié)果，教師引導(dǎo)學(xué)生討論哪種預(yù)測更為合理。學(xué)生普遍認(rèn)為葉片表面有氣孔存在比較合理，如果是細(xì)胞間隙的話，那么葉片表面氣泡不應(yīng)該只是零星分布，而應(yīng)該是密密麻麻的。在取得一定事實(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生最終形成了科學(xué)的解釋：熱水中葉片表面有氣泡，是因?yàn)橛袣怏w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(guān)的知識：植物光合作用產(chǎn)生的氧氣和呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳也是從氣孔進(jìn)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(jìn)行其它氣體交換的“門戶”。

2.2 氣孔的開閉原理

環(huán)節(jié)一：預(yù)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(xué)生發(fā)現(xiàn)植物的蒸騰速率在24 h內(nèi)是有變化的。這一真實(shí)的情境引發(fā)了他們進(jìn)一步探究的欲望。此時，教師設(shè)疑：植物蒸騰作用的強(qiáng)度是如何調(diào)節(jié)的呢？

圖1 圓齒野鴉椿蒸騰速率日變化圖

根據(jù)前面觀察到的氣孔結(jié)構(gòu)，學(xué)生很容易作出推測：氣孔大一點(diǎn)蒸騰作用強(qiáng)一點(diǎn)，氣孔小一點(diǎn)蒸騰作用弱一點(diǎn)，即氣孔的開放程度決定了蒸騰速率的強(qiáng)度。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可以進(jìn)一步推測，兩個保衛(wèi)細(xì)胞的彎曲程度決定了氣孔孔徑的大小。教師進(jìn)一步追問：保衛(wèi)細(xì)胞為什么會發(fā)生彎曲和拉直的形態(tài)變化呢？

這一變化的預(yù)測對學(xué)生有一定的難度。有學(xué)生聯(lián)系到尿液的排出，推測：保衛(wèi)細(xì)胞的細(xì)胞壁像肌肉一樣有很強(qiáng)的彈性，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的水分充滿或減少時就會發(fā)生相應(yīng)的形態(tài)變化，氣孔就會變大或者變小。

教師引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整預(yù)測的角度。學(xué)生都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)闅馇虻拇底觳课缓偷撞康谋诒戎車谋趤淼煤?，所以吹氣球時氣球周圍一圈容易鼓脹。由此，教師進(jìn)行類比：如果有一個長條形的氣球，一側(cè)壁比較厚，一側(cè)壁比較薄，不斷吹氣，形狀會發(fā)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(fā)生什么變化？假如，這就是兩個保衛(wèi)細(xì)胞呢？學(xué)生由此大膽推測，保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)外側(cè)壁厚薄不均，當(dāng)保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)充滿氣體時，氣孔會擴(kuò)大，反之會縮小。

環(huán)節(jié)二：觀察。

上述兩種推測是否科學(xué)、合理，關(guān)鍵是要獲取兩個事實(shí)：保衛(wèi)細(xì)胞細(xì)胞壁的特點(diǎn)；具備特殊結(jié)構(gòu)的保衛(wèi)細(xì)胞，在某種條件下是否會發(fā)生形狀變化。

觀察1：教師要求學(xué)生再次細(xì)致觀察保衛(wèi)的內(nèi)側(cè)壁。學(xué)生發(fā)現(xiàn)果然內(nèi)側(cè)壁比較厚，同時也印證了初次觀察時看到的“芝麻點(diǎn)”，其實(shí)就是保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)側(cè)壁比較厚不透光形成的。

觀察2：保衛(wèi)細(xì)胞是否會發(fā)生形狀變化呢？教師進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，拿出一根白蘿卜，用水果刮皮刀刮下一片蘿卜，讓學(xué)生把它看作內(nèi)、外壁厚度不均的“保衛(wèi)細(xì)胞”。然后，要求學(xué)生把預(yù)先準(zhǔn)備好的一片蘿卜放入盛有清水的量筒內(nèi)，觀察蘿卜片的形狀變化和量筒內(nèi)液面的變化。約2 min后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)蘿卜片向有“皮”的一則卷曲，同時發(fā)現(xiàn)量筒內(nèi)液面下降。如果兩個這樣的“保衛(wèi)細(xì)胞”發(fā)生這樣的變化，那么就會有“氣孔”擴(kuò)大的現(xiàn)象發(fā)生。反之，“氣孔”就會縮小。通過類比推理，學(xué)生對“保衛(wèi)細(xì)胞的形態(tài)變化”有了全新的認(rèn)識。

環(huán)節(jié)三：解釋。

經(jīng)過觀察，學(xué)生很容易否定第一次的預(yù)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(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞發(fā)生形變究竟是氣體因素，還是水分因素呢？學(xué)生回憶細(xì)胞的知識，確定應(yīng)該是水分。結(jié)合上述觀察事實(shí)，學(xué)生相互質(zhì)疑、補(bǔ)充，在教師的幫助下，對“氣孔的開閉原理”形成了科學(xué)合理的解釋：氣孔的開閉由保衛(wèi)細(xì)胞控制。保衛(wèi)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)很特殊，靠近氣孔的細(xì)胞壁比較厚，外側(cè)的細(xì)胞壁比較薄。因此，當(dāng)保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹時，較薄的外側(cè)細(xì)胞壁容易伸長，引起整個保衛(wèi)細(xì)胞向外側(cè)彎曲，于是氣孔就開放了；當(dāng)保衛(wèi)細(xì)胞失水時，整個細(xì)胞的體積縮小了，細(xì)胞壁隨著收縮，氣孔就關(guān)閉了。這樣，通過實(shí)驗(yàn)、觀察和分析，在一系列事實(shí)和證據(jù)的支撐下，學(xué)生的論證有理有據(jù)，不僅建構(gòu)了科學(xué)概念，還培養(yǎng)了科學(xué)思維的品質(zhì)。

3 教學(xué)反思

（1）以學(xué)習(xí)者為中心。傳統(tǒng)的“演示——觀察——解釋”模式是學(xué)生觀察、教師解釋，整個教學(xué)過程中教師居于主導(dǎo)地位，學(xué)生僅是淺層理解、被動接受。以“預(yù)測——觀察——解釋”為基本環(huán)節(jié)的POE教學(xué)策略，教師作為課堂教學(xué)的組織者，在于引導(dǎo)學(xué)生充分表達(dá)自己的觀點(diǎn)和想法，促進(jìn)學(xué)生自我調(diào)整、自我完善概念體系，這是學(xué)生在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的主動建構(gòu)過程。

（2）以實(shí)證為基石?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》在課程性質(zhì)的描述中，強(qiáng)調(diào)了生物學(xué)的自然科學(xué)和理科的屬性?？茖W(xué)必須實(shí)事求是，需要讓結(jié)論建立在證據(jù)基礎(chǔ)上，其本質(zhì)是實(shí)證的。重探究、重理性、重實(shí)證，理應(yīng)成為生物課堂的應(yīng)有之義。教師運(yùn)用POE教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生以事實(shí)和現(xiàn)象為證據(jù)，實(shí)事求是，通過邏輯論證闡釋自己的觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)客觀事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（3）以概念形成為旨?xì)w?？茖W(xué)探究的過程即是科學(xué)概念形成、發(fā)展的過程。POE教學(xué)策略是科學(xué)探究的一種范式，最初學(xué)生運(yùn)用頭腦中的前科學(xué)概念來預(yù)測事件的可能狀況，然后發(fā)現(xiàn)和觀察到的結(jié)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(xué)概念，并整合到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。在真實(shí)的探究情境中，隨著生物學(xué)概念的建立，更上位的生命觀念領(lǐng)悟也會融入其中，如氣孔的結(jié)構(gòu)和原理就滲透了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。