POE策略下数字化实验案例开发

小学科学是一门以实验为基础的学科，数字化实验的出现给小学科学实验注入了一股新的力量。POE策略是在观察渗透理论、哲学观念和建构主义、前概念、概念转变等教育理论基础上提出的一种教学策略。教师可以基于POE策略，结合数字化实验系统开发适用于小学科学课后服务的实验案例。

一、POE策略

POE策略是指“预测—观察—解释”（Predict-Observe-Explain）。预测：要求学生了解即将面对的问题情境，并针对现象或事实提出预测及理由，借此了解他们的前概念。观察：进行实验观察活动，学生即时记录所观察的现象和结果，不同学生观察到的结果不同，即时记录可确保学生不会因别人不一样的答案而改变自己的想法。解释：当预测与观察到的结果不一致时，学生要试着去协调观察结果与预测结果之间的差异，教师应鼓励他们思考各种可能性并用文字或者图画说明。

1.主要特点

对前概念的关注。前概念是指在接受新知识之前，已经具备的一些与学习内容相关的知识、经验和观念。这些前概念可能正确，也可能存在偏差或错误，它们会影响学生对新知识的理解和接受程度。POE策略促使教师通过预测环节来了解学生原有的认知结构，并根据学情有针对性地设计实验教学。而在观察环节中，实验结果与预测可能会有一定的差异，造成学生的认知失衡，从而激发他们探究的兴趣。

对学生观的重视。在POE策略中，预测和观察的理论基础来源于对学生的累积经验的认可，也就是建构主义中所指出的学生观。建构主义认为，学生并不是空着脑袋接受知识的个体，而是以已有经验作为建构基础的学习主体。POE策略认为，教师在为引发学生认知冲突创设情境的过程中起到了主导作用，目的是使学生以意义建构为手段之一，将科学概念逐渐地纳入自身的认知结构中。

2.实施过程

POE策略的实施流程如图1，其中预测、观察、解释是可以外显的，而概念转变、概念冲突、新概念的形成与强化等是内隐的，所以在实际的教学过程中，主要看预测、观察、解释这三个环节。

3.注意事项

预测环节中，学生根据教师提出的问题或者创设的情境，对可能产生的现象或结果进行预测。预测不是随意地猜测，预测时要阐明依据，旨在提高预测的科学性，摒弃随意性的猜测。

观察环节中，学生观察并记录发生的现象或实验结果，以获取一定的客观事实。由于观察到的现象、结果和预测的现象、结果可能会有不一致或未曾预料到的地方，会造成学生对当前的概念产生排斥或冲突，这就为概念转变创造了条件。因此，教师应注意给学生足够的观察时间，提醒他们仔细观察，从而为概念转变奠定基础。

解释环节中，学生根据观察到的实验现象做出自己的解释，对前概念做出适当的调整与更新，即建立证据与观点之间的联结。进行条理清晰的解释往往会有一定的难度，这时，教师不能越俎代庖，直接给出正确的实验结论，而应通过设计系列的问题逐步引导学生理性分析，抽丝剥茧地层层深入，渐渐探索事物本质。对小学生来说，有些结果不必做出明确的解释。

二、数字化实验

数字化实验系统，由传感器、数据采集器、计算机及相关软件等组成，能采集和处理各种数据并以图、表、数字等显示的实验技术系统（如图2）。

传感器：将“感触”到的待测物的相关信息转换成数据采集器能够识别和分析的电信号，并传送到数据采集器中。

数据采集器：接受从传感器传过来的电信号，收集、存储数据，是整个系统的“神经中枢”。

计算机及相关软件：显示数据采集器收集的数据并通过相关软件处理和分析相关数据。

数字化实验的特点可概括为以下几点：可视性、实时性、准确性以及直观性。可视性是指可将实验过程中变化的温度、气压、pH等变量以数字形式通过计算机表现出来；实时性是指数据变化的显示与实验过程同时进行，实时显示；准确性体现在既可以由电脑自动采集实验数据，时间间隔从1/20800 s到1000 s，又可以人工控制采集，实验数据可以准确到0.5%，完全符合小学对实验数据准确度要求；直观性表现为传感器技术可以图像、刻度计、表格等多种形式动态实时地显示实验的变化过程，还可以在查看任一时间或某个过程的实验数据。

三、案例：澄清石灰水为什么不变浑浊？

《人的呼吸》一课探究了二氧化碳的性质，主要是其能使澄清石灰水变浑浊。常用的实验方法是：把澄清的石灰水倒进装有二氧化碳的瓶子里，摇晃几下，观察石灰水有什么变化。由于人呼出的气体中含较多二氧化碳，为简便起见，常常直接向澄清的石灰水中吹气，跟教材配套的教学光盘中的视频里也是这么操作的。但在实际教学中发现：一开始往澄清的石灰水中吹气，石灰水跟预计的一样，变浑浊了；但是，继续往石灰水中吹气后，石灰水又变清了。学生很难理解这是为什么。由此，我们基于POE策略改进了实验教学。

1.预测

学生的有关预测包括以下几点：可能是吹入的二氧化碳太多了，可能是澄清石灰水的问题，可能是空气中的其他气体使得变混浊的澄清石灰水又变清了。

2.观察

通过溶液电导率的变化来反应溶液的变化，具体实验步骤如下：①将数据采集器、电导率传感器、计算机三者连接起来，选择合适量程；②在软件、“实验”中选择“数据采集”，选择采集模式、取样速度、限定时间；③取约3 mL饱和澄清石灰水加入大试管中，用蒸馏水按1∶2（体积比）将饱和澄清石灰水稀释，插入电导率传感器和吸管，点击“开始”，缓慢吹气，直到数据几乎不变为止；④观察变化曲线，先下降再上升，观察澄清石灰水，先变浑浊再变澄清，结合两次的观察发现，澄清石灰水最浑浊的时候正是曲线的最低点，也就是电导率最低的时候。学生观察到：这条曲线先下降，再缓慢地上升了一点点（如图3）。

3.解释

在向澄清石灰水中吹入二氧化碳时，溶液的导电能力开始逐渐下降，当达到最低点时，溶液是最浑浊的，然后继续往溶液里吹入二氧化碳，溶液的导电能力又逐渐变强，溶液又变得越来越清。原理是澄清石灰水（氢氧化钙）会与二氧化碳进行反应，生成碳酸钙，碳酸钙是一种难溶物，导致溶液的导电率变低，继续吹入二氧化碳后，会与碳酸钙继续反应，生成碳酸氢钙，碳酸氢钙溶解于水，所以溶液的导电率又上升。

对于小学生而言，他们不需要知道背后复杂的化学变化，只需借助数字化实验，发现澄清石灰水最浑浊的时候正是曲线的最低点，也就是电导率最低的时候，从而知道继续往澄清石灰水中吹气，澄清石灰水会变清澈。所以，在做往澄清石灰水中吹入二氧化碳实验的时候，不能吹入过多的二氧化碳。

4.案例反思

往澄清石灰水中继续吹气后，变浑浊的澄清石灰水又变清了。此时，可以采用数字化实验，以数字、图表的形式展现在学生面前，并加以适当的解释，做到实验教学的深入浅出。这里用到了电导率传感器，其实还有很多其他的传感器，可以应用到其他内容（见表1）。

四、总结与反思

1.以素养提升为导向，培育科学素养

数字化实验的可视性、实时性、准确性、直观性可以帮助学生用实验的手段更方便地去验证自己的预测。对小学生而言，他们无须对繁杂的数据进行处理，也无需了解数据是如何产生的，他们只需要分析数据、发现规律，从而自我调整及完善概念体系，在原有的认知结构基础上主动建构，使学习成为既动手又动脑的过程。

2.以具体实证为基石，建构科学概念

科学需要让结论建立在证据的基础上，其本质是实证的，重实证、重探究理应成为科学课程的应有之义。利用数字化实验，将动态的实验过程、清晰的图表、具体的数值等直观地呈现给学生，引导他们以事实和现象为证据，实事求是，通过逻辑论证来阐明自己的观点，发现客观事物之间的内在联系。

3.以思维形成为宗旨，提升思维能力

POE策略是科学探究的一种范式，注重依据思维的深化过程设计活动方案，突出学习进阶的理念，促进学生在研究中深入学习，由学以致知、学以致用向学以致创的方向递进发展。学生在整个认知建构的过程中，分析、综合、比较、分类、抽象、概念、归纳、演绎等思维能力不断得到提升。

[课题：南京市教育科学“十三五”规划课题“POE教学策略提高小学中年段学生科学探究能力的实践研究”，编号：L/2018/381]

（作者单位：江苏省南京市金陵汇文学校）

参考文献

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[5]Reiser R. A，Dick W. Instructional Planning：A Guide for Teachers（2nd ed）.Boston：Allyn and Bacon，1996.