运用POE教学策略深度建构生物学概念——以“气孔开闭原理”为例

姚国平

（无锡市蠡园中学 江苏无锡 214072）

POE教学策略是国外学者基于“观察渗透理论”的哲学观念和建构主义理论提出的，旨在探查和转变学生的前科学概念，并促进学生形成科学概念。在初中生物学学习中，理解气孔的开闭和蒸腾作用的关系是建构“绿色植物在水循环中的作用”这一重要概念的基础。笔者尝试运用POE教学策略，以实证为基础、以逻辑思维为工具，促成学生在经历科学探究过程中深度建构气孔开闭的原理。

1 POE教学策略流程简介

预测（predict）、观察（observe）、解释（explain）是POE教学策略的基本教学环节。教学过程中，教师要求学生在一定的背景基础上，首先对实验现象或事件结果进行预测。接着，学生实践并做好观察记录，最后对自己预测和观察到的现象之间的不一致作出解释。这三个环节组成了一个教学活动单元，可以有效帮助学生调整认知结构，建构科学概念。如果一堂课中概念较多，或者较为复杂，就可以设计多个类似的教学单元。

环节一：预测。预测是POE教学策略的起始步骤，学生根据教师提供的背景材料，如一个实验、一种情境、一个事件，对可能产生的现象或结果进行预测，并且要阐明预测的依据。在这个过程中，学生的预测需要结合已有知识经验。这样在表达过程中就可以充分暴露学生的前概念，有利于教师有针对性地组织教学。这也是设计预测环节的主要目的。教师应要求学生阐明预测的依据，旨在提高预测的科学性，摒弃随意性的臆测。

环节二：观察。在该环节，学生需要参与实验、模拟、调查等实践体验类活动，观察和记录活动结果或发生的现象，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、结果会不一致或未曾预料到，可能会造成学生心理上的失衡，对当前的概念产生不满，从而为概念转变创造了条件。

环节三：解释。学生根据所观察到的事实现象作出个人解释，即自己构建证据与观点之间的联系，对前科学概念作出适当的调整。对初中学生来说，进行条理清晰的解释往往有一定的难度。这时，教师不能越俎代庖，直接给出正确的结论，而应通过设计系列问题引导学生理性分析，抽丝剥茧地层层深入事物本质。同时，教师组织学生进行小组和全班讨论，最后师生共同探讨出对矛盾现象的科学性解释，从而达到对自身认知结构调整的目的。

当然，以上仅是一般教学模型的构建，学生的认知极为复杂。上述环节不是截然分明的，在实际教学中，可能会有一个循环的过程，每一个环节也可能包含其他环节的要素，如预测中也常常包含着解释。

2 POE教学策略案例呈现

气孔是叶片表面的微观结构，学生难以感知，成为学习的难点。在“气孔开闭原理”的教学中，需要解决两个问题：① 气孔是否客观存在?②气孔是如何开闭?这样，学生才能深入理解植物的蒸腾作用及其在水循环中的作用，建立起相应的生命观念。

2.1 气孔的客观存在

环节一：预测。

教师以实验方式呈现两则背景材料：（1）源于教材的“蒸腾作用”实验；（2）演示“巧看气孔”实验，教师将两片女贞叶片放在烧杯中，加入70℃左右的热水，叶片表面产生气泡。这两个实验现象勾连起来，学生会初步认识到：植物体内水分以气体形式散失到体外，并且叶片表面有散失的通道。然后，教师提出问题：“你认为叶片上有什么样的特殊结构，可以让气体自由通过？”有学生推测：叶片表皮细胞之间不是特别致密，有间隙存在，能作为气体进出的通道。其依据在于先前学习的知识：（1）叶片表面由一层表皮细胞构成；（2）根吸收水分时要通过几层细胞才能进入导管。也有学生结合生活经验，推测叶片表面的某些区域具有类似“小孔”结构。究竟哪种预测合理呢？

环节二：观察。

教师组织学生用蚕豆叶的下表皮制成临时装片进行观察，在低倍镜下学生除了观察到排列紧密的形状不规则的表皮细胞外，还发现零星分布了“芝麻点”一样的结构。经仔细观察，学生发现这些结构其实是由两个半月形的细胞围成的。教师指出，半月形的细胞叫保卫细胞，“芝麻点”就是保卫细胞之间的空隙——气孔。这样，以实证的方式回应了学生的预测。对于第一种预测的学生来说，产生了认知矛盾；对于第二种预测的学生来说，经验中的“小孔”和实际观察到的气孔在结构上是有差别的，也会使学生产生对原有认知的不满，进而激发尚需进一步修正的动机。

环节三：解释。

根据观察结果，教师引导学生讨论哪种预测更为合理。学生普遍认为叶片表面有气孔存在比较合理，如果是细胞间隙的话，那么叶片表面气泡不应该只是零星分布，而应该是密密麻麻的。在取得一定事实的基础上，学生最终形成了科学的解释：热水中叶片表面有气泡，是因为有气体从气孔逸出，植物蒸腾作用过程中水蒸气就是通过气孔散失的。并且也拓展了相关的知识：植物光合作用产生的氧气和呼吸作用产生的二氧化碳也是从气孔进出的，气孔不仅是叶片散失水分的通道，还是植物体与外界进行其它气体交换的“门户”。

2.2 气孔的开闭原理

环节一：预测。

背景材料：教师展示圆齿野鸦椿蒸腾速率日变化图（图1）。学生发现植物的蒸腾速率在24 h内是有变化的。这一真实的情境引发了他们进一步探究的欲望。此时，教师设疑：植物蒸腾作用的强度是如何调节的呢？

图1 圆齿野鸦椿蒸腾速率日变化图

根据前面观察到的气孔结构，学生很容易作出推测：气孔大一点蒸腾作用强一点，气孔小一点蒸腾作用弱一点，即气孔的开放程度决定了蒸腾速率的强度。在教师的引导下，学生可以进一步推测，两个保卫细胞的弯曲程度决定了气孔孔径的大小。教师进一步追问：保卫细胞为什么会发生弯曲和拉直的形态变化呢？

这一变化的预测对学生有一定的难度。有学生联系到尿液的排出，推测：保卫细胞的细胞壁像肌肉一样有很强的弹性，当细胞内的水分充满或减少时就会发生相应的形态变化，气孔就会变大或者变小。

教师引导学生调整预测的角度。学生都有这样的经验，因为气球的吹嘴部位和底部的壁比周围的壁来得厚，所以吹气球时气球周围一圈容易鼓胀。由此，教师进行类比：如果有一个长条形的气球，一侧壁比较厚，一侧壁比较薄，不断吹气，形状会发生什么样的变化？如果两个这样的气球相对合在一起，慢慢鼓胀时两个气球间隙会发生什么变化？假如，这就是两个保卫细胞呢？学生由此大胆推测，保卫细胞内外侧壁厚薄不均，当保卫细胞内充满气体时，气孔会扩大，反之会缩小。

环节二：观察。

上述两种推测是否科学、合理，关键是要获取两个事实：保卫细胞细胞壁的特点；具备特殊结构的保卫细胞，在某种条件下是否会发生形状变化。

观察1：教师要求学生再次细致观察保卫的内侧壁。学生发现果然内侧壁比较厚，同时也印证了初次观察时看到的“芝麻点”，其实就是保卫细胞内侧壁比较厚不透光形成的。

观察2：保卫细胞是否会发生形状变化呢？教师进行模拟实验，拿出一根白萝卜，用水果刮皮刀刮下一片萝卜，让学生把它看作内、外壁厚度不均的“保卫细胞”。然后，要求学生把预先准备好的一片萝卜放入盛有清水的量筒内，观察萝卜片的形状变化和量筒内液面的变化。约2 min后，学生发现萝卜片向有“皮”的一则卷曲，同时发现量筒内液面下降。如果两个这样的“保卫细胞”发生这样的变化，那么就会有“气孔”扩大的现象发生。反之，“气孔”就会缩小。通过类比推理，学生对“保卫细胞的形态变化”有了全新的认识。

环节三：解释。

经过观察，学生很容易否定第一次的预测。教师提出问题植物生长过程中需要吸收水分，光合作用、呼吸作用会有气体变化，那么，导致保卫细胞发生形变究竟是气体因素，还是水分因素呢？学生回忆细胞的知识，确定应该是水分。结合上述观察事实，学生相互质疑、补充，在教师的帮助下，对“气孔的开闭原理”形成了科学合理的解释：气孔的开闭由保卫细胞控制。保卫细胞的结构很特殊，靠近气孔的细胞壁比较厚，外侧的细胞壁比较薄。因此，当保卫细胞吸水膨胀时，较薄的外侧细胞壁容易伸长，引起整个保卫细胞向外侧弯曲，于是气孔就开放了；当保卫细胞失水时，整个细胞的体积缩小了，细胞壁随着收缩，气孔就关闭了。这样，通过实验、观察和分析，在一系列事实和证据的支撑下，学生的论证有理有据，不仅建构了科学概念，还培养了科学思维的品质。

3 教学反思

（1）以学习者为中心。传统的“演示——观察——解释”模式是学生观察、教师解释，整个教学过程中教师居于主导地位，学生仅是浅层理解、被动接受。以“预测——观察——解释”为基本环节的POE教学策略，教师作为课堂教学的组织者，在于引导学生充分表达自己的观点和想法，促进学生自我调整、自我完善概念体系，这是学生在原有认知结构基础上的主动建构过程。

（2）以实证为基石。《义务教育生物学课程标准（2011年版）》在课程性质的描述中，强调了生物学的自然科学和理科的属性。科学必须实事求是，需要让结论建立在证据基础上，其本质是实证的。重探究、重理性、重实证，理应成为生物课堂的应有之义。教师运用POE教学策略，引导学生以事实和现象为证据，实事求是，通过逻辑论证阐释自己的观点，发现客观事物之间的内在联系，可以有效培养学生的实证意识，提升学生的科学素养。

（3）以概念形成为旨归。科学探究的过程即是科学概念形成、发展的过程。POE教学策略是科学探究的一种范式，最初学生运用头脑中的前科学概念来预测事件的可能状况，然后发现和观察到的结果有某种程度上的不一致，最后在师生的互动过程中逐步形成对原有问题的正确解释，即形成科学概念，并整合到认知结构中。在真实的探究情境中，随着生物学概念的建立，更上位的生命观念领悟也会融入其中，如气孔的结构和原理就渗透了结构与功能相适应的生命观念。