基于POE策略的物理习题可视化教学探究

王胜利 王亚辉

POE（predict-observe-explain，意为预测、观察、解释）策略是基于学生行为建立的实验演示策略。在这种策略的指引下，教师以学生为主体开展演示活动。可视化教学目的在于在对不可视的思维或现象进行可视化处理[1]。高中生分析习题中物体各阶段的运动状态时存在困难。教师采用POE策略开展可视化教学，有助于转变学生前概念。笔者从行为视角，以2022年全国甲卷第5题的讲授为例，分析POE策略背后的教师行为，设计物理演示活动的教学流程，采用POE策略并拓展应用范围，开展物理习题可视化教学，提高了习题教学效果。

一、关于POE策略的理论探究

POE策略是由冈斯通（Gunstone）和怀特（White）于1992年提出的。POE策略源于DOE（demonstrate-observe-explain，意为演示、观察、解释）策略，从字母组成上看二者区别在于观察与解释之前学生是猜想还是直接观察。在DOE策略教学中，演示与观察与其说是两个阶段，不如说是一个阶段的两种行为——教师的演示行为与学生的观察行为。教师演示时学生自然是在观察的，其实POE策略是在DOE策略基础上增加了学生的猜想行为。

实验演示行为之前加上学生猜想后，教学观、学生观、科学发展观都发生了极大的变化[2]。首先，猜想是学生在教师语言引导下的一种猜想，而非天马行空式的想象，是学生根据自身原有经验进行的一种预测，它反映了学生自身的知识水平与思维状况。猜想的结果可能是对的也有可能是错的，不同学生的猜想也未必相同。其次，观察是学生的行为，与此同时教师在进行实验演示，因为中学生大多有强烈的好奇心，想要验证猜想是否正确。在猜想基础上进行观察，学生会异常认真，观察也更加仔细。最后，解释很关键，学生观察演示实验后，围绕预测现象与真实实验现象讨论，分析原因，解释现象，让教师进行评判。

笔者从行为视角观察，发现POE策略更加注重学生的学，预测、观察、解释都是学生的学习行为，但并不是说教师完全没有作为，学生的三种行为对应着教师的引导（guide）、演示（demonstration）、归纳（conclude），只是教学活动的主体是学生。教师从学生的前概念的猜测出发，重视学生的主观能动性，在整个教学过程中充当引导者、演示者，以学生的学为中心开展教学活动，让学生自主建构知识，积极交流，整体的教学氛围是宽松民主的。DOE策略的不足在于只让学生被动接受知识，没有考虑学生自身原有的思维意识[3]。

在教学实践中，拉恩（Ranne）和科拉里（Kolari）将POE策略扩展为PDEODE策略，即在POE基础上增加两个讨论（discuss）和一个解释（explain），并将其放在预测后和最终解释前——让学生猜想后先行分组讨论并解释为什么这样猜想，解释前再次分组讨论。相较于POE基本模型，PDEODE策略更加具体，也更加烦琐，分组解释猜想使得学生的猜想与真实的教师演示间隔更长，学生的兴趣能否维持那么长时间有待考究。整体来说，PDEODE策略只是POE策略的拓展，它是对POE策略隐含学生行为的再次挖掘，并未突破POE策略的框架。

可见，POE策略的核心在于充分暴露学生的前概念，以实验演示激发学习兴趣，引起认知冲突或者进行知识同化，最后进行解释归纳。教师可以将POE策略从演示实验中抽脱出来，用验证（right  & verify）替换观察（observe），将POE策略变为PRE策略，则应用场景就不限于实验。教师可以针对任何问题，让学生经历从猜想到验证猜想再到解释猜想的过程，这符合教育教学的一般规律。

二、POE策略在物理习题可视化教学中的应用

（一）物理可视化教学

可视来源于英文单词visual，意为视觉的、形象的。可视化指将抽象的事物形象化处理，最早用于计算机科学计算——将大量的数据以图像、图形的形式展示。可视化是一种教学手段，即教师借助计算机信息技术或图式结构，以促进教学为目的，对抽象的知识或逻辑进行形象化、具体化处理，采用可视化的方式降低抽象思维难度，帮助学生建构物理知识。

物理知识比较抽象。学生学习物理需要有较强的抽象思维能力和逻辑思维能力，然而大多数人并不能直接理解抽象的物理知识。教师要为学生提供支架，在学习前期通过可视化教学手段创设物理情境，辅助学生理解抽象的物理知识，待学生达到要求后再撤去支架。对于物理知识而言，可视化对象既可以是难以展现的物理现象或是难以实现的物理实验，也可以是习题模型的动态模拟。这些可视化手段的运用都可以促进教师的教与学生的学，提高教学效率。教师对于不同类型的物理知识应采用不同的物理可视化教学手段。物理可视化教学分为两类：一类是依托图式结构静态的思维可视化；另一类是依托实验动态的知识可视化。有实验演示的地方就可用到POE策略，有思维流程的地方便可用到图式结构，可以说这两大类的可视化均在POE策略中有所体现。

习题教学在物理课上很常见，旨在测评学生对物理知识的理解与运用能力，以及分析问题的逻辑思维能力。但习题教学难以应对复杂的物体运动问题，如板块运动和带电粒子运动问题。学生的抽象思维能力不强，很难正确分析物体的真实运动情况，仅凭教师拿教辅资料教学很难取得理想的效果。这时，如果运用模拟仿真手段演示物体的运动，既可以吸引学生的注意力，又可以降低学生抽象思维难度，优化物理习题教学。

（二）基于POE策略构建物理可视化教学流程

可视化教学是一种理念，也是一种方法，教师在教学中该如何运用呢。笔者在POE策略的基础上补充了教师的行为，设计了物理可视化教学流程（如图1）。首先，教师创设情境，引导学生根据已有经验大胆猜想实验结果。然后，教师进行实验演示，让学生观察。实验演示完毕，学生进行讨论，尝试解释为什么会有这样的结果，无论结果与猜想相同与否都寻求科学解释。最后，教师进行归纳、总结，以图式结构展现分析问题的思维过程，达到转变学生概念的目的。

三、案例与分析

随着教学环境不断改进，物理可视化教学的手段也在不断拓展，POE策略从演示实验向信息技术方面拓展。

（一）教学案例

对于2022年高考全国甲卷第5题（如图2），笔者运用POE策略进行讲授。

环节一：教师引导。

教师：从题干中提炼信息，粒子带正电还是负电，有无初速度，电场的方向是往哪的，磁场的方向是往哪的？

学生：粒子带正电，初速度为0，电场方向沿y轴向上，磁场方向垂直纸面向里。

教师：假如粒子仅受电场作用做什么运动，或仅在磁场中做什么运动？

学生：分别做直线运动和圆周运动。

教师：这个粒子在复合场中做什么运动呢？

环节二：学生猜想。

学生猜想1：粒子带正电荷，在沿y轴的电场中获得向上的加速度，在磁场中受洛伦兹力作用做向右的圆周运动，所以轨迹应该是A或C。

学生猜想2：粒子静止时不受洛伦兹力，受电场力作用，产生初速度方向向上，根据左手定则，四指指向运动方向，磁场方向穿过手心，运动轨迹向左运动画圈，穿过x轴后可能不会停止，会继续向下运动一部分，所以选D。

学生猜想3：粒子受电场力产生向上加速度，受洛伦兹力作用向左画圈，当速度方向与加速度方向夹角小于90°时加速，大于90°时做减速运动。洛伦兹力只改变运动的速度方向，并不改变速度的大小，所以初速度为0的运动轨迹应该是选项B，并不会向x轴下方运动。

环节三：教师演示与学生观察。

带电粒子在复合场中的运动难以在真实环境下演示，需要借助信息技术手段进行模拟。教师使用Python软件，建立复合场模型，初始演示时只展示粒子动态的运动过程，而后再加上速度—时间图像进行演示，从不同角度改变粒子的电场方向、磁场方向、粒子带正负电和粒子有无初速度等方面进行模拟，让学生认真观察各种情况下粒子的运动轨迹。

模拟演示（如图3）：E向上，B向里，正电荷由静止释放。

模拟演示（如图4）：E向上，B向里，正电荷有向上初速度释放。

环节四：学生解释。

学生通过讨论交流，观察现象，修正左手定则的使用方法。学生通过观察发现，静止发射的粒子速度沿最高点对称，再次回到x轴时也静止，回想起电场力是保守力，只与始末位置有关，在x轴等势面上不做功，所以轨迹为B选项所示图像。当有初始时有向上的初速度，那么回到x轴时也有同样的初速度，只是方向与之前相反，会继续减速向下运动，x轴方向上的速度减小到0时，受电场力作用获得向上的加速度开始往复运动。

环节五：教师总结。

教师总结复合场中带电粒子运动问题的解题思路，首先明确每个场强的性质、方向、强弱与大小，其次根据场强对带电粒子进行受力分析，确定带电粒子的运动性质，根据带电粒子在电场中和磁场中的运动规律，分析粒子的运动过程[4]。在该题中，电场力对粒子做功，洛伦兹力方向与速度方向始终垂直对粒子不做功，电场力是保守力，做功只与运动始末位置有关，与路径无关，初速度为0，在零势能面与最高点之间做往复运动，并不会向下穿过x轴。

（二）案例分析

抽象的复合场中的运动是高中物理教学中的难点知识，学生理解起来比较困难。微观的粒子运动在真实世界中难以观察，教师需要借助物理可视化手段辅助教学。在案例中，教师通过提问先行引导学生提炼题干信息，再通过猜想、解释，暴露学生对复合场运动的前概念，发现学生在分析问题和应用物理规律的过程中存在的片面性。教师模拟演示题干中的情况，以及改变磁场方向、电场方向、粒子电性和初速度等的情境，直观展示各种变化条件下的粒子运动轨迹。学生从现象出发，观察正确的运动轨迹，反思受力分析中存在的问题，进而分析、解释粒子在复合场中为何形成这样的轨迹。最后，教师进行归纳、总结，从单一问题出发向此模型的问题进行提升，以流程图的可视化形式展示此类型问题的解题思路。

复合场是电场、磁场和重力场的组合，案例涉及的高考题只定性分析粒子运动轨迹，并不进行具体的相关物理量计算，更注重对学生科学思维及物质运动观念的测评。学生仅靠“刷题”掌握不了这些知识。教师借助Python编程软件进行模拟演示可以激发学生的学习兴趣，用几行简单的代码就展示了现实中难以演示的物理现象，从抽象走向现实，给学生内心深处也播下了运用信息技术解决实际问题的种子。

相较于传统的演示活动，基于POE策略的物理习题可视化教学活动更注重学生本位：教学中心从教师转向学生，学生通过猜想自行对比演示现象，讨论探究原因，避免了传统课堂上的填鸭式讲授。由于POE涉及环节更多，其在实践中的教学效率，短期来看可能不如传统讲授法，但从长期来看对学生思维能力的提升非常有利，这种暂时的“慢”可以换来长久的“快”。

笔者将POE策略与物理习题可视化教学相融合，采用POE策略，注重学生本位，设计教学流程，重视学生思维的参与，暴露学生前概念，通过形成认知冲突与知识同化进行促学。教师从行为视角对POE策略进行分析，拓展预测、观察、解释背后隐藏的教师行为，进行引导、演示、总结，基于师生间6种行为划分5个环节可以高效开展教学活动。笔者以带电粒子在复合场中的运动为例，将不够直观的物理现象可视化，用仿真模拟与流程图两种可视化手段实现知识的可视化与思维的可视化，基于习题课拓展了POE策略的应用范围。总之，可视化教学与POE策略两种重视学生思维发展的方法强强结合，有利于学生提高科学思维能力，进而全面提升物理学科核心素养。

注：本文系陕西理工大学研究生教育教学改革项目（编号：SLGYJG2014）的研究成果。

参考文献

[1] 赵国庆，黄荣怀，陆志坚.知识可视化的理论与方法[J].开放教育研究，2005（1）：23-27.

[2] 顾江鸿，史小梅，李春密.预测—观察—解释——一种基于现代教育研究的演示策略[J].教育科学研究，2009（5）：54-57.

[3] 林雪梅，张军朋.“POE”教学策略及其在物理教学中的应用[J].物理教学探讨，2011（4）：74-76.

[4] 李尧阶.带电粒子在复合场中的运动——兼谈运动的合成与分解的基本原理及其应用[J].物理教师，2000（9）：14-16.

（作者王胜利系陕西理工大学研究生；王亚辉系陕西理工大学副教授）

责任编辑：祝元志