因此具有一定的挑战性。教师可以采取两种方式，一种是配成两人小组，相互探讨，互相补充；另一种是将学生分成4～6人“组内异质，组间同质”的小组，教师应关注学生的小组研讨是否民主、有序和有效，教师应要求每个小组的组长收集和整理组员的检验假设的依据和最后得到的结论，进行归类和统计，然后记录在自己的实验报告中，教师可以根据这个记录和在课堂上的观察对合作学习进行评价。
5、第五阶段：反思过程、总结评价。主要包括主体参与和联系生活，以培养学生的主体意识和自我总结与反思的习惯。
实验的总结和反思是探究演示实验的最后一个阶段，可以引导学生从两个方面进行反思，一是对获得结论的整个过程进行反思，检验推理是否合理，逻辑是否正确，结论是否解决了学习目标中提出的问题；二是对解决一个问题后，反思从该问题中可得出哪些经验和教训，值得以后借鉴。
在反思的阶段，让学生把自己的结论运用到实际生活中去检验，解释生活中的问题或现象，让学生获得对自己结论更深入的认识或更进一步的探讨。
四、预测-观察-解释（POE）策略
预测-观察-解释策略（predict-observe-explain，缩写为POE）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新型演示策略。这种策略是在实验演示前，学生根据自己已有的知识先对实验现象进行预测，教师演示实验时，学生观察实验，然后学生对所观察的现象进行解释。有研究表明这种演示策略对学生对实验现象的预测和解释能力的提高具有很好的效果。
预测-观察-解释（POE）策略首先是作为一种勘察学生理解科学的研究方法被提出的。为了揭示学生的前概念，1980年Champagne、Klopfer和Anderson提出了用演示-观察-解释（demonstrate-observe-explain）来勘察学生对运动学的理解。在研究中，研究者利用阿特武德机演示自由落体的各种形式，学生在观察演示现象后，解释有关的运动学问题。这就是POE的雏形。为了更有效地勘察学生的前概念，1981年Gunstone、White 把这种方法改为预测-观察-解释（POE）。他用自行车车轮作为轮轴制作阿特武德机，一边挂一木块，另一边挂一装有沙子的桶来研究学生对力、运动和重力的理解。现在POE策略仍然是测查学生对科学概念理解的有效手段。1985年Champagne等人把POE做为教学策略进行自由落体的教学。他们让学生预测以下四种情形下所发生的现象：让直径为10厘米的铅球和塑料球先后同时从2米和10米处落下、让两个体积相同，质量不同的方形物体先后同时落入装有0.25米高的水中和油中。学生预测后进行讨论，观察实验后再对预测和观察的结果进行解释。1992年White
21
和Gunstone正式提出了POE教学策略，并把这一策略分为预测、观察和解释三个阶段。随着计算机和摄像技术的普及，POE教学环境从实物演示扩展到视频素材的利用和计算机软件的操作，例如：用自由落体（在地球、航行的船上和月球上）、上抛、平抛、斜抛等这些视频材料进行教学，在预测阶段学生观看抛体的开始阶段，在学生预测后再让学生观看抛体的视频材料。
在POE策略中，预测、观察和解释的具体内容如下：在预测阶段，教师介绍实验内容，学生预测实验现象，学生在小组内讨论预测的现象，并在全班解释自己的观点。在演示阶段，教师演示实验，学生观察、记录实验现象，小组内讨论实验现象。在解释阶段，学生在全班解释实验现象、预测与实验的差别，并对学生的不同观点进行讨论，最后教师进行总结。
POE是建立在“观察渗透理论”基础之上的，不同学生由于经历上的差别，他们在观看同一现象得出的结论也会有差别。建构主义认为，学生在学习科学概念之前就已形成自己的前概念。他们学习新概念的过程是通过自主建构而实现概念转变的过程，有效的教学是向学生提供恰当的教学环境促使学生的概念发生转变。POE通过预测、观察和解释让学生自由地表达他们的前概念，造成认知冲突，学生在与环境、教师和其他学生相互作用的过程中实现概念转变。因此POE策略也是建立在建构主义理论基础之上的。
从上面分析可以看出，POE策略是建立在学生具有前概念基础之上。学生的知识获得过程是自主建构的过程，也是不断自我否定的过程；教学目的是实现学生的概念转变；教学应该创设出使学生认知发生冲突的条件，为此在教学中必须创设学生能自由表达个人观点的环境；在课堂上，信息的传递是多元的、双向的，不仅师生之间的信息重要，而且生生之间传递的信息对学生概念转变也很重要；在这种环境中，学生是课堂的中心，而教师只是教学的组织者和引导者。
POE策略的实质是通过预测暴露学生的前概念，通过实验演示使他们的认知发生冲突，通过讨论最终实现概念转变。这符合学生的认知发展规律，按照POE的要求，在教学中，教师要能准确把握学生的前概念，设计具有系统化、生态化的实验，创设民主、宽松的学习氛围和环境，展示科学概念的合理性。
1．把握学生的前概念。在预测阶段，学生各种各样的前概念暴露出来，教师应该能准确地判断出各种前概念的实质、产生的原因及其合理性和局限性。为此，教师应该全面了解和准确把握学生的前概念，为课前实验的设计和课堂上学生认知冲突、概念转变提供依据。了解和把握前概念的途径很多。近三、四十年来，人们已对前概念进行了系统的研究，了解这些研究成果可以帮助教师掌握学生的前概念。对学生的不断观察也可以帮助积累学生的前概念。另外，通过学习科学史，了解科学思想的进化历程，特别是历史上“错误”的观点也可以
22
帮助理解学生的前概念，因为人类个体的认知发展具有“返祖”现象。例如： “力是物体运动的原因”、“热质说”、“燃素说”等，也是许多学生所持的观点。
2．设计系统化、生态化的实验。为了把学生的前概念充分暴露出来，实验的设计应具有针对性。例如：在失重这一内容的教学中，针对学生对失重的前概念，取一装有水的饮料瓶，在瓶的侧壁用针扎两个孔，让学生预测当瓶从高处落下时，会有什么现象发生。又因为学生的前概念是多种多样的，所以实验的设计还应具有系统化和生态化。例如：针对学生只认为下落的物体才会失重这一前概念，可以让学生预测饮料瓶在上抛、平抛、斜下抛时发生的现象，也可以让学生预测如果这一饮料瓶跟随神州七号载人航天飞船在外太空航行时会发生什么现象。
3．创设民主、宽松的学习氛围。为了能让学生充分暴露他们的前概念，在课堂上应该营造民主、宽松的学习氛围。在这种环境中，学生能无拘无束地讨论、发言。为了营造这种环境，教师应该尊重学生的观点，聆听学生的观点，不要对学生的观点过早地评价，更不能对学生的观点进行讽刺和挖苦。与此同时，教师应该及早发现学生前概念的根源、合理的地方和局限之处，为学生认知发生冲突创造条件。
4．展示科学概念的合理性。实现前概念向科学概念转变是教学的最终目的，为了让学生的认知向科学概念转变，除了让学生的认知发生冲突外，教师还要让学生意识到科学概念比学生原有的概念更具合理性，能解释更多的现象，能更准确地预测新现象。Posner认为学生概念转变应具有以下条件：第一、学习者必须对现有概念感到不满意。新的现象不能被原图式同化，原来的平衡被打破。第二、新概念必须是可以理解的。学习者对新概念形成统一、自洽的内部表征。第三、新概念必须是合理的。学习者的其它知识或信念与新概念一致。第四、新的概念必须是有效的。它不仅能解决现有的问题，而且也可以用来解释和预测新的现象。如果满足上面四个条件，学生就会发生概念转变。
实验演示中“预测”效果研究
在参考国际科学教育研究成果的基础上，我们把预测-观察-解释（prediction-observation- explanation，简称为POE）用在演示实验教学中。在该策略中，预测是第一个环节，并且是传统演示实验演示策略中所没有的。研究表明，学生在学习物理之前就已对身边的自然现象形成了自己的认识，通过预测，学生的前概念能充分暴露出来，为认知冲突和概念转变做铺垫，因此预测能增强学生对实验的理解；同时，学生在预测后，对实验的观察就成为对自己预测的检验过程，因此预测还能使学生的观察目标明确，能增强观察的准确性。那么预测在演示实验教学中的实际教学效果如何呢？我们对预测对观察准确性的提高和对实验理解的增
23
强两方面进行了实证研究。
在借鉴Catherine H. Crouch等人2004年研究的基础上，本研究选取两个同质的班级，在控制班进行传统的演示实验教学，实验班在实验前先让学生预测，然后进行教学。通过比较这两个班级对演示实验内容的后测，确定预测在演示实验中的教学效果。在研究中，选取碰撞球（或称为牛顿摆，如图5所示）为教学内容，进行演示实验教学。
图5 碰撞球示意图
选取某师范学院物理学专业07级两个班级的师范生为研究对象，其中一个班为实验班，另一个为控制班。这两个班的学生情况相同，可以看作是同质的，他们已学完普通物理和理论物理课程，但没有见过碰撞球。
在控制班，教师先介绍仪器，接着演示碰撞球，学生观察，教师描述实验现象，利用弹性体模型解释现象。演示内容包括一个球碰四个球；两个球碰三个球；三个球碰两个球；四个球碰一个球；从两边各拿一个球，高度相同；从两边各拿一个球，高度不同六种情况。实验结束后，进行后测，对实验教学效果进行评价，后测内容如下：
1．拿起一个球，松手后一个球碰四个球，碰后的现象是什么？为什么？ 2．拿起两个球，松手后两个球碰三个球，碰后的现象是什么？为什么？ 3．拿起三个球，松手后三个球碰两个球，碰后的现象是什么？为什么？ 4．拿起四个球，松手后四个球碰一个球，碰后的现象是什么？为什么？ 5．从两边分别拿一个球，从相同的高度放下，碰撞后的现象是什么？为什么？ 6．从两边分别拿一个球，从不同的高度放下，碰撞后的现象是什么？为什么？ 7．若球1的质量大于其余球的质量，用球1碰其余的球，发生的现象是什么？为什么？ 8．若球1的质量小于其余球的质量，用球1碰其余的球，发生的现象是什么？为什么？ 在后测问卷中，1-6为实验观察准确性的测试，7、8是在教学中没有出现的内容，这两个题目能测试对实验的理解。
24
在实验班，教师先介绍仪器，并说明演示的内容，让学生预测在演示时出现的现象，解释其原因，并记录下来，预测问卷的内容与后测问卷的前六项相同。学生完成预测后，教师演示实验，学生观察，教师讲解，讲解内容与控制班一样。实验结束后，进行后测，对实验教学效果进行评价，后测内容与控制班后测的内容是一样的。 1．观察的准确性
控制班44人，回收后测问卷44份；实验班40人，回收预测问卷、后测问卷40份。对问卷进行分析、统计。实验班预测的正确率，实验班、控制班后测前六题的正确率见表1。正确率为回答正确的人数占总人数的百分比。
表3 控制班后测正确率、实验班预测和后测正确率统计表
组别 项目 一碰四 两碰三 三碰两 四碰一 两边分别一个球，高度相同 两边分别一个球，高度不同 控制组 实验组 控制班后测的正确实验班预测的正确率实验班后测的正确率率（%） （%） （%） 100 80 100 95.5 52.5 100 77.3 32.5 97.5 63.6 32.5 100 90.9 63.6 35 20 100 100 从表3可以看出，在预测、控制组的后测、实验组的后测中，实验组后测的正确率极高，除第三题为97.5%外，其余都是100%正确；控制组后测的正确率次之；预测的正确率最低。这一结论可以说明，观察实验在学生对实验现象的描述中所起的作用很大，预测可以提高实验观察的准确性。通过观看教师的演示，学生基本上可以描述出实验的现象，控制班后测的正确率明显大于实验班预测的正确率（由于实验班和控制班是同质的，实验班预测的结果应该与控制班的预测结果是一样的）；但是学生的观察仍具有随意性，因此学生在观察实验后并不象我们预测的那样都能准确描述出所观察的现象。预测可以增加观察的指向性，经过预测以后，学生的观察是有目的的，他们都期待证明他们所预测的结果。因此，预测后，学生描述的结果几乎都是正确的。
第五 实验研究及其教学实施
无论采取什么样的教学策略和教学方法，关键还是要落实到教学中，取得良好的教学效果。
一、实验研究的基本方法
25