在科学探究中发展学生元认知能力的培养模式研究

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在科学探究中发展学生元认知能力的培养模式研究
摘  要：科学探究的自主性特点决定了它在发展学生元认知方面的重要作用。那么,如何在科学探究中发展学生的元认知能力?为了成功的将元认知训练与科学探究活动相结合,本文尝试性的提出了在高中物理课堂探究教学中发展学生元认知能力的培养模式,并通过案例进行了解析。
关键词：科学探究    元认知    培养模式
新一轮课程改革的核心理念是“人本思想”，而“人本”的核心是学生的自主学习与个性的张扬。所谓自主学习是相对于被动、机械和他主学习而言的，强调学生在学习目标、学习行为策略和学习成果等方面进行自我设计、自我管理、自我调节、自我监控、自我评价和自我转化的自主建构的学习过程。自主学习能激活学生的学习积极性，促进学生思维能力的发展，优化学生的思维品质，形成终生学习的能力。
而以科学探究的的方式组织物理学习，可以使学生切身领悟物理学科的奇妙莫测、广泛应用的“本色”，满足他们的好奇、好动、好思的学习心理需求，从而引发他们主动建构物理知识，主动获取物理信息，主动参与物理科学实践活动。探究是一首诗，富于激情与创造的诗；物理科学中的探究更象一首田园诗，充满生活气息（经典物理学奠定了两次工业革命的基础）；物理的探究也象一首抒情诗，充满人性的光辉（近代物理学推动了信息技术、材料技术、新能源技术、航空航天技术、生物技术的迅速发展，继而推动人类社会的变化）；物理的探究还像一首古典诗，包含哲思（从物理学之父亚里士多德到相对论的提出者爱因斯坦，不断开拓人类认知的发展）；物理的探究永远是一首豪放的长诗，永远演绎着人与自然的和谐发展，人向自然不断挑战的宏伟诗篇。探究使学生学会关注生活、关注自然、关注社会热点和焦点，是体验科学与人文交融的主渠道。
笔者从物理探究教学与元认知能力培养相结合的角度,提出一种旨在追求高效率的、有利于学生终身发展的物理教学的新思路。
1．元认知理论概述
元认知(metacognition)是美国心理学家约翰•弗拉维尔(J•H•Flavell)1976年提出来的。这一概念提出后很快成为认知心理学的热门课题,并受到教育心理学家的热切关注。在众多的元认知定义中,以元认知研究的开创者Flavell所作的定义最具代表性。1981年,他对元认知作了简练的概括:“反映或调节认知活动的任一方面的知识或认知活动”；霍夫斯兰德(Hofstadter)认为,元认知就是“跳出一个系统后去观察这个系统的认知加工”；董奇认为“元认知实质上是对认知活动的自我意识和自我调节”；张庆林把元认知解释为“是一个人对自己的认知加工过程的自我觉察、自我评价和自我调节”。虽然每个人的定义不尽相同,侧重不同,但其基本思想是一致的,都认为元认知是对认知的认知。
一般认为,元认知包括元认知知识、元认知体验和元认知监控三个方面。元认知知识是认知主体关于自己或他人的认知活动、过程、结果以及相关信息的知识。元认知体验是认知主体随着认知活动而产生的一种认知体验或情感体验。元认知监控是认知主体为使认知活动达到预定目标而对认知活动所进行的监测和调控。这三个方面虽然相互独立,实则密不可分。元认知知识是产生元认知体验的基本条件,元认知体验是形成元认知监控的前提,元认知监控是元认知的目的和核心,这三个方面相互作用,循环往复,三者动态有机的结合即构成了元认知。

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2． 在科学探究中发展学生元认知能力的培养模式的构建
董奇的实验已经证明学生的元认知能力随年龄的增长而增强,并呈“先慢后快”的发展趋势。特别是在高中阶段，高中生大多处于15-18岁之间，这一时期认知结构的各种要素迅速发展，认知能力不断完善，是元认知能力培养和提高的最好时机。科学探究作为中学物理教学重要的学习内容和学习方式，既为学生提供了运用各种学习方法、科学方法和元认知方法的机会，其任务的复杂性又能充分激发学生的元认知体验和监控意识，因此科学探究将成为元认知能力培养的重要途径。
为了探索一条能成功的将元认知训练与科学探究活动相结合的途径，我们尝试性地提出了以下培养模式。
这一模式包含4个主要环节：
（1）)自我认识、任务评价。认识探究课题是哪方面的问题，涉及哪些知识，探究活动的性质、难易程度、所需工具、手段的种类，探究课题的最终目的和对探究者和探究活动的要求等。认识自己掌握了哪些与探究活动相关的知识，已有知识是否能满足探究要求；根据自己先前表现，判断自己的认知风格，在探究能力方面有哪些优势和不足。
（2）目标设置、策略计划。制定探究计划，确定探究可能用到的方法，策略；确定探究需要进行哪些活动，收集哪些资料，活动需要采取哪些方法和步骤，小组如何分工等。
（3）策略执行、监控调节。实施计划，根据探究体验，不断评价探究过程，获得探究活动质量的信息，找出探究中出现的偏差并能适时的调整计划，选用恰当的方法。
(4)反思策略结果、过程评价。反思制定的计划是否实现，哪些方法、策略发挥了作用；总结策略有效的条件；评价自己及小组在整个探究过程中的表现；对探究中的“新、异”情况进行反思。
循环的模式,体现元认知能力的发展是一个循序渐进的过程,只有在历次的探究中反复的进行自我评价,策略计划、监控和过程反思,才能内化元认知知识,丰富元认知体验,建立起对自己的认知进行监控和调节的意识。
3．案例
下面通过案例来详尽的阐述这一元认知培养模式
高中新课程（人教版）高一物理《向心力》的探究教学
问题情景：播放杂技表演中飞车的相关录像；
演示实验：让塑料球在旋转的内圆锥漏斗内尽可能做匀速圆周运动。
提出问题：塑料球为什么可以做匀速圆周运动？
任务评价：认识探究课题是哪方面的知识；对不同圆周运动中小球进行受力分析。
认识自身知识结构
自我评价：有了力学知识和牛顿第二定律知识做基础,总体上可以把握探究过程。但为了更好的完成探究任务,还需推演出向心力的表达式,以帮助确定探究方案
任务评价：认识课题所需方法手段；实验法、演绎法、归纳法
认识自身方法掌握情况及认知特点
自我评价：如对于一些基本实验技能还不是很熟练,在小组实验中总是配合其他同学工作,照方抓药;观察细致,但不善于理性思考,交流能力较差

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自我改进计划：和小组其他成员协商,要求做实验的主力,请实验技能较好的同学从旁监督指导。反复琢磨老师示范的归纳、演绎等逻辑方法的运用过程,总结它们的适用范围和条件,在探究过程中勤问自己“为什么”。和小组其他成员建立和谐互助的关系,要敢于发表自己的看法
任务目标细化： (1) 匀速圆周运动中的向心力的探究；(2)变速圆周运动中的向心力的探究；(3)一般曲线运动的探究。
策略计划  (1)如果物体作匀速圆周运动，其中的向心力的来源如何确定；
方法计划: (2)如果物体作变速圆周运动，其中的向心力的来源如何确定；
(3)如果如果物体的运动轨迹不是直线，而是曲线，如何对一般的曲线运动进行研究。
计划评价
组间讨论(教师参加)：分组实验——细线下面悬挂一个钢球，细线上端
固定在铁架台上。将圆形瓶盖置于水平桌面上，使钢球静止
于瓶盖的圆心。用手带动钢球，让钢球获得初速度，使它沿
圆形瓶盖边缘做圆周运动。
学生甲(或教师): 钢球在做匀速圆周运动，那是什么力提供向心力？
理论分析 学生活动：动手画图，对钢球进行受力分析，并在教师引导下
理论探究：找出提供向心力的合力。绳子的拉力和钢球的重力提供向心
力。向心力的大小为  
问题讨论：1.实验的原理是什么？
2.根据实验原理，你们需要知道哪些物理量？
          3.哪些物理量是必须测量的？ 哪些物理量可以不测？
      4.需要哪些实验仪器呢？
学生讨论并回答：实验原理  
必须测量：悬点离桌面的高度h、和圆周运动的周期T；小球的质量m和圆周运动的半径r可以不测。
观察视频：一链球运动员在抛球前正加速旋转，链球在该过程做的是加速圆周运动并把视频中将要抛出前的某一镜头暂停，让学生观察与前面的匀速圆周运动有何不同）
观察得出结论：铁链斜了，不过圆心（老师画出抽象示意图，如右  图）
问题讨论：这样的合力将对链球的运动产生怎样的效果？
学生讨论并回答：（前面已经分析过，学生应该能分析出）把该合力分解，如右图：Fn 指向圆心，提供向心力，改变物体的运动方向；Fτ与物体速度方向一致，改变物体速度的大小。
探究体验：让学生把做圆锥摆的绳解下，把球置于桌面，手握住绳一端，让球在桌面上做加速圆周运动，观察加速过程中绳是否过圆心
拓展延伸：比变速圆周运动更为常见的是运动是一般曲线运动。在物理学中，我们把运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动叫做一般曲线运动。那么如何对一般曲线运动进行研究呢？
组间讨论(教师参加)：在教师引导下从极限思想的角度思考对一般
曲线运动进行分析：可以把曲线分割成很多小段圆弧。

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圆弧的弯曲程度不一样，说明它们具有不同的半径。然后分析某点的运动时，就可以按圆周运动处理了反思评价：对探究中的表现、认知和情感方面的收获进行评价。
个人评价：如:在探究中通过积极参与实验,我的实验基本操作技能有所提高,而且真正体验到了通过自己的努力获得知识的喜悦。我更加喜爱物理了,也有了学好物理的信心。但在提出假设、分析方法的合理性时,思维还是不如小组中有些同学那么活跃,至于原因,我感觉是因为我的基础知识不够扎实,在今后的学习中,我会更加重视知识的积累
组内评价：对探究中小组表现进行评价。如:在探究中,小组成员配合较好,大家思维都很积极等
组间评价：展示小组探究方案、实验记录表、所查找的相关资料,小组代表叙述小组探究过程(包括遇到的问题及问题是如何解决的)及组内评价结果。教师和学生共同参与评选最佳探究团队,最佳探究方案,最佳实验员,最佳实验记录表等。讨论还有哪些相关的需要探究的课题?

通过以上案例可以看到，科学探究为元认知能力的发展提供了一条有效的途径。在探
究中,有意识地指导学生对探究过程和方法进行计划、监控、调节和评价,在促进科学探究顺利进行的同时,学生的元认知能力也会得到训练和发展。