在物理探究式教學中培養學生元認知能力

杜鵬花

(白銀市平川中學 甘肅 白銀 730913)

1 元認知理論概述

元認知(metacognition)是美國心理學家約翰·弗拉維爾(J·H·Flavell)1976年提出來的．這一概念提出后很快成為認知心理學的熱門課題,并受到教育心理學家的熱切關注．在眾多的元認知定義中,以元認知研究的開創者Flavell所作的定義最具代表性．1981年,他對元認知作了簡練的概括:“反映或調節認知活動的任一方面的知識或認知活動”；霍夫斯蘭德(Hofstadter)認為,元認知就是“跳出一個系統后去觀察這個系統的認知加工”；董奇認為“元認知實質上是對認知活動的自我意識和自我調節”；張慶林把元認知解釋為“是一個人對自己的認知加工過程的自我覺察、自我評價和自我調節”．雖然每個人的定義不盡相同,側重不同,但其基本思想是一致的,都認為元認知是對認知的認知．

一般認為,元認知包括元認知知識、元認知體驗和元認知監控三個方面．元認知知識是認知主體關于自己或他人的認知活動、過程、結果以及相關信息的知識．元認知體驗是認知主體隨著認知活動而產生的一種認知體驗或情感體驗．元認知監控是認知主體為使認知活動達到預定目標而對認知活動所進行的監測和調控．這三個方面雖然相互獨立,實則密不可分．元認知知識是產生元認知體驗的基本條件,元認知體驗是形成元認知監控的前提,元認知監控是元認知的目的和核心,這三個方面相互作用,循環往復,三者動態有機的結合即構成了元認知．

2 在探究式教學中培養學生元認知能力模式的構建

諸多教育實踐與研究揭示，學生的元認知能力隨年齡的增長而增強,并呈“先慢后快”的發展趨勢．特別是在高中階段，高中生大多處于15～18歲之間，這一時期認知結構的各種要素迅速發展，認知能力不斷完善，是元認知能力培養和提高的最好時機．探究作為中學物理教學重要的學習內容和學習方式，既為學生提供了運用各種學習方法、科學方法和元認知方法的機會，其任務的復雜性又能充分激發學生的元認知體驗和監控意識，因此探究式教學將成為元認知能力培養的重要途徑．

在多年的教學實踐中，一直在探索一條能成功地將科學探究活動與元認知能力培養相結合的途徑，并初步嘗試性地總結出了以下培養模式(見圖1).

圖1 元認知能力培養模式

這一模式包含4個主要環節：

(1))自我認識、任務評價．認識探究課題是哪方面的問題，涉及哪些知識，探究活動的性質、難易程度、所需工具、手段的種類，探究課題的最終目的和對探究者和探究活動的要求等．認識自己掌握了哪些與探究活動相關的知識，已有知識是否能滿足探究要求；根據自己先前表現，判斷自己的認知風格，在探究能力方面有哪些優勢和不足．

(2)目標設置、策略計劃．制定探究計劃，確定探究可能用到的方法、策略；確定探究需要進行哪些活動，收集哪些資料，活動需要采取哪些方法和步驟，小組如何分工等．

(3)策略執行、監控調節．實施計劃，根據探究體驗，不斷評價探究過程，獲得探究活動質量的信息，找出探究中出現的偏差并能適時的調整計劃，選用恰當的方法．

(4)反思策略結果、過程評價．反思制定的計劃是否實現，哪些方法、策略發揮了作用；總結策略有效的條件；評價自己及小組在整個探究過程中的表現；對探究中的“新、異”情況進行反思．

循環的模式,體現元認知能力的發展是一個循序漸進的過程,只有在歷次的探究中反復地進行自我評價,策略計劃、監控和過程反思,才能內化元認知知識,豐富元認知體驗,建立起對自己的認知進行監控和調節的意識．

3 案例

下面通過案例來初步闡述這一元認知培養模式.

高中新課程(人教版)高一物理“向心力”的探究式教學.

3.1 自我認識 任務評價

圖2

(1)問題情景：播放雜技表演中飛車的相關錄像

演示實驗：讓塑料球在旋轉的內圓錐漏斗內盡可能做勻速圓周運動(圖2)．

提出問題：塑料球為什么可以做勻速圓周運動？

任務評價：認識探究課題是哪方面的知識；對不同圓周運動中小球進行受力分析．

(2)認識自身知識結構

自我評價：有了力學知識和牛頓第二定律知識做基礎,總體上可以把握探究過程．但為了更好地完成探究任務,還需推演出向心力的表達式,以幫助確定探究方案.

任務評價：認識課題所需方法手段；實驗法、演繹法、歸納法.

(3)認識自身方法掌握情況及認知特點

自我評價：如對于一些基本實驗技能還不是很熟練,在小組實驗中總是配合其他同學工作,照方抓藥;觀察細致,但不善于理性思考,交流能力較差.

自我改進計劃：和小組其他成員協商,要求做實驗的主力,請實驗技能較好的同學從旁監督指導．反復琢磨老師示范的歸納、演繹等邏輯方法的運用過程,總結它們的適用范圍和條件,在探究過程中勤問自己“為什么”．和小組其他成員建立和諧互助的關系,要敢于發表自己的看法.

3.2 目標設置策略計劃

任務目標細化：

(1) 勻速圓周運動中的向心力的探究；

(2)變速圓周運動中的向心力的探究；

(3)一般曲線運動的探究．

1)策略計劃：如果物體做勻速圓周運動，其中的向心力的來源如何確定；

2)方法計劃:如果物體做變速圓周運動，其中的向心力的來源如何確定；

3)如果物體的運動軌跡不是直線，而是曲線，如何對一般的曲線運動進行研究．

3.3 策略執行 策略監控調整

組間討論(教師參加)：分組實驗——細線下面懸掛一個鋼球，細線上端固定在鐵架臺上．將圓形瓶蓋置于水平桌面上，使鋼球靜止于瓶蓋的圓心．用手帶動鋼球，讓鋼球獲得初速度，使它沿圓形瓶蓋邊緣做圓周運動(圖3)．

圖3

圖4

學生甲(或教師):鋼球在做勻速圓周運動，那是什么力提供向心力？

理論分析學生活動：動手畫圖(圖4)，對鋼球進行受力分析，并在教師引導下理論探究，找出提供向心力的合力．繩子的拉力和鋼球的重力提供向心力．向心力F的大小為mgtanθ.

問題討論：

(1)實驗的原理是什么？

(2)根據實驗原理，你們需要知道哪些物理量？

(3)哪些物理量是必須測量的？ 哪些物理量可以不測？

(4)需要哪些實驗儀器呢？

學生討論并回答：實驗原理

必須測量：懸點離桌面的高度h和圓周運動的周期T；小球的質量m和圓周運動的半徑r可以不測．

觀察視頻：一鏈球運動員在拋球前正加速旋轉，鏈球在該過程做的是加速圓周運動并把視頻中將要拋出前的某一鏡頭暫停，讓學生觀察與前面的勻速圓周運動有何不同.

觀察得出結論：鐵鏈斜了，不過圓心.(教師畫出抽象示意圖，如圖5)

圖5

問題討論：這樣的合力將對鏈球的運動產生怎樣的效果？

學生討論并回答：(前面已經分析過，學生應該能分析出)把該合力分解，如圖5.Fn指向圓心，提供向心力，改變物體的運動方向；Fτ與物體速度方向一致，改變物體速度的大小．

探究體驗：讓學生把做圓錐擺的繩解下，把球置于桌面，手握住繩一端，讓球在桌面上做加速圓周運動，觀察加速過程中繩是否過圓心.

圖6

拓展延伸：比變速圓周運動更為常見的運動是一般曲線運動．在物理學中，我們把運動軌跡既不是直線也不是圓周的曲線運動叫做一般曲線運動．那么如何對一般曲線運動進行研究呢(如圖6)？

組間討論(教師參加)：在教師引導下從極限思想的角度思考對一般曲線運動進行分析：可以把曲線分割成很多小段圓弧．圓弧的彎曲程度不一樣，說明它們具有不同的半徑．然后分析某點的運動時，就可以按圓周運動處理了.

3.4 反思策略結果過程評價

反思評價：對探究中的表現、認知和情感方面的收獲進行評價．

個人評價(以某學生為例)：如，在探究中通過積極參與實驗,我的實驗基本操作技能有所提高,而且真正體驗到了通過自己的努力獲得知識的喜悅；我更加喜愛物理了,也有了學好物理的信心．但在提出假設、分析方法的合理性時,思維還是不如小組中有些同學那么活躍,至于原因,我感覺是因為我的基礎知識不夠扎實,在今后的學習中,我會更加重視知識的積累.

組內評價：對探究中小組表現進行評價．如，在探究中,小組成員配合較好,大家思維都很積極等.

組間評價：展示小組探究方案、實驗記錄表、所查找的相關資料,小組代表敘述小組探究過程(包括遇到的問題及問題是如何解決的)及組內評價結果．教師和學生共同參與評選最佳探究團隊、最佳探究方案、最佳實驗員、最佳實驗記錄表等．討論還有哪些相關的需要探究的課題.

通過以上案例可以看到，探究式教學為元認知能力的培養提供了一條有效的途徑．在探究式教學中,有意識地指導學生對探究過程和方法進行計劃、監控、調節和評價,在促進教學探究順利進行的同時,學生的元認知能力也會得到訓練和提高．

參考文獻

1 董奇.論元認知.北京師范大學學報(社科版),1989(1):68

2 張慶林.當代認知心理學在教學中的應用.重慶:西南師范大學出版社,1995.249

3 董奇.10～16歲兒童自我監控學習能力的成分、發展及作用的研究.心理學,1995(2):79

4 普通高中物理課程標準教科書(實驗).北京:人民教育出版社,2003.4