基于元認知理論優化生物學教學設計

楊 丁 張穎之

(首都師范大學生命科學學院 北京 100048)

弗拉維爾(Flavell)于1976年首次提出元認知(metacognition)[1]。人能認識世界，還能認識自我，自我意識和自我知覺就是元認知。元認知是對思考進行的思考，對認知進行的認知[2]，包括元認知知識、元認知技能和元認知體驗。其中，元認知知識又包括關于人的知識(對自我認知特征、思維習慣有清晰的認識，知曉自我優缺點，知道自己知道什么不知道什么，還能了解同伴和他人，了解人類普遍性認知規律)，任務的知識(清楚任務的要求、目的、實現條件)，策略的知識(以一系列策略、方法完成某項任務，認知主體應認識使用的策略是什么，為什么及如何使用)。而元認知技能幫助認知主體對任務進行監控和調整，包括計劃、引導、自我調控及評價。元認知體驗則包括認知主體于某次任務過程中獲得的感受，如豁然開朗、迷茫；認知主體長期形成的對認知的非邏輯、直覺性判斷。

現以高中生物學實驗課“探究影響酶活性的條件”為例，展示年輕教師R是如何利用元認知優化教學設計的。

1 認識多樣化的教學設計

青年教師R對某一主題教學多樣化不清楚，因此她調控自我行為，通過聽課、與同行交流、查閱文獻，歸納出三種風格的設計：①回顧實驗步驟，學生按實驗步驟將酶專一性、酶高效性、酶影響因素(溫度、pH)多個實驗在一節課上完成；②選擇兩個實驗，教師通過問題(如怎樣實現對照)帶領學生作簡要分析，得出實驗大致思路，學生照著有詳細步驟的學案實施實驗；③以小組為單位，每組選擇影響酶活性的一個因素，課余時間設計實驗方案，實驗課2～3組學生作設計方案展示，教師給予點評修正，其余組根據點評思路修改方案，各組按照自己修改后的方案獨立進行實驗，觀察并分析結果。

2 分析不同設計基于的價值立場

R教師沒有憑感覺主觀地從三種方式中隨意照搬一種，她試圖分析這三種課堂形式基于的價值立場。①將探究性實驗改為驗證性實驗。原因可能有：學生探究能力不強，實現探究很困難；實驗思路已在非實驗課上學習過了；學生剛接觸高中生物，實驗課應以培養興趣、操作練習為主；實驗課加深對知識的理解，對每個影響因素都進行實驗，利于考試。②學生的探究能力不強，因此帶領學生思考幾個關鍵點(如單一變量原則)，討論出基本思路；選擇兩個因素進行實驗，時間充沛；給出詳細步驟，可幫助學生得出理想的實驗結果，利于興趣及自信心培養。③科學探究的精神和思維重于操作技能；學生學習能力強，已接觸過科學興趣課；小組學習利于合作能力培養；從確定問題到實施反思，實現探究式教學。

3 選擇價值立場

R教師對價值立場進行反思：學生對生物學科的適應和興趣培養是初中階段的核心內容，而且物理、化學、生物等學科經常進行實驗，時間不應分配來專門練習操作技能。生物學是一門以實驗為基礎的學科，高中生物學課程從必修一就逐漸滲透關于實驗設計的知識，必修一中已涉及多個探究實驗，其中“探究影響酶活性的條件”，明確要求學生利用提供的實驗材料和器具進行完整的實驗設計。

因此，R教師分清主次，以培養學生科學探究的精神和思維為主，只選擇一個影響因素(溫度)，創設情境，學生依據實驗設計原則進行嚴謹的實驗設計。

4 分析學情及策略，確定教學目標

第三類設計更符合R教師的價值選擇，但不能照搬。R教師的學生對實驗原理的學習處于保持和回憶階段，不能獨立完成知識遷移。故R教師決定按照“提出問題、作出假設、設計實驗、實施實驗、結果記錄與分析、思維拓展”的探究式教學的步驟來推進課堂。但為了避免探究式教學法帶來探究步驟機械化的刻板印象，R教師考慮簡要列舉真實的科學研究過程，強調真實的探究可以只包含其中的某步或某幾步，科學探究的全過程將靠多個科研團隊才能完成。同時，為避免傳統講授法的灌輸式教育，R教師在講授中融入探究，以問題串的形式引導學生完成嚴謹的探究方案設計。

最終教學目標確定為：①知識目標：概述溫度對酶活性的影響，說明酶的特性；②能力目標：探究0～100 ℃對工業淀粉酶活性的影響，運用實驗原則設計實驗，正確使用實驗用具；③情感態度與價值觀目標：體驗實驗設計過程，認同科學的嚴謹性。

5 形成詳細的教學計劃

教師將元認知運用于教學設計中，并啟發學生從哪些角度思考探究任務，如何判斷、評價任務的進程，以促進學生元認知的發展。

5.1 提出問題 溫度對酶活性的影響，這不是一個問題。溫度如何影響酶的活性？這也不是一個具體的研究問題。教師引導學生思考什么樣的問題是好的問題，好問題的標準是可研究、可操作。因此，引導學生補充研究問題：0～100℃溫度范圍如何影響工業淀粉酶的活性？

5.2 作出假設 教師引導學生思考怎樣的假設是好的假設？假設是陳述句，不關乎對錯，但應符合已有的信息邏輯。教師提問學生假設是什么，為何做出該假設？預計學生基于信息“工業淀粉酶的常用環境60℃左右，低溫抑制酶的活性，高溫使酶失活”作出假設“0～60℃，酶活隨溫度升高而增大；60～100℃，酶活隨溫度升高而降低至失活。”

5.3 設計實驗 教師以問題串的形式引導學生思考關鍵問題：自變量、因變量和無關變量各有什么？自變量溫度如何設置并保持穩定性？實驗材料是否會影響溫度？反應過程中如何保持溫度？能以室溫下加入“淀粉+淀粉酶”的試管作為對照嗎？對照組不加酶就是嚴謹的對照組了嗎？實驗中除酶影響淀粉的分解，還有什么因素可能影響底物的分解？如何避免實驗結果的偶然性？實驗材料劑量對實驗有影響嗎？如何確定結果檢測指標？該實驗應采取哪種結果檢測方法？最后，從頭至尾梳理實驗步驟。

5.4 實施實驗及結果 分析每個溫度需處理的試管較多，時間緊張。教師問學生此時該怎么辦？(分組實驗，最后對比結果。)全班分為6個組，分別進行0、20、40、60、80、100℃下實驗。教師引導學生思考：應分析哪些現象，才能說明每個溫度對酶活性的影響？(對比每個溫度之間的對照組，分析溫度是否會直接影響底物的分解，再對比每個溫度對酶催化效率的影響。)

5.5 思維拓展 教師問：如果現在臨時發現淀粉酶已變質不能使用，此時該怎樣應對以完成溫度對酶活性影響的探究？實驗室有蔗糖、蔗糖酶、蛋白溶液、蛋白酶等物質。是否能用蔗糖+蔗糖酶替換淀粉+淀粉酶？否，還原糖的檢測需要水浴加熱。是否能用蛋白溶液+蛋白酶進行該實驗？否，酶是蛋白質，難以分清底物和酶，無法用雙縮脲試劑檢測。如果要用蛋白質和蛋白酶完成實驗該怎么辦？將蛋白質固化，觀察不同溫度下蛋白質在蛋白酶作用下的體積變化。

6 教學反思

元認知在教學中的滲透，要求教師和學生能清楚地意識到自己是如何思考的，為什么要這樣思考，是如何決定的，為什么要這樣決定，目標標準是什么，離任務完成還有多遠。當自我無法回答這些問題時，表現出探索新知的行為。本節課教師在備課過程中對自我思維和行為進行了反思和監管。學生也在教師的引導下思考什么是科學研究，該怎樣思考探究問題，為什么要這樣進行實驗。

若在教學中融入對任務、策略和客觀規律的追問和反思，則可極大提高學生的元認知能力，進而幫助學生發展認知領域。