元認知與學生物理解題元認知能力培養*

竇 瑾 邵 云

(南京曉莊學院物理與電子工程學院 江蘇 南京 211171)

元認知與學生物理解題元認知能力培養*

竇 瑾 邵 云

(南京曉莊學院物理與電子工程學院 江蘇 南京 211171)

物理解題的過程是解題者認知和元認知共同參與的過程.“一聽就懂、一做就錯”是學生物理解題中存在的普遍現象，一個重要的原因是學生解題元認知能力的欠缺.培養和發展學生物理解題元認知能力要從“知識”“體驗”“監控”和“顯性化”等關鍵詞上做文章.

元認知 元認知能力 顯性化培養 物理解題

物理解題的過程是解題者認知和元認知共同參與的過程.并且，認知過程進行得如何，在很大程度上取決于解題者元認知過程的運行水平.具體來說，物理解題能力強的學生在有關解題的元認知方面的發展水平都比較高，具有較多的有關解題任務及解題策略方面的知識，并善于監控自己的解題過程，及時反思、體驗和評價自己的解題.相反，物理解題能力弱的學生往往缺乏有關解題任務及解題策略方面的知識，他們在解題過程中不能很好地監控自己的解題活動，即使發生了認知錯誤也常常渾然不知.所以，培養學生解題元認知能力是一項極具意義的工作.

1 元認知理論概述

元認知是20世紀70年代美國心理學家弗勞威爾(J.H.Flavell)提出的一個概念.1981年，弗勞威爾對元認知的含義作了更加簡練的表述：“反映或調節認知活動的任一方面的知識或認知活動”.據此，可以對元認知作兩個方面的理解[1]：一方面，元認知可以被理解為一種相對靜止的知識體系，它反映認知主體對認知活動及其影響因素的認識；另一方面，它可以被理解為一種動態的活動過程，即認知主體對當前認知活動所作的調節.基于這樣的理解，可以進一步地認為元認知具有三維結構[2]，即元認知是由元認知知識、元認知體驗和元認知監控3個部分組成，且這3個部分相互聯系、相互影響，協同完成“對認知的認知”.

1.1 元認知知識

簡單地說就是有關認知的知識，即認知主體對于影響認知激活(即活化相應認知結構)、認知尋求(即利用認知結構尋求問題解決途徑)、認知評價(即利用認知結構評價問題解決的合理性)和認知重組(即保持和重組有價值的認知結構)的那些因素的認知.它主要包括認知主體對自身智力水平、個性心理特征、知識能力基礎等方面的認知和對認知材料、認知任務等方面的認知以及對認知策略的認知等.

1.2 元認知體驗

就是伴隨著認知活動而產生的認知體驗和情感體驗，即認知主體對認知活動的有關情況的覺察、了解和感悟.它既包括在認知活動初期，認知主體對任務的難度、對完成任務的把握程度以及熟悉程度的體驗等，又包括在認知活動中期，認知主體對當前認知進展以及取得的成功、遇到的障礙和困難的體驗等，還包括在認知活動終期，對目標是否達成、認知活動的效果、效率以及有無創新的體驗等.

1.3 元認知監控

就是認知主體在進行認知活動的全過程中，將自己正在進行的認知作為意識的對象，不斷地對認知目標、認知方向、認知策略、認知進程以及自身的注意程度、情緒狀態等進行監測和評估，積極、自覺地對認知活動作出必要的、合適的調控，以達到預定的目標.

2 元認知對物理解題的作用

元認知作為一種知識體系和一種活動過程，對物理解題的全過程產生著極為重要的作用.

2.1 元認知知識使物理解題目標明確

物理解題具有明確的目標指向性.目標是解題者主觀經驗的知覺, 它既是解題的出發點, 也是解題的歸宿, 它影響和制約著解題的進程.解題前，解題者根據題目類型、難度、陳述方式、解題任務等激活自己已有的元認知知識，尋找切合自身實際的解題策略，制定具體的解題計劃，作出解題的方向性選擇，使解題具有明確的目標指向性.尤其，內化了的策略性知識將有利于促進保持或修正解題的路線、選擇或調控解題的方法.

2.2 元認知體驗使物理解題過程多彩

物理解題是一種“手段”，其目的是通過解題實現對知識、方法及其價值的理解和能力的提高、智慧的生成、情感的豐富.對解題過程中曾經遭遇的困難、失誤、失敗和頓悟、靈感爆發、成功等的體驗既是一種心理上的認知體驗，也是一種心理上的情感體驗,這兩種體驗常常能夠使解題者的解題動機、解題思路、思維方式等得到優化和拓寬.這樣，解題過程便成為“向未知方向挺進的旅程，隨時都有可能發現意外的通道和美麗的風景”.“哦，原來是這么回事！”“對了，還可以這樣來做”等經常能聽到的學生在解題過程中的感嘆聲實在是元認知體驗所帶來的“開朗”“徹悟”等的可貴寫照.

2.3 元認知監控使物理解題結果合理

物理解題的過程通常是一個艱難和曲折的過程，“走”完這一過程既要靠解題者對問題的感知、注意、識別、加工、回憶和理解等認知，也要靠解題者對認知進行積極的意識、體驗和監測、評估、調控等元認知.尤其，在對諸如“對”與“錯”、“優”與“劣”、“進”與“退”等問題作出價值判斷時，元認知監控都發揮著極為重要的作用.元認知監控在解題中的作用具體地表現為在整個解題過程中，解題者自覺、清醒地將自己正在進行的認知活動作為意識的對象, 不斷地對其進行監視、控制和調節，如對每一解題步驟的目標進行確認、結果作出預測；對每一解題步驟中所使用的方法和程序進行“回望”，看所用的方法是否最優、程序是否合理，若否，則及時作出調整；對每一解題步驟所取得的成果進行評估，看取得的成果是否跟該步驟的目標相一致, 若否,則及時診斷“偏差”的根源，或調整目標期待，或調整解題步驟，使解題活動回到正確的軌道上來…….

3 物理解題中存在的問題分析

物理解題是一種重要的實踐活動，也是物理學習中非常重要的一個環節.但是，長期以來，學生物理解題中普遍存在著“一聽就懂、一做就錯”的現象.造成這一現象的一個重要的原因是學生解題元認知能力的欠缺.

3.1 元認知知識薄弱

即對自身智力、個性心理、知識和能力等方面的優勢和不足缺乏足夠的認識，對基本的解決物理問題的策略(包括方法、程序等)缺少全面的了解，因而每當遇到“新”的問題、“難”的問題便“慌了神”“亂了套”.

3.2 元認知體驗缺乏

元認知知識的缺乏以及長期以來“養成”的將自己處于單向的信息接受者位置的習慣導致了學生在解題中，對任務的難度、對完成任務的把握程度以及熟悉程度等的體驗變得遲鈍，對當前解題的進展、取得的成效、遇到的障礙和困難的體驗以及對目標是否達成、認知活動的效果、有無創新等的體驗變得麻木.久而久之，探索、好奇、興奮、驚訝等積極的情感體驗和解題的興趣、主動性、激情等便蕩然無存，更不用說在解題中和解題后體驗到成功的喜悅和發現的驚喜了.

3.3 元認知監控無力

元認知監控是通過元認知知識和元認知體驗的交互作用來實現的.由于前面兩個方面問題的存在，將自己正在進行的認知作為意識的對象，不斷地對審題、推理、運算、檢查等環節進行監測和評估，積極、自覺地對解題活動作出必要的、合適的調控，以達到預定的解題目標便無力了.

綜合以上問題的分析可知，所謂“我粗心”、“我馬虎”、“我失誤”等解錯題的種種“借口”其實都是元認知能力薄弱的代名詞而已.

案例：如圖1所示，水平放置的光滑平行金屬導軌由寬窄不同的兩部分連接而成，較寬部分的軌道間距是較窄部分軌道間距的2倍.兩根質量相同的金屬棒ab和cd均垂直于導軌放置，導軌處于豎直向下的勻強磁場中.現給金屬棒ab一個水平向左的初速度v0，當用外力使棒cd固定不動時,ab在導軌上運動過程中裝置所產生的熱量為Q.現不固定cd，仍給金屬棒ab水平向左的速度v0，求此后裝置一共能產生多少熱量.(設導軌足夠長，cd到MN的距離足夠遠)

圖1 題圖

許多學生列出了以下4個式子

mv0=mvab+mvcd

vcd=2vab

顯然，這是一個錯誤的解，但多數學生卻沒有能夠發現錯誤之所在.這至少暴露了學生在解題中存在3個方面的問題：

(1)對金屬棒的受力情況、運動情況分析不到位——元認知知識薄弱；

(2)在列出關鍵的第二式之前，未能“追問”清楚ab和cd所組成的系統是否確實滿足動量守恒的條件——元認知監控無力；

(3)解出結果后，未將此問題跟自己熟悉的、與此問題具有表面特征相似(但結構特性不同)的“等軌距”問題作進一步的比較、鑒別、領悟——元認知體驗缺乏.

本題正確的解析如下

-Iab=mvab-mv0

Icd=mvcd

其中

Iab=2Icd

vcd=2vab

解以上各式，聯列方程組得

所以，此后該裝置一共能產生熱量

4 學生物理解題元認知能力培養

物理解題能力的提高既有賴于物理知識掌握水平的提高，也有賴于解題元認知能力的提高.但是，物理解題教學(其實可以推廣至整個物理教學)重認知、輕元認知的問題由來已久，這種重視學生解題能力的外顯結構——認知結構教學，不重視學生解題能力的內隱結構——元認知結構的教學是導致眾多學生解題能力弱、不會解題的重要原因.

4.1 “知識”是培養和發展學生解題元認知能力的前提

元認知知識是產生元認知體驗和實現元認知監控的前提條件.眾所周知，學生是物理解題的主體，他們的智力、興趣、愛好、經歷、經驗、知識基礎等直接影響著解題的質量；“知識”是解題的基礎，一個內部有規律、有層次的知識和觀念體系有利于迅速地對物理問題及其“解”作出“判斷”、“定位”.所以，要讓學生自己認識自己，確立“我”才是解題的主體的意識.其次，要教給學生完整、扎實的知識，引導學生整體構建縱有序列、橫有聯系的物理知識網絡；要逐步、系統地教給學生物理解題的策略，引導他們學習和掌握物理解題的一般方法和程序、基本的思想和意識.再次，要加強心理指導，促進學生養成對物理解題的良好情感、態度和適合自身發展的解題習慣.

4.2 “體驗”是培養和發展學生解題元認知能力的基礎

元認知體驗是元認知知識和元認知監控的重要中介因素，也是形成元認知監控的基礎條件.解題教學中，教師一方面要注意創設問題情境，設計和安排好解題的“陷阱”，讓問題情境和學生已有的認知結構發生相互作用并引起沖突，引起學生心理上的不平衡和張力，產生渴望獲得平衡、紓解張力的情感體驗和認知需要.另一方面要啟發、引導學生全面把握、體驗問題情境中所提供的信息(如時間、空間、物質、過程、符號、數據、圖表等)，弄清問題所涉及的相關因素，感知問題情境中所隱藏的“知”和“不知”、“良構”和“劣構”，體驗其“寓意”，由此確立解決問題的目標和方向并制定行動計劃.此外，要注意設計和運用好解決問題中的“腳手架”“誘導語”以及解決問題后的“點睛詞”“贊美話”，促進學生建立問題解決中的懷疑感、理智感和問題解決后的效能感、美感等高級情感.

4.3 “監控”是培養和發展學生解題元認知能力的關鍵

元認知監控是元認知的核心.物理解題中的元認知監控主要應圍繞理解問題是否充分、制定解題計劃是否可行、分析與推理是否完備、立式與結果是否正確等幾個方面[3].為此，在解題教學中，教師要注意利用延遲判斷、“稚化”、“唱反調”、引申、質疑和暗示、點撥等手段，引導學生養成監控、調節自己思維過程的自覺性和反思、質疑、批判、評價和調節解題策略的習慣.例如，在解題的開始階段，教師可以有意地“稚化”自己的思維，以便讓自己的思維和學生的思維對接.接著，教師要做好“示范”，勇于“真實地”暴露自己的思維過程，引導和啟發學生學習“監控”.之后，要為學生提供各抒己見的機會，讓他們如實地暴露他們自己的思維過程[4]，在自由、充分的交流、思考、提問、探索、領悟和評價中，使他們的認知和元認知得到張揚、得到鍛煉、得到相互促進.

4.4 “顯性化”是培養和發展學生解題元認知能力的有效舉措

除了做好前面的3點之外，開展學生解題元認知能力的“顯性化”培養也極有必要，且研究和實踐表明：適當的訓練確實能夠大大地改善學生的元認知能力，促進解題能力的全面提升[5].除了上面提到的一些做法之外，在學生解題中設置“自我提問單”、布置學生寫“思維留跡”和“言行報告”以及給學生時間“深思”、“寫解題感受”等都是培養和發展學生解題元認知能力的有效方法.

1 汪玲，郭德俊.元認知的本質與要素.心理學報，2000(4):458～463

2 呂明才.元認知的發展、結構及研究方法.泰山學院學報，2007(4):110～113

3 周金中，易欣.元認知視角下優化習題教學的策略.教學月刊(中學版)，2010(4)：37～39

4 吳志山.高中物理解題過程中學生自我監控能力的培養.中學物理教學參考，2011(5)：1～13

5 竇瑾.元認知與學生元認知能力培養.物理通報，2014(4):108～110

MetacognitionandCultureofStudents′MetacognitiveSkillsinSolvingPhysicsQuestions

DouJinShaoYun

(CollegeofPhysicsandElectronicsEngineering,NanjingXiaozhuangUniversity,Nanjing,Jiangsu211171)

The process of solving a physics problem is a process involving both cognition and metacognition. “Understand quickly but mistaken easily” is a common phenomenon among students when solving physics problems. One of the main reasons is the lack of metacognitive skills. To educate and develop students′ metacognitive skills, instructors shall apply strategies focusing on knowledge, experience, monitoring, and explication.

metacognition; metacognitive skills; explicit training; physics problem solving

*江蘇省教育科學“十一五”規劃課題立項項目“高中理科教師教育行動研究的現狀與對策研究”后續成果，項目編號：D/2008/01/122;南京曉莊學院教學改革研究項目“中學物理習題和習題教學研究”階段成果，項目編號：4145017

竇瑾(1963- )，男，教授，主要從事物理教學論的教學和研究.

邵云(1973- )，男，講師，主要從事力學、熱學的教學和研究.

2016-12-03)