影響高中物理實驗學習困難的元認知因素及其教學策略

李建設

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009)

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影響高中物理實驗學習困難的元認知因素及其教學策略

李建設

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009)

研究表明,學生學習困難的原因與其元認知參與的缺乏有直接關系．本文結合元認知理論,認為任務知識薄弱、監控失調、調節盲目和元認知體驗欠缺是影響高中物理實驗學習困難的主要元認知因素．教師只有了解哪些方面元認知技能的缺失會對學生實驗學習存在影響,才能對癥下藥,有針對性地提高學生的元認知技能．

元認知； 物理實驗； 教學策略

學習困難領域一直是教育工作者關注的熱點,尤其是學生在學習困難領域中的認知與非認知領域的特點,及其與學業成就的關系更是備受關注,[1]而對學業成就產生影響作用的認知與非認知因素中當屬元認知．Kolligiall和Sternberg(1987)認為，學生學習困難的原因與元認知參與的缺乏,即元認知技能的運用不良有直接關系．有關物理問題解決過程的研究也表明,物理學習困難的學生在某些元認知的技能和能力方面存在困難．然而,有關實驗學習困難的元認知相關方面的研究并不多見．本文根據元認知理論,結合學生在物理實驗問題解決過程中的具體表現,深入探討影響高中物理實驗學習困難的元認知相關因素．這對于有效地開展實驗教學,有針對性地指導高中學生的實驗學習,使其由“學會”變成“會學”,提高實驗學習的積極性、主動性和創造性具有十分重要的實踐意義．

1 實驗學習困難的元認知相關因素

由于學生頭腦中的實驗知識體系存在缺陷,實驗學習過程監控不力,實驗策略的調節盲目,因此不能有效地完成實驗學習目標而導致情緒低落,從而產生實驗學習困難，其在實驗學習中的主要具體表現如下.

1.1 任務知識薄弱,對問題的表征處于感性認知階段

調查發現,實驗學習的困難與元認知知識中的任務知識薄弱相關很大．任務知識薄弱是指學生對實驗的認知只局限于在實驗操作的正確與否,對于課程的教學目的、具體項目的實驗目的認識不清或從未考慮過,認為實驗課程的主要目的就是完成實驗操作,測量實驗數據,培養操作技能．由于學生的任務知識體系存在局限性,使得他們在審清具體項目的實驗目的、運用實驗方法利用的信息量較少,且信息多處于膚淺的加工狀態,導致學生對實驗問題的表征只是處于感性認知階段．特別是隨著實驗內容復雜水平的提高,學生提取相關知識變得很困難,對于問題信息表征的準確性也在下降．例如在測電源電動勢和內阻的實驗中,學生對實驗的本質不很清楚,對電路中電流表是采用外接法還是采用內接法的理解不深,對于問題表征仍停留在物理概念、實驗現象、儀器操作等表面特征上,根本沒有考慮將實驗現象、實驗方法、實驗操作與實驗目的、實驗原理聯系起來,他們只是按照教師或教材上提供的方案機械地選擇實驗器材,連接電路．如果改變實驗測量對象——測量電源的內阻很大,學生就茫然不知所措了,不知道是選擇電源外接法或內接法來連接電路．

1.2 元認知監控失調,難以對認知過程做出合理的判斷

自我監控對學生的學習效果的影響日益增大,是影響學生學業成績的關鍵因素．[2]元認知監控涉及整個實驗過程,但實際情況是學生對實驗任務的監控主要表現為“結果性”,而非“過程性”,缺乏整體性、過程性和計劃性,致使學生對實驗項目的價值、難度,實驗方案的合理性、煩瑣程度,實驗過程的可操作性、安全性,實驗中出現的干擾性問題的甄別和排除等難以作出準確的估計和判斷．胡志海等人研究發現,[3]學習困難的學生在計劃性、過程性與總結性方面較弱,而這3方面恰恰對應于實驗活動前、進行中、完成后3個不同階段．具體體現在:實驗開始階段,由于對實驗目的和實驗任務的認識不夠深入,大多數學生基本上處于忽略狀態,不能將實驗的安全性、準確性、可操作性等綜合起來去考慮實驗方案的設計．在實驗進程中,對于實驗中出現的問題不能做出準確、合理的分析和判斷,學生往往只關注教師布置的實驗測量任務,對于實驗操作步驟是否具有合理性、系統性、條理性基本不予理睬．在實驗結束后,學生只關注實驗數據處理的完成,對實驗結果的評價往往是就事論事,對于實驗結果誤差大的處理,往往只是在實驗報告上提了一句“本實驗結果誤差很大”,就不了了之,沒有從深層次上去分析、總結實驗相關因素對實驗測量的影響．

1.3 元認知調節盲目,引發學生隨意嘗試各種認知策略

在解決問題的過程中,如果沒有元認知策略的使用,個體的認知能力就得不到很好的發揮．[4]學習不成功者的困難不是由于缺乏具體的認知策略知識,而是在基于任務要求去選擇和使用策略上存在問題,缺乏對與相應問題選擇有效策略的調節能力(Swanson,1985),即元認知調節方面沒能得到很好的發展．當他們面臨實際問題時,很難組織有效信息和頭腦中的相關圖式去激活相關問題解決策略．當某種認知策略不成功時,很難及時進行策略轉換和調節自己的認知過程,[5]其思維活動處于一種盲目、不可控狀態,只能盲目地嘗試各種認知策略以尋求任務起始狀態與目標狀態的一系列聯系．例如學生通過學習用伏安法測量電源電動勢和內阻的基本思路,能夠解決當電路中有電壓表和電流表的前提下,測定電源電動勢和內阻的問題．如果實驗器材中缺少電壓表或電流表,或者所給的電壓表或電流表不符合實驗需要時,要求測量電源的電動勢和內阻．由于學生沒有從思維的抽象上升到思維的具體,不知道如何靈活應用伏安法知識,在猛地接觸到沒有電壓表或電流表,取而代之的是電阻箱等電學儀器時總感不適應．他們頭腦中出現的信息往往是伏安法測定電阻的模型,實際表現出的實驗行為是根據頭腦中的原有模型,嘗試構建各種電路模型來解決問題．

1.4 元認知體驗欠缺,導致自我效能感降低

積極的元認知體驗對認知任務的完成有著重要的影響,它可以激活認知策略知識,幫助學生在完成認知活動時對相關策略進行調節,也能夠更好地監控學習過程．認知活動的成功會產生積極的情感,失敗了會有消極的情感產生．消極的元認知體驗會使學生在面對挑戰性任務時會選取逃避或回避策略,面對失敗時會把原因歸于能力差,面臨困難時會選擇放棄,長期積累會使學生的自我效能感逐漸降低．自我效能感是反映學生元認知水平的一個重要指標,學生的自我效能感與元認知體驗呈顯著的正相關,[6]這種相關在低成就學生身上表現得尤為顯著．在實驗學習中,如果學生不斷地遭遇實驗失敗或挫折,會使他們逐漸降低對實驗的學習愿望,懷疑自己的實驗能力,降低對物理實驗學習的結果期望,降低甚至完全喪失對物理實驗學習的信心,致使他們不愿主動地調動非智力因素參與到實驗中,缺乏改進認知加工過程的愿望,從而降低了實驗活動效率與成功的可能性．這種喪失實驗信心的心理狀態叫做實驗學習的習得性無助感．習得性無助感將使學生產生被動、自卑、厭學的情緒,造成做不好物理實驗的心理定勢．根據學習動機的強度=價值×期望的“期望——價值”理論,如果學生降低對實驗學習結果的期望值,認為“自己不是學習實驗的料,或物理實驗的學習沒有什么作用”,那么實驗學習的動機就會減弱,從而抑制新實驗項目的學習．

2 提高學生元認知水平的教學策略

2.1 注重實驗思想和方法的傳授,完成任務知識體系

2.2 利用自我提問單,有效監控實驗思維過程

研究表明，學生的自我監控能力發展落后于其他能力的發展,自我監控能力的培養是當前實驗教學中的最大薄弱環節．在實驗教學中,教育者要以實驗認知活動作為意識對象,加強對實驗過程的監控,使學生能夠積極而自覺地對實驗過程進行監視、控制和調節,促進學生從“要我學”轉變為“我要學”．教師要根據具體的實驗內容,設計出對應的自我提問單,讓學生進行自我診斷,自我改進．提問單內容包括: (1) 理解實驗任務．要求準確、全面把握實驗任務,明確任務的特點、目標以及需要達到的程度．(2) 分析實驗并制定相關計劃.包括分析器材的選取,構思各種解決問題的可能辦法,估計其有效性等,這些是尋找解決實驗問題的突破口和關鍵．(3) 監控計劃的實施．針對實驗過程中出現的異常情況,學生應及時調整策略.(4) 檢查結果．根據結果及相關反饋信息及時評價策略和方法的效果,評估目標和任務的完成程度,對發現的問題采取補救措施進行修改或調整等．例如在“單擺測重力加速度”的實驗中,教師可提出以下問題:第一，用單擺測量重力加速度是根據什么物理關系?如何推導出重力加速度的測量公式;第二，該實驗需要測量的物理量有哪些?各需要采用什么測量工具?測量工具的精度各是多少;第三，單擺應當選取什么樣的擺球,什么樣的線,線長的長度應在什么范圍內?第四，怎樣保證小球做簡諧振動?如若小球運動擺成圓錐擺,對測量周期有影響嗎?第五，怎樣測量單擺的周期?從何處開始計時,到何處停止計時等等．通過以上問題,學生可以自主監控整個實驗過程,發現問題及時解決．

2.3 強化積極的認知體驗,提高自我效能感

元認知體驗即主體伴隨著認知活動而產生的認知體驗或情感體驗,知的體驗和不知的體驗．元認知的體驗會給學習者帶來滿足感和自豪感,但不知的體驗卻會使學習者感到沮喪,產生焦慮．這是因為困惑或失敗的體驗可能使人放棄原定的目標;遭受挫折的體驗可能放棄對自己已有的元認知知識進行補充、修改或刪除;而積極的認知體驗可以刺激認知或元認知策略的產生,會有意識地完善自己的元認知知識體系．為了使學習者從不知的體驗過渡到知的體驗,教師一方面要幫助學生分析實驗中遇到的問題,避免焦慮感的產生;另一方面運用情感策略調控學生的情緒,使他們克服焦慮心理,正確對待學習過程中的挫折,增強實驗學習的自信心,獲得更多積極的情感體驗．例如在利用電位差計測電動勢和內電阻實驗中,線路連接正常,但在測量電池的電動勢時,檢流計指針始終朝一個方向偏轉,學生可能會懷疑是線路連接錯誤,幾次檢查線路連接都沒發現問題,又懷疑是電池極性接反,經檢查也無誤,學生顯得束手無策,急躁、焦慮情緒機會產生．對此教師要進行有針對性地引導學生進行分析,及時疏導學生的焦慮感,引導他們找出具體的解決辦法．

2.4 利用問題檢測卡,加強課后反思訓練

為深化對實驗問題的理解,揭示出實驗課題的本質,要求學生在完成實驗課題后圍繞實驗內容思考相關問題,促使學生元認知技能的提高．通過長期的訓練可以使學生養成一套“設置課后問題——學生反思——自我解釋”的實驗思維訓練模式,使學生深刻理解“在問題中成長,在反思中成熟”的道理．例如學生在完成測電源電動勢和內阻的實驗后,設計問題檢測卡以進一步理解實驗:第一，電路中安培表的內、外接法判斷依據是什么?第二，若是測量干電池的電動勢和內阻,則應如何選擇電壓表和電流表,若實驗中提供的電流表不符合需要,如何處理．第三，若圖像中縱坐標的起點不是零點,則如何處理數據以求出電池的內阻．第四，教材中采用限流式接法連接滑動變阻器,那是否可采用分壓式接法來連接,判斷依據是什么?第五，若采用外接法,測量的U-I曲線與實際的曲線在哪個軸上相交于一點,真實曲線是在測量曲線的左方還是右方,并定性進行分析;如若采用內接法呢?等等．

元認知理論為我們深入認識學習困難學生的學習特點和規律提供理論根據,為實驗教師轉變教育觀念、實施實驗素質教育提供一個積極的參考,為開展實驗教育研究和教學實踐提供了一個新的切入點．

1 左志宏,席居哲. 三種學業成績水平學生元認知、學習動機比較[J].中國特殊教育,2005(5):69-74.

2 董奇.關于學生學習自我監控的實驗研究[J].北京師范大學學報(社會科學版),1995(1):87.

3 胡志海,梁寧建.學習不良學生元認知特點研究[J].心理科學,1999(4):354.

4 程素萍.問題解決中的元認知研究綜述[J].教育理論與實踐,1996(3):16-19.

5 Z R Mevarech.Effects of metacognitive training embedded in cooperative settings on mathematical problem solving[J]. Journal of educational research, 1999,92(4): 195-205.

6 衷克定等.遠程學習者元認知與學習效能感關系分析與研究[J].中國遠程教育,2007(12):40-43.

7 胡志海等.對大學生元認知特點與非智力因素關系的研究[J].心理科學，2002, 25(4): 435-439.

2017-03-01)