元認知視角下物理習題課的教學追求

朱加沐

［摘 要］習題課教學不僅承載著喚醒學生對知識的記憶、知識體系的重構等認知活動，更是學生對解題思維過程的再認知過程。因此，學生在習題課上不僅要考慮解法的優劣性和過程分析的合理性，還要監控自己的解題過程，調控自己的注意力，評估解法，總結反思等。文章探討了習題教學中，學生借助元認知對自己的解題過程進行自我調整的方法。

［關鍵詞］元認知；習題課；科學思維

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）14-0053-03

與傳統高考相比，新高考的試題更加靈活，這就要求課堂教學要以學生為中心，關注學生的個性發展。長久以來，習題課尤其是高三復習課氣氛沉悶，學生缺乏學習的激情和熱情，缺少了深度思考的課堂學生缺乏獲得感。此外，習題課的教學目的之一是教會學生學習，而學會學習很大部分源自學習策略的獲得與調整，包括學生會用什么策略來理解試題的意圖，怎樣獲得有效的證據支持自己的觀點，怎樣自建理論有效地進行解釋，等等。在實際教學中，讓學生學會元認知思考，借助元認知策略，可有效提高習題課教學效率。

一、元認知理論要義解讀

元認知的研究者弗拉維爾（Flavell）將元認知定義為，個體對自己認知狀態和過程的意識和調節，即對認知的認知［1］。元認知是學生對自己認知發展水平的客觀認識情況，在內容上多數學者認為可以包括元認知知識、元認知體驗和元認知監控三個部分［2］。

習題課元認知教學，包括：（1）習題課元認知知識，是指學生對影響習題認知過程和結果的那些因素的認識，是經過一定量的習題教學之后累積起來的關于認知活動的影響因素及其影響方式的一些知識，對調整、反思起著關鍵性作用。（2）習題課元認知體驗，是指學生對問題的表述而產生的理性和感性的綜合體驗，主要有問題的難易度、熟悉度、相似度、抽象度、障礙度、達成度、困惑度、成就感等。（3）習題課元認知監控，是學生學習過程中對習題課教學整個過程的計劃、控制與調整，包括學生明確題意、回憶相關知識、選擇解題策略，確定思路，檢查錯誤，優化思路，小結收獲，糾正錯誤，排除障礙，調整思維等［3］。

二、元認知視角下習題課教學的策略

［引入相似情境，讓學生充分表達］

［例1］如圖1所示，甲、乙兩人在冰面上“拔河”，兩人中間位置處有一分界線，約定先使對方過分界線者為贏。若繩子質量不計，冰面光滑，則下列說法正確的是（）。

A.甲對繩的拉力與繩對甲的拉力是一對平衡力

B.甲對繩的拉力與乙對繩的拉力是對作用力與反作用力

C.若甲的質量比乙大，則甲能贏得“拔河”比賽的勝利

D.若乙收繩的速度比甲快，則乙能贏得“拔河”比賽的勝利

在學習牛頓第三定律時解決過拔河問題。對于本題，學生第一直覺就是搜索兩種拔河比賽的相似之處——“拔河”，從而進入到自認為“熟悉”的情境中，因此錯誤地認為與本題相匹配的要素只有作用力與反作用力。可學生還是會想當然地認為：質量大，最大靜摩擦力大，拔河容易勝。但殊不知兩種拔河情境的差異在于，粗糙地面和光滑的冰面上“拔河”是不同的。為此，教師可以引導學生認知自我，思考：“正常的拔河，靠什么能贏？怎樣表明贏了？”“光滑的冰面上拔河沒有了摩擦力，是不是也是一方不動，另一方被拉過來？”“約定先使對方過分界線者為贏是什么意思？能否轉換成物理量？”“怎么推算運動到中點的時間？”

學生的表達不僅要有科學內涵，還應有社會內涵?？茖W內涵應當提供論據以支持論點；社會內涵應當把自己作為特定類型的人來對待（如有道德的，誠信的，感性的等），學生易停留在社會內涵的層面上。但平時的感性體驗易造成情境的似是而非，因而容易產生混淆。如果物理教師和其他學生總是以科學的內涵對待試題，對不同表述做出反應，能讓學生自行找異同、提問題的話，就有助于學生把反應與原來展示科學論點的情境相聯系，增加試題情境的識別度，久而久之，學生的思維能力就會得到提升。

［合理設問，謹防思維定式］

［例2］如圖2所示，質量為M的木板上表面水平，放在水平桌面上，木板上面有一質量為m的物塊，剛開始均靜止。物塊與木板及木板與桌面間的動摩擦因數均為[μ]，若要以水平外力[F]將木板抽出，則力[F]的大小至少為（設最大靜摩擦力與滑動摩擦力大小相等）（）。

A. [μmg] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?B. [μ（M+2m）g]

C. [μ（m+2M）g] ? ?D. [2μ（M+m）g]

學生錯誤地認為木板所受的外力[F=f1+f2] ，[F]的方向向右，如圖3所示。可以引導學生這樣認知：“如果真是這樣，分析物體受力會發現向左的摩擦力分別為[f1]和[f2]，且[F'1=f1+f2]，[F'1]對物體的作用效果怎樣？”“可以看到怎樣的現象？”“何謂抽出呢？對應著哪些物理量？”“我們的思路要做怎樣的調整？”

現代學習觀認為，學生有時會利用已獲得的碎片化知識斷章取義地理解或解讀新知識，但事實上是大部分學生必須通過大量的事實性知識和相應訓練，才能有效地向新情境遷移。因此，如果利用物理中的一些二級結論或者熟記一些常見的模型，一方面會影響學生對周圍環境的關注，還會影響學生對相關問題素材的組織和解釋，在條件不變的情況下有利于學生快速解題；另一方面，也會使學生的學習過程變得僵化，會影響思維量較高問題的正確答題，也不利于學生推理能力以及獲取、更新知識能力的提升。習題課教學中，教師應引導學生設置問題，并參與分析、破除思維定式。

［展示學生錯誤，分析歸納錯因］

［例3］如圖4所示，質量[m=2 kg]的物體靜止在水平地面上，物體與水平面間的滑動摩擦力大小等于它們間彈力的0.25倍，現對物體施加一個大小為[8 N]、與水平方向成[θ=37°]角斜向上的拉力[F]，已知[sin37°=0.6]，[cos37°=0.8]，[g]取10 m/s2。求：

（1）物體在拉力作用下5 s末的速度大?。?/p>

（2）若5 s末撤去[F]，求再經過3 s的速度大小。

歸類展示學生錯誤。

解析：（1）[f=μmg=5 N]（錯一），

[f=μFN=μ（mg-Fsinθ）=3.8 N]，[ma=Fcosθ-f] ，解得[a=1.3 m/s2] ，[v5=6.5 m/s] 。

（2）撤去[F]后，物體做勻減速直線運動，[v8=v5+at=6.5+（-1.3）×3=2.6 m/s2]（錯二），

撤去[F]后，[a2=fm=1.9 m/s2]（錯三），

撤去F后的受力分析有[f=μFN=μmg=5 N]，[ma2=f]，[a2=2.5m/s2]。

[v8=v5+at=6.5+（-2.5）×3=-1m/s2]，負號表示運動方向相反。（錯四）

剎車問題：[t停=Δv-a2=2.6 s<3 s] ，已停止，再經過3 s的速度為零。

心理學研究表明，具體類型的教學可以使人們有選擇地感知輸入，進而完成適應性任務［4］。錯題歸類教學能夠功能性地重組人腦中原有的碎片化知識，并有效利用。知識只有在能夠被應用或被批評的時候才具有價值，而要改變學生的邏輯錯誤，需要大量的證據與之進行“對質”，因此，適當安排一些反例、重組問題或者典型錯誤的再認知過程，能讓學生主動地思考自己或同學的解法特征與某些特定概念的關聯度，有助于學生關注試題中知識或者能力的新特征。

［分析試題情境，巧用圖像輔助］

［例4］將自行車轉彎近似看成繞某個定點[O]（圖中未畫出）做圓周運動。如圖5所示為自行車轉彎過程中某時刻的俯視圖，[A]點、[B]點分別為自行車前、后輪軸中心上的點，虛線表示前、后輪轉彎的軌跡，則[A]點和[B]點的（）。

A.線速度相同

B.角速度相同

C.向心加速度相同

D.線速度、角速度和向心加速度都不同

本題是2021屆上海寶山區高三二模的一道選擇題，改編自2013年上海嘉定區一模的填空題。相對原題而言，本題較為簡單，可是學生錯誤率較高。答案僅僅給出A、B兩點同時繞著O點轉動，所以具有相同的角速度，故B選項正確，但是學生還是一片茫然。學生的問題在于不能從題設的圖像讀出完整的物理信息。教學中，教師可以引導學生認知：自行車繞某個定點O（圖中未畫出）做圓周運動，能不能定出圓心和畫出兩個輪子的圓軌跡？怎么確定圓心？前后輪的方向能說明什么？如果圓心確定了能否建立了如圖6所示的圓周運動的模型，描述圓周運動線速率或者角速度？同軸轉動模型中的兩點為什么角速度相等呢？本質是什么？本題還可以設置關于兩個物體的哪些問題？（如幾何方面的，運動方面的）

物理學科核心素養中的科學思維（包括了模型建構），常需要學生自己建構模型，把生活中的復雜情形理想化、進行物理抽象，從而使問題簡化，以便分析理解，進而有利于抓住物理現象的本質。模型的建構需要學生不斷調整題設信息，有效調動理解過程中的知識關聯，而借助圖像、圖示等工具，可使學生對物理問題的分析與重構更高效、更靠近物理知識的本源，但前提是，學生要知道自己會遇到什么樣的困難，因此要注重發展學生的自我提問能力。

三、元認知視角下習題課的教學追求

新知識的建構必須始于已有知識，對這一教學觀的合理引申就是需要關注學生的原有知識及可能的問題，如在給定學習主題時，隨之而來的可能有對主題的不完整理解、錯誤觀念和對概念的天真解釋［5］。在習題課教學前，尤其是高三復習階段，學生已具備了一定的前概念，但還需要依據這些概念幫助學生對相關物理知識達到更加成熟的理解，從而有效培養學生的思維能力。高中物理習題課中，教師應有意識地引導學生調控自己的解題過程，發展學生的元認知能力，尤其是要發展學生的習題課元認知監控能力，而不應讓學生駐留在習題課元認知體驗這一層面。

初期，教師可以提問學生“你是如何思考的？”“你是怎么做到的？”等。后期，可以要求學生以自我提問的方式澄清自己的選擇，如“我是怎么知道的？我怎么決定？為什么我這么認為？這種做法錯誤的原因是什么？這種情境怎么建立模型并轉變為物理量？”由提問轉化成反問，由個人學轉變為同伴學，從而解決問題。因為問題解決是一種積極的應對策略，教師引導學生認識到自己的解法問題所在，一方面可以提高學生的學習積極性，另一方面可以提高學生自我檢查、評估、修正的能力，并把這種能力運用到新的情境中，發展學生的核心素養，并使之遷移到今后的學習生活中。

借助元認知策略，創設合適的場景，讓學生發現自己所面臨的問題，反思解法，討論錯誤概念，這樣更加有利于學生深度思考，激發學生的學習熱情。習題課教學的元認知策略，本質上是學生的自我意識和自我調整，但歸根結底是以提升學生的科學思維能力，發展學生的物理素養為追求。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 孫旭煒，肖洋，熊建文，等.物理實驗元認知的含義、內部關系模型與作用機制［J］.物理教師，2015（6）：2-7.

［2］? 王坤. 網絡環境下促進閱讀元認知的策略研究［D］.保定：河北大學，2008.

［3］? 姜樂，趙景春.物理教學過程中發展學生的元認知技能［J］.網絡財富，2009（2）：119-121.

［4］? 賈冠杰.認知神經科學與雙腦外語教育模式［J］.外語與外語教學，2006（12）：20-22，66.

［5］? 賁友林.將學習科學應用于課堂教學實踐：讀《人是如何學習的：大腦、心理、經驗及學?！罚跩］.江蘇教育，2013（Z1）：125-126.

［6］? 張英豪，王友，朱光亮.物理試題分類精選、解析及誤區警示（上）［J］.試題與研究，2011（22）：50-72.

［7］? 徐飛翔.借用板塊模型構建變式，培養物理思維能力［J］.高中數理化，2016（16）：28.

（責任編輯 易志毅）