基于元认知理论优化生物学教学设计

杨 丁 张颖之

(首都师范大学生命科学学院 北京 100048)

弗拉维尔(Flavell)于1976年首次提出元认知(metacognition)[1]。人能认识世界，还能认识自我，自我意识和自我知觉就是元认知。元认知是对思考进行的思考，对认知进行的认知[2]，包括元认知知识、元认知技能和元认知体验。其中，元认知知识又包括关于人的知识(对自我认知特征、思维习惯有清晰的认识，知晓自我优缺点，知道自己知道什么不知道什么，还能了解同伴和他人，了解人类普遍性认知规律)，任务的知识(清楚任务的要求、目的、实现条件)，策略的知识(以一系列策略、方法完成某项任务，认知主体应认识使用的策略是什么，为什么及如何使用)。而元认知技能帮助认知主体对任务进行监控和调整，包括计划、引导、自我调控及评价。元认知体验则包括认知主体于某次任务过程中获得的感受，如豁然开朗、迷茫；认知主体长期形成的对认知的非逻辑、直觉性判断。

现以高中生物学实验课“探究影响酶活性的条件”为例，展示年轻教师R是如何利用元认知优化教学设计的。

1 认识多样化的教学设计

青年教师R对某一主题教学多样化不清楚，因此她调控自我行为，通过听课、与同行交流、查阅文献，归纳出三种风格的设计：①回顾实验步骤，学生按实验步骤将酶专一性、酶高效性、酶影响因素(温度、pH)多个实验在一节课上完成；②选择两个实验，教师通过问题(如怎样实现对照)带领学生作简要分析，得出实验大致思路，学生照着有详细步骤的学案实施实验；③以小组为单位，每组选择影响酶活性的一个因素，课余时间设计实验方案，实验课2～3组学生作设计方案展示，教师给予点评修正，其余组根据点评思路修改方案，各组按照自己修改后的方案独立进行实验，观察并分析结果。

2 分析不同设计基于的价值立场

R教师没有凭感觉主观地从三种方式中随意照搬一种，她试图分析这三种课堂形式基于的价值立场。①将探究性实验改为验证性实验。原因可能有：学生探究能力不强，实现探究很困难；实验思路已在非实验课上学习过了；学生刚接触高中生物，实验课应以培养兴趣、操作练习为主；实验课加深对知识的理解，对每个影响因素都进行实验，利于考试。②学生的探究能力不强，因此带领学生思考几个关键点(如单一变量原则)，讨论出基本思路；选择两个因素进行实验，时间充沛；给出详细步骤，可帮助学生得出理想的实验结果，利于兴趣及自信心培养。③科学探究的精神和思维重于操作技能；学生学习能力强，已接触过科学兴趣课；小组学习利于合作能力培养；从确定问题到实施反思，实现探究式教学。

3 选择价值立场

R教师对价值立场进行反思：学生对生物学科的适应和兴趣培养是初中阶段的核心内容，而且物理、化学、生物等学科经常进行实验，时间不应分配来专门练习操作技能。生物学是一门以实验为基础的学科，高中生物学课程从必修一就逐渐渗透关于实验设计的知识，必修一中已涉及多个探究实验，其中“探究影响酶活性的条件”，明确要求学生利用提供的实验材料和器具进行完整的实验设计。

因此，R教师分清主次，以培养学生科学探究的精神和思维为主，只选择一个影响因素(温度)，创设情境，学生依据实验设计原则进行严谨的实验设计。

4 分析学情及策略，确定教学目标

第三类设计更符合R教师的价值选择，但不能照搬。R教师的学生对实验原理的学习处于保持和回忆阶段，不能独立完成知识迁移。故R教师决定按照“提出问题、作出假设、设计实验、实施实验、结果记录与分析、思维拓展”的探究式教学的步骤来推进课堂。但为了避免探究式教学法带来探究步骤机械化的刻板印象，R教师考虑简要列举真实的科学研究过程，强调真实的探究可以只包含其中的某步或某几步，科学探究的全过程将靠多个科研团队才能完成。同时，为避免传统讲授法的灌输式教育，R教师在讲授中融入探究，以问题串的形式引导学生完成严谨的探究方案设计。

最终教学目标确定为：①知识目标：概述温度对酶活性的影响，说明酶的特性；②能力目标：探究0～100 ℃对工业淀粉酶活性的影响，运用实验原则设计实验，正确使用实验用具；③情感态度与价值观目标：体验实验设计过程，认同科学的严谨性。

5 形成详细的教学计划

教师将元认知运用于教学设计中，并启发学生从哪些角度思考探究任务，如何判断、评价任务的进程，以促进学生元认知的发展。

5.1 提出问题 温度对酶活性的影响，这不是一个问题。温度如何影响酶的活性？这也不是一个具体的研究问题。教师引导学生思考什么样的问题是好的问题，好问题的标准是可研究、可操作。因此，引导学生补充研究问题：0～100℃温度范围如何影响工业淀粉酶的活性？

5.2 作出假设 教师引导学生思考怎样的假设是好的假设？假设是陈述句，不关乎对错，但应符合已有的信息逻辑。教师提问学生假设是什么，为何做出该假设？预计学生基于信息“工业淀粉酶的常用环境60℃左右，低温抑制酶的活性，高温使酶失活”作出假设“0～60℃，酶活随温度升高而增大；60～100℃，酶活随温度升高而降低至失活。”

5.3 设计实验 教师以问题串的形式引导学生思考关键问题：自变量、因变量和无关变量各有什么？自变量温度如何设置并保持稳定性？实验材料是否会影响温度？反应过程中如何保持温度？能以室温下加入“淀粉+淀粉酶”的试管作为对照吗？对照组不加酶就是严谨的对照组了吗？实验中除酶影响淀粉的分解，还有什么因素可能影响底物的分解？如何避免实验结果的偶然性？实验材料剂量对实验有影响吗？如何确定结果检测指标？该实验应采取哪种结果检测方法？最后，从头至尾梳理实验步骤。

5.4 实施实验及结果 分析每个温度需处理的试管较多，时间紧张。教师问学生此时该怎么办？(分组实验，最后对比结果。)全班分为6个组，分别进行0、20、40、60、80、100℃下实验。教师引导学生思考：应分析哪些现象，才能说明每个温度对酶活性的影响？(对比每个温度之间的对照组，分析温度是否会直接影响底物的分解，再对比每个温度对酶催化效率的影响。)

5.5 思维拓展 教师问：如果现在临时发现淀粉酶已变质不能使用，此时该怎样应对以完成温度对酶活性影响的探究？实验室有蔗糖、蔗糖酶、蛋白溶液、蛋白酶等物质。是否能用蔗糖+蔗糖酶替换淀粉+淀粉酶？否，还原糖的检测需要水浴加热。是否能用蛋白溶液+蛋白酶进行该实验？否，酶是蛋白质，难以分清底物和酶，无法用双缩脲试剂检测。如果要用蛋白质和蛋白酶完成实验该怎么办？将蛋白质固化，观察不同温度下蛋白质在蛋白酶作用下的体积变化。

6 教学反思

元认知在教学中的渗透，要求教师和学生能清楚地意识到自己是如何思考的，为什么要这样思考，是如何决定的，为什么要这样决定，目标标准是什么，离任务完成还有多远。当自我无法回答这些问题时，表现出探索新知的行为。本节课教师在备课过程中对自我思维和行为进行了反思和监管。学生也在教师的引导下思考什么是科学研究，该怎样思考探究问题，为什么要这样进行实验。

若在教学中融入对任务、策略和客观规律的追问和反思，则可极大提高学生的元认知能力，进而帮助学生发展认知领域。