元认知技能评估的海外研究趋势及案例

孟宇+杨絮+张海+罗立成

元认知、学习兴趣和学习环境是影响学习的三大主要因素。很长一段时间内，对元认知的研究由于人的思维的暗默性，一直被视为是学习科学的一个难点领域。今天，由于基于计算机的学习环境的大行其道，教育大数据的搜集、整理和挖掘，渐渐成为现实，而对元认知的研究，作为教育大数据研究的制高点之一，重新获得了研究者们的关注和兴趣。本文通过对元认知技能评估的海外研究趋势的归纳和案例的展示，期望为教育大数据研究者和一线教师提供参考和启示。

● 何为元认知？

元认知是一种包含自我监测和控制的自我认知能力，这种元认知技能为学习者提出了一套自我约束的规则。元认知技能被认为是一种非常重要的能力，在百分之四十的程度上影响着整体的学习效果，它与学习兴趣和学习环境共同构成了影响学习的三大主要因素。元认知对于学习的意义非同一般，但是元认知技能作为一种内在的自我指导能力，具有思维隐性特征，无法被我们直接捕获，因而如何准确读取、验证和评估元认知成为研究的一个难点。

元认知是对学习者在传统学习环境和计算机学习环境中对相关影响因子的认知分析。元认知技能通过运用一种程序性的知识，监测和控制个体的学习行为、方向、目标设定、规划、评估，以及对这几项表现进行概括总结。科学的实验评估包括离线评估和在线评估两种方法，但由于在线评估能够更加客观有效地分析元认知技能，因此计算机在线评估成为当前的研究趋势。同时，由于选择在线记录时，需要衡量学习者是否运用元认知技能，所以对元认知技能的评估也作为元认知能力的一部分，即元认知的自我监测与控制，以及对这一监测控制的评估共同构成了元认知技能评估。

如何将这一内隐的认知能力，通过计算机有效评估？Marcel V.J. Veenman总结分析了尼尔森、纳尔逊两位学者的元认知理论框架，提出了元认知是一种获得控制和调节自我指令任务的自上而下技能，并且通过三个实证研究、多种计算机在线的方法为元认知技能的读取及评估提供了一种有效解决途径。

● 元认知技能评估研究的理论框架

元认知理论的主要代表学者有尼尔森、纳尔逊等人。尼尔森较早尝试建立其理论框架，他将元认知分为“目标能力（object level）”和“元认知水平（meta-level）”两个系统。首先，低阶的认知活动通常被认为属于目标执行过程，如当解决数学问题时，通过读题的过程来陈述问题，并计算出结果。其次，高阶的认知活动是对结果的评价和对初阶对象的规划。元认知对这两个阶段得出的信息进行预判，低阶的信息通过监测系统传达到高阶元认知，高阶指令通过控制传达给低阶对象。而纳尔逊模式本质上是一个自下而上的过程模型，低阶的任务执行触发了监控活动，反过来激活了在控制过程中元认知对目标对象的处理。然而这个模型并没有阐明监视过程是如何自己激活的。此外，纳尔逊的模型忽视了人类解决问题的目标导向性和学习行为，因为这两个因素在控制过程中不是自发激活的，也无法事先监测（Veenman，2011）。

Koriath、Ma'ayan和Nussinson（2006）已经表明了监测和控制之间的因果关系，监控和控制过程是双向的。像尼尔森强调的，监测过程可以引出控制过程，但控制过程也可以在没有事先监测的情况下激活，随后，引出监测过程。问题是，这些控制过程如果不是通过纯粹的巧合激活，那么是怎样激活的呢？

Veenman（2011）首先分析Nelson的自下而上模型，提出了自上而下的方法，元认知技能被认为是一个获得控制和监测自我指令任务的技能。每当学习者面对较为熟悉的任务时，这个自我指示系统就会被激活，因为这个新的任务之前曾有类似任务实施过，这些循环的自我指示将推动产生一个有规律可循的系统（Anderson，1996；Winne，2010）。其次，Veenman强调了自我指示是元认知能力激活各种认知以应用于任务执行的重要环节。尼尔森、纳尔逊的模型中都提出了自我指示概念，这种自我指示能力促进了有效元认知能力的形成（Veenman等人，2006）。元认知评估的目的是读取学习者自我指示程序的元级，然而，元认知技能的自我指示不可直接查获，需要通过离线评估和在线评估两种方法来尝试捕获学习者的元认知能力，但元认知技能的离线自我报告存在评估有效性问题。

基于以上学理分析，笔者选择了在计算机在线日记文件中记录对元认知技能的评估，这一实验设计需要解决三个问题：一是（Veenman，2011）自我指示本身的生产系统具有隐蔽和不可评估的特征，计算机的编译系统不能读取，如语义模糊性。二是计算机在线日记文件评估能否准确有效地捕获学习者元认知自我指示能力，涉及选择哪些认知活动可能是元认知调节的结果。三是元认知能力随着学习经验、学习环境等的变化而发展，并呈现动态特征。多种在线记录的验证方法是建立一套完整的元认知技能日志文件指标的必由之路（Veenman，2007；Winters etal，2008）。三个实证研究解决了元认知技能在线评估面临的困难，同时肯定了计算机在线日记文件对元认知技能评估的意义。

● 元认知技能的三个海外研究案例

1.“发声思维”使元认知技能显性化

在对学习者学习过程的分析中，若单纯对显性外在的学习过程记录，不能把握学习者元认知的自我指示過程，研究便陷于“知其然不知其所以然”的困境。Veenman大胆尝试让学习者将元认知自我指示的思维过程，发声读出来供计算机记录，这是计算机在线记录研究的首要环节。

1993年，Veenman在研究中把实验者分为两组，其中一组参加实验的学习者借助计算机环境，将他们思考的过程读出来，可供计算机记录，另外一组在实验中沉默。Veenman和他的同事评估了40个参与者的元认知技能日志文本，这些参与者在计算机模拟的加热实验室中发声思考或静默工作。参与者为物理学领域的新人，他们的任务是通过实验测量物体的热量，计算机记录了他们所有的实验过程。研究者使用相同的方法分别对发声思考与静默工作进行分析，从主文本中的日志文件获得综合得分，最终得出发声思考的参与者在元认知能力方面与静默工作者无异，也就是说发声思考并没有影响元认知过程，故可以让学习者在实验过程中将思维过程通过语言表述出来，以供计算机读取和记录。

2.计算机评估元认知技能的可行性分析

元认知思维“发声”并没有影响最后的学习效果，接下来就可以展开关于计算机能否准确捕获元认知知识，学习者是否在计算机监督的环境下运用元认知，以及对学习效果产生影响的实验。

（1）元认知能力读取的实验设计

2004年，Veenman及其同事选择了113名年龄在9～22岁之间的儿童和青少年，让他们完成（植物生长和食物任务）四个计算机模拟的学习任务。实验做了年龄越大，元认知能力越强，学习效果更好的预设，实验的目的是检测计算机记录的在线日记数据与预设是否一致，也就是对计算机在线日志评估准确性的判定。

参与者完成了两个生物学任务（一个植物生长任务和一个食物任务）以及两个地理任务（一个关于水獭栖息地的保护，另一个关于老龄化）。在每个任务中，有五个独立变量，独立变量和因变量之间关系的模型是相同的；两个独立变量彼此相互作用；一个变量具有非线性效应（反作用）；两个变量不相关。每个任务模型都对应一个现实生活现象。如下图所示，在食物任务中同理。

（2）实验结果

Veenman和他的同事（2004）归纳了计算机记录的植物生长任务和水獭任务的元认知自我指示能力数据，并综合分析得出，计算机日记文件显示的元认知技能与实验预设的不同年龄段学习者的学习效果一致，证明计算机日记文件能够准确读取元认知能力。

（3）学习者元认知技能运用评估

上面的实验证实了计算机能够准确读取元认知技能，下面增加实验的复杂性，让学习者反复操作以上两个实验，检测其在重复的实验过程中是否运用元认知能力，以及对学习效果产生了哪些影响。

选择一组初中生来进行实验，实验中变量之间的数值关系变得更加复杂，关系变量包括相互作用效应。将这次实验的日记文件与2004年Veenman及其同事收集的元认知评估日志文件数据对比，发现学习者在经历多次实验在线评估和重复实验后，运用了元认知技能，且学习效果确实得到了改善。

三个实验表明，计算机读取“发声思维”显性化元认知技能是可行的，计算机能够有效读取元认知能力，且元认知能力确实改善了学习效果。

3.动态环境下学习者元认知技能运用评估

如何更好地将元认知技能运用于教学实践，提高学习者的元认知技能，是文章开头提到的难点，也是问题的关键。2010年，Veenman及其同事的另一项研究中，通过计算机模拟实验学习任务，将隐马尔可夫统计模型运用于实验分析，对元认知这种隐形的能力在变化过程中进行隐含参数分析，并探讨了这种能力随着学习经验的累积、学习情境的变化，其运用情况的变化情况。

实验选择了153名预备中学的学生，按照随机顺序，完成植物生长实验和老龄化实验。随着时间的推移、实验活动的重复，参与者变得更加活跃，在实验的过程中体现出更多的积极性，对于实验操作的控制能力在提升，说明重复的练习，可以提高学习者运用元认知技能的自觉性，掌握到的丰富的元认知运用技能，将改善学习者的学习效果。

● 元认知的未来研究趋势及挑战

对元认知的研究是揭示学习者学习秘密的重要途径。通过“发声思维”显性化元认知思维，在线日记记录元认知能力准确性判断，学习者运用元认知对学习效果的影响，得出计算机在线日记文件是一种有效的元认知评估方法，重复的实验练习达到了提高学习者元认知技能的目标，这给教育实践研究的探索打开了一扇窗户。

然而，研究者们发现，元认知技能的评估面临以下两个主要的挑战：第一，计算机捕获的元认知技能的自我指示可能不完整，研究人员必须通过推断学习者自我指示与计算机转译自我指示之间的关系来填补空白。首先，需要推断学习者的自我指示，通过“发声思维”是否能完全传达；其次，唤醒元认知知识只是瞬时性的心理作用，这是计算機无法读取的。记录者需要结合学习者面临的环境等众多因素来综合考量。第二，在实际的学习过程中，学习者总是面临不同的学习情境，简单重复的元认知技能练习，不能真正实现元认知技能对学习者的指导。

值得肯定的是，在线日志文件评估这种润物细无声的方法，通过客观记录学习者的学习日记，对元认知技能评估有着举足轻重的作用，因为对学习者在线评估的日志文件的验证是对其元认知评估的先决条件，此外，在线文件对元认知技能运用自觉性评估还能有效促进元认知能力的提高。终极的元认知技能评估将包括不同的在线方法，可能由于学习经验而改变，遗憾的是，到目前为止，关于元认知的多方法研究依旧凤毛麟角。