影响高中物理实验学习困难的元认知因素及其教学策略

李建设

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009)



影响高中物理实验学习困难的元认知因素及其教学策略

李建设

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009)

研究表明,学生学习困难的原因与其元认知参与的缺乏有直接关系．本文结合元认知理论,认为任务知识薄弱、监控失调、调节盲目和元认知体验欠缺是影响高中物理实验学习困难的主要元认知因素．教师只有了解哪些方面元认知技能的缺失会对学生实验学习存在影响,才能对症下药,有针对性地提高学生的元认知技能．

元认知； 物理实验； 教学策略

学习困难领域一直是教育工作者关注的热点,尤其是学生在学习困难领域中的认知与非认知领域的特点,及其与学业成就的关系更是备受关注,[1]而对学业成就产生影响作用的认知与非认知因素中当属元认知．Kolligiall和Sternberg(1987)认为，学生学习困难的原因与元认知参与的缺乏,即元认知技能的运用不良有直接关系．有关物理问题解决过程的研究也表明,物理学习困难的学生在某些元认知的技能和能力方面存在困难．然而,有关实验学习困难的元认知相关方面的研究并不多见．本文根据元认知理论,结合学生在物理实验问题解决过程中的具体表现,深入探讨影响高中物理实验学习困难的元认知相关因素．这对于有效地开展实验教学,有针对性地指导高中学生的实验学习,使其由“学会”变成“会学”,提高实验学习的积极性、主动性和创造性具有十分重要的实践意义．

1 实验学习困难的元认知相关因素

由于学生头脑中的实验知识体系存在缺陷,实验学习过程监控不力,实验策略的调节盲目,因此不能有效地完成实验学习目标而导致情绪低落,从而产生实验学习困难，其在实验学习中的主要具体表现如下.

1.1 任务知识薄弱,对问题的表征处于感性认知阶段

调查发现,实验学习的困难与元认知知识中的任务知识薄弱相关很大．任务知识薄弱是指学生对实验的认知只局限于在实验操作的正确与否,对于课程的教学目的、具体项目的实验目的认识不清或从未考虑过,认为实验课程的主要目的就是完成实验操作,测量实验数据,培养操作技能．由于学生的任务知识体系存在局限性,使得他们在审清具体项目的实验目的、运用实验方法利用的信息量较少,且信息多处于肤浅的加工状态,导致学生对实验问题的表征只是处于感性认知阶段．特别是随着实验内容复杂水平的提高,学生提取相关知识变得很困难,对于问题信息表征的准确性也在下降．例如在测电源电动势和内阻的实验中,学生对实验的本质不很清楚,对电路中电流表是采用外接法还是采用内接法的理解不深,对于问题表征仍停留在物理概念、实验现象、仪器操作等表面特征上,根本没有考虑将实验现象、实验方法、实验操作与实验目的、实验原理联系起来,他们只是按照教师或教材上提供的方案机械地选择实验器材,连接电路．如果改变实验测量对象——测量电源的内阻很大,学生就茫然不知所措了,不知道是选择电源外接法或内接法来连接电路．

1.2 元认知监控失调,难以对认知过程做出合理的判断

自我监控对学生的学习效果的影响日益增大,是影响学生学业成绩的关键因素．[2]元认知监控涉及整个实验过程,但实际情况是学生对实验任务的监控主要表现为“结果性”,而非“过程性”,缺乏整体性、过程性和计划性,致使学生对实验项目的价值、难度,实验方案的合理性、烦琐程度,实验过程的可操作性、安全性,实验中出现的干扰性问题的甄别和排除等难以作出准确的估计和判断．胡志海等人研究发现,[3]学习困难的学生在计划性、过程性与总结性方面较弱,而这3方面恰恰对应于实验活动前、进行中、完成后3个不同阶段．具体体现在:实验开始阶段,由于对实验目的和实验任务的认识不够深入,大多数学生基本上处于忽略状态,不能将实验的安全性、准确性、可操作性等综合起来去考虑实验方案的设计．在实验进程中,对于实验中出现的问题不能做出准确、合理的分析和判断,学生往往只关注教师布置的实验测量任务,对于实验操作步骤是否具有合理性、系统性、条理性基本不予理睬．在实验结束后,学生只关注实验数据处理的完成,对实验结果的评价往往是就事论事,对于实验结果误差大的处理,往往只是在实验报告上提了一句“本实验结果误差很大”,就不了了之,没有从深层次上去分析、总结实验相关因素对实验测量的影响．

1.3 元认知调节盲目,引发学生随意尝试各种认知策略

在解决问题的过程中,如果没有元认知策略的使用,个体的认知能力就得不到很好的发挥．[4]学习不成功者的困难不是由于缺乏具体的认知策略知识,而是在基于任务要求去选择和使用策略上存在问题,缺乏对与相应问题选择有效策略的调节能力(Swanson,1985),即元认知调节方面没能得到很好的发展．当他们面临实际问题时,很难组织有效信息和头脑中的相关图式去激活相关问题解决策略．当某种认知策略不成功时,很难及时进行策略转换和调节自己的认知过程,[5]其思维活动处于一种盲目、不可控状态,只能盲目地尝试各种认知策略以寻求任务起始状态与目标状态的一系列联系．例如学生通过学习用伏安法测量电源电动势和内阻的基本思路,能够解决当电路中有电压表和电流表的前提下,测定电源电动势和内阻的问题．如果实验器材中缺少电压表或电流表,或者所给的电压表或电流表不符合实验需要时,要求测量电源的电动势和内阻．由于学生没有从思维的抽象上升到思维的具体,不知道如何灵活应用伏安法知识,在猛地接触到没有电压表或电流表,取而代之的是电阻箱等电学仪器时总感不适应．他们头脑中出现的信息往往是伏安法测定电阻的模型,实际表现出的实验行为是根据头脑中的原有模型,尝试构建各种电路模型来解决问题．

1.4 元认知体验欠缺,导致自我效能感降低

积极的元认知体验对认知任务的完成有着重要的影响,它可以激活认知策略知识,帮助学生在完成认知活动时对相关策略进行调节,也能够更好地监控学习过程．认知活动的成功会产生积极的情感,失败了会有消极的情感产生．消极的元认知体验会使学生在面对挑战性任务时会选取逃避或回避策略,面对失败时会把原因归于能力差,面临困难时会选择放弃,长期积累会使学生的自我效能感逐渐降低．自我效能感是反映学生元认知水平的一个重要指标,学生的自我效能感与元认知体验呈显著的正相关,[6]这种相关在低成就学生身上表现得尤为显著．在实验学习中,如果学生不断地遭遇实验失败或挫折,会使他们逐渐降低对实验的学习愿望,怀疑自己的实验能力,降低对物理实验学习的结果期望,降低甚至完全丧失对物理实验学习的信心,致使他们不愿主动地调动非智力因素参与到实验中,缺乏改进认知加工过程的愿望,从而降低了实验活动效率与成功的可能性．这种丧失实验信心的心理状态叫做实验学习的习得性无助感．习得性无助感将使学生产生被动、自卑、厌学的情绪,造成做不好物理实验的心理定势．根据学习动机的强度=价值×期望的“期望——价值”理论,如果学生降低对实验学习结果的期望值,认为“自己不是学习实验的料,或物理实验的学习没有什么作用”,那么实验学习的动机就会减弱,从而抑制新实验项目的学习．

2 提高学生元认知水平的教学策略

2.1 注重实验思想和方法的传授,完成任务知识体系

2.2 利用自我提问单,有效监控实验思维过程

研究表明，学生的自我监控能力发展落后于其他能力的发展,自我监控能力的培养是当前实验教学中的最大薄弱环节．在实验教学中,教育者要以实验认知活动作为意识对象,加强对实验过程的监控,使学生能够积极而自觉地对实验过程进行监视、控制和调节,促进学生从“要我学”转变为“我要学”．教师要根据具体的实验内容,设计出对应的自我提问单,让学生进行自我诊断,自我改进．提问单内容包括: (1) 理解实验任务．要求准确、全面把握实验任务,明确任务的特点、目标以及需要达到的程度．(2) 分析实验并制定相关计划.包括分析器材的选取,构思各种解决问题的可能办法,估计其有效性等,这些是寻找解决实验问题的突破口和关键．(3) 监控计划的实施．针对实验过程中出现的异常情况,学生应及时调整策略.(4) 检查结果．根据结果及相关反馈信息及时评价策略和方法的效果,评估目标和任务的完成程度,对发现的问题采取补救措施进行修改或调整等．例如在“单摆测重力加速度”的实验中,教师可提出以下问题:第一，用单摆测量重力加速度是根据什么物理关系?如何推导出重力加速度的测量公式;第二，该实验需要测量的物理量有哪些?各需要采用什么测量工具?测量工具的精度各是多少;第三，单摆应当选取什么样的摆球,什么样的线,线长的长度应在什么范围内?第四，怎样保证小球做简谐振动?如若小球运动摆成圆锥摆,对测量周期有影响吗?第五，怎样测量单摆的周期?从何处开始计时,到何处停止计时等等．通过以上问题,学生可以自主监控整个实验过程,发现问题及时解决．

2.3 强化积极的认知体验,提高自我效能感

元认知体验即主体伴随着认知活动而产生的认知体验或情感体验,知的体验和不知的体验．元认知的体验会给学习者带来满足感和自豪感,但不知的体验却会使学习者感到沮丧,产生焦虑．这是因为困惑或失败的体验可能使人放弃原定的目标;遭受挫折的体验可能放弃对自己已有的元认知知识进行补充、修改或删除;而积极的认知体验可以刺激认知或元认知策略的产生,会有意识地完善自己的元认知知识体系．为了使学习者从不知的体验过渡到知的体验,教师一方面要帮助学生分析实验中遇到的问题,避免焦虑感的产生;另一方面运用情感策略调控学生的情绪,使他们克服焦虑心理,正确对待学习过程中的挫折,增强实验学习的自信心,获得更多积极的情感体验．例如在利用电位差计测电动势和内电阻实验中,线路连接正常,但在测量电池的电动势时,检流计指针始终朝一个方向偏转,学生可能会怀疑是线路连接错误,几次检查线路连接都没发现问题,又怀疑是电池极性接反,经检查也无误,学生显得束手无策,急躁、焦虑情绪机会产生．对此教师要进行有针对性地引导学生进行分析,及时疏导学生的焦虑感,引导他们找出具体的解决办法．

2.4 利用问题检测卡,加强课后反思训练

为深化对实验问题的理解,揭示出实验课题的本质,要求学生在完成实验课题后围绕实验内容思考相关问题,促使学生元认知技能的提高．通过长期的训练可以使学生养成一套“设置课后问题——学生反思——自我解释”的实验思维训练模式,使学生深刻理解“在问题中成长,在反思中成熟”的道理．例如学生在完成测电源电动势和内阻的实验后,设计问题检测卡以进一步理解实验:第一，电路中安培表的内、外接法判断依据是什么?第二，若是测量干电池的电动势和内阻,则应如何选择电压表和电流表,若实验中提供的电流表不符合需要,如何处理．第三，若图像中纵坐标的起点不是零点,则如何处理数据以求出电池的内阻．第四，教材中采用限流式接法连接滑动变阻器,那是否可采用分压式接法来连接,判断依据是什么?第五，若采用外接法,测量的U-I曲线与实际的曲线在哪个轴上相交于一点,真实曲线是在测量曲线的左方还是右方,并定性进行分析;如若采用内接法呢?等等．

元认知理论为我们深入认识学习困难学生的学习特点和规律提供理论根据,为实验教师转变教育观念、实施实验素质教育提供一个积极的参考,为开展实验教育研究和教学实践提供了一个新的切入点．

1 左志宏,席居哲. 三种学业成绩水平学生元认知、学习动机比较[J].中国特殊教育,2005(5):69-74.

2 董奇.关于学生学习自我监控的实验研究[J].北京师范大学学报(社会科学版),1995(1):87.

3 胡志海,梁宁建.学习不良学生元认知特点研究[J].心理科学,1999(4):354.

4 程素萍.问题解决中的元认知研究综述[J].教育理论与实践,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.远程学习者元认知与学习效能感关系分析与研究[J].中国远程教育,2007(12):40-43.

7 胡志海等.对大学生元认知特点与非智力因素关系的研究[J].心理科学，2002, 25(4): 435-439.

2017-03-01)