运用元认知教学提升学生解题能力

陈汝深

元认知实质是对认知活动的自我意识、自我监控和自我调节。它包括元认知知识、元认知体验、元认知监控三方面的内容，三者通过相互影响、相互联系、协同作用来调节整个认知活动的。元认知训练能够提升学生对思维过程的意识和控制，从而有效地对自己的学习进行管理，提高学习能力以及学习成绩。不但能促进他们对知识的获取，而且能使他们在监控和调节自己学习过程、学习（解题）策略的同时，促进自身的思维品质发展和思维能力的提高。以下就物理实验题解题为例，阐述运用元认知教学提升即将参加高考学生的解题能力。

一、开发元认知层面活动，开展元认知训练

在课堂教学中，开发元认知层面的活动，让学生进行元认知训练有三个方面：增加学生的元认知知识，提高学生在认知过程中的自我监测意识，培养学生对认知活动主动控制的能力。具体来讲，可采用回顾、比较、归纳、汇总、反思、讨论、分享等外显的思维“言语化”方式组织教学，并注重以监测判断为依据采用有效认知策略的能力等途径开展。

例1 一同学测量某干电池的电动势和内阻。

（1）如图1所示是该同学正准备接入最后一根导线（图中虚线所示）时的实验电路。请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处。

（2）实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I，以及计算的1/I数据见下表：

根据表中数据，在答题卡的方格纸上作出R-1/I关系图像。由图像可计算出该干电池的电动势为V;内阻为Ω。

（3）为了得到更准确的测量结果，在测出上述数据后，该同学将一只量程为100mV的电压表并联在电流表的两端。调节电阻箱，当电流表的示数为0.33A时，电压表的指针位置如题3图所示，则该干电池的电动势应为V;内阻应为Ω。

在指导学生解题时，引导学生按以下步骤进行元认知训练：

分析题意：引导学生以“实验的目的是——实验原理——电路连接的安全规范——数据处理方式——与图像坐标对应的关系式”的思路分析题意，组织学生讨论过往找关系式的经验是什么？讨论本实验的误差是如何产生的，分析减少误差的方法是什么？分析题意环节有电路分析、图线建立、误差分析等认知策略训练和实验原理回顾，与过往相关实验的对比（比较）的元认知策略训练。

解答问题：电路连接的安全规范要求连接时电键要断开、滑动变阻器（电阻箱）阻值要调到最大;根据全电路欧姆定律，按图像坐标要求先写出相应“原理式”E=I（R+r），然后变形为R=E（1/I）-r，获得图线斜率与截距的物理意义;因安阻法测量的内阻为r_测=r_真+r_A，故引入电压表可算出电流表电阻rA，从而获得电源内阻准确值。解答问题环节，进行了电路安全知识和误差来源的认知策略训练，也开展了建立与图像坐标对应的关系式的“原理式”的选择（回归）的元认知策略训练。

反思、讨论与交流：本题考查了电路的什么知识（电路安全、全电路欧姆定律）？数据处理的基本方法是什么（基于全电路欧姆定律的变形关系式与图像结合）？这种方法之前在哪些场景中应用过（力学实验中的应用）？回顾测电源电动势和内阻的两种基本实验电路的误差分析是如何进行的？本环节教师把实验原理分析、与图像坐标对应关系式的建立即数据处理的基本方法、反思总结抽离出来，让学生分析讨论（回顾、反思与比较，出声回答、思维言语化），开展并强化元认知策略的训练与积累。

例1的元认知教学过程，就是将元认知从认知活动中有意识地抽离出来，把教学活动划分为两个层面：一是以知识获得、技能习得为目的的教与学活动层面为认知层面;二是以知识获得、技能习得过程为对象，进行回顾研究，以形成方法为目的的教与学活动层面为元认知层面。学生只有在认知层面有“亲历”，才能上升为元认知层面的“回顾”，进而将自己的学习进程、解题思路上升为解题策略。所以，形成元认知知识的关键环节在于开发元认知层面的活动。

二、积累元认知策略，提升实验题解题能力

（一）通过回顾归纳，巩固对实验原理的认知

高三物理实验题，都可以从考试大纲中列出的基础实验中找到原理、数据处理方法以及误差分析方法，同时学生通过解题经历，也积累了丰富的认知策略，在教学过程中，可以采用回顾、归纳的方式，让学生从题目向基础实验“溯源”，通过这样的元层面活动，使学生逐步形成元认知策略。即通过元认知开发和训练，促使学生形成认知策略、元认知策略和科学思想。

（二）通过方法凸显，将解题方法显性化

物理实验必然要进行数据处理，从而得到实验结果。实验数据处理的方法有很多，而通过图像处理数据是其中重要的方法，有直观、减少偶然误差等优点。找出与图像对应的关系式是解题的核心，由此，教师指导学生回顾不同实验（比较），进行找关系式的方法提炼（归纳），得出从实验原理找“原理式”（回归，凸显），从而找到数据处理的突破口。这种通过实验回顾、知识归纳、方法凸显的活动就是元认知层面的活动。

（三）通过比较归类，形成科学思维方法

物理科学思维方法是观察和描述物理现象、探索和检验物理规律的基本思维方法，通过元认知教学的一段时间积累，让学生对在元认知层面获得某一方法后，与其他同类的方法进行异同比较、加以归类，让知识系统化。

例2 在测量一节干电池的电动势E和内阻r的实验中，小明设计了如图甲所示的实验电路。

（1）根据图甲实验电路，请在图乙中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。

（2）实验开始前，应先将滑动变阻器的滑片P移至（选填“a”或“b”）端。

（3）合上开关S1，S2接图甲中的1位置，改变滑动变阻器的阻值，记录下几组电压表示数和对应的电流表示数;S2改接图甲中的2位置，改变滑动变阻器的阻值，再记录下几组电压表示数和对应的电流表示数。

在同一坐标系内分别描点作出电压表示数U和对应的电流表示数I的图像，如图丙所示，两直线与纵轴的截距分别为UA、UB，与横轴的截距分别为IA、IB。

①S2接1位置时，作出的U-I图线是图丙中的（选填“A”或“B”）线。

②S2接1位置时，测出的电池电动势E和内阻r存在系统误差，原因是表（选填“电压”或“电流”）的示数偏（选填“大”或“小”）。

题目的第（3）问，是典型的误差分析的问题，在指导学生解题过程中，教师通过开发元认知活动，引导学生分析全电路电压关系、从电压原理式推导与图像坐标对应关系式、误差來源（回顾），然后对比两次操作得出的图线的关系（比较），从而判断出S2接1位置时图线是B线，引起误差的原因是电压表的分流，使电流表示数减少（归纳）。

数据处理及误差分析是实验题解题的两个重要环节，完成以上题后，让学生尝试解决新的问题，让学生从例题训练中习得的数据处理方法和误差来源判断及分析方法（归纳），应用元认知知识进行分析对比，加强元认知监控，整个过程就是在进行元认知教学，就是通过指导学生进行元认知训练，让学生通过归类、比较等科学思维方法，形成该类问题的解题策略，从而提高解题能力。

【注：本文为广州市教育科学规划2018年度课题“元认知理论指导下的高三物理教学策略研究”（课题编号：201811594）研究成果。】

责任编辑 罗 峰