元认知支架对小学高年级虚拟科学探究中科学概念学习影响的实证研究

摘要：科学概念学习是科学教育核心素养的重要组成部分，融入“预测-观察-解释”策略（POE策略）的虚拟科学探究平台能够有效支持学习者通过科学探究学习科学概念。然而，由于虚拟科学探究环境中缺乏面对面的指导，元认知支架显得尤为关键。为了考察元认知支架对小学高年级虚拟科学探究中科学概念学习影响及其机制，以两种实验条件（有元认知支架、无元认知支架）为自变量，以科学概念学习结果（包括再认、理解和迁移）、信心判断为因变量，考察元认知支架对小学高年级虚拟科学探究中科学概念学习影响。研究结果表明：元认知支架能够显著提高小学高年级学生对科学概念的理解和迁移，且显著提高其对于科学概念学习的信心判断。中介效应分析进一步发现，元认知支架能够部分通过提高小学高年级学生对科学概念迁移的信心判断来提高其迁移成绩。研究结果为虚拟科学探究活动中元认知支架的设计及教育应用提供了重要参考。

关键词：虚拟科学探究；科学概念学习；元认知支架；信心判断

中图分类号：G434 文献标识码：A

* 本文系2024年度国家自然科学基金青年项目“教育神经科学视角下人机协同环境中学习策略的构建及发生机制研究”（项目编号：62407022）、江苏省高校哲学社会科学研究重大项目“iVR学习环境中学习者的认知与情感交互作用机制研究”（项目编号：2023SJZD030）研究成果。

一、引言

2022年4月教育部印发了《义务教育科学课程标准（2022年版）》（简称新课标），明确提出立足学生核心素养的发展。核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践和态度责任，其中，科学观念“既包括科学、技术与工程领域的一些具体观念，如对物质、能量、结构、功能、变化的认识；也包括对科学本质的认识，对人与自然关系的认识，以及对科学、技术、社会、环境之间关系的认识；还包括科学观念在解释自然现象、解决实际问题中的应用”。由此可见，科学概念不仅包括科学知识和思维方式的基本概念，还包括体现科学本质和科学应用价值的科学概念，是科学教育核心素养的重要组成部分，应得到充分重视。

科学概念通常具有抽象性、复杂性等特点，学生在理解过程中可能会遇到认知上的困难。小学高年级学生处于认知发展的具体运算阶段向形式运算阶段过渡期，逐渐具备了抽象思维能力，然而在理解复杂科学概念时仍需要具体的、直观的支持。智能技术（生成式人工智能和虚拟现实技术等）支持下的虚拟探究平台为科学探究活动提供了一个丰富且互动的学习平台，在此环境中，学生可以通过模拟实验和探究式学习，深入理解科学概念。实证研究发现，通过虚拟实验，学生能够更好地理解电路和电流等抽象概念[1]；虚拟探究活动也有助于学生在学习物质的性质和变化时构建更准确的概念模型[2]。

元认知支架也被证明在提升学生的科学概念学习方面具有积极作用[3]。由于虚拟科学探究环境中缺乏面对面的指导，元认知支架显得尤为重要。有研究在虚拟科学实验的研究中使用了元认知支架，并要求学生定期做出信心判断，结果发现，元认知支架不仅帮助学生提高了信心判断，还促进了科学概念的深入理解[4]。之前该领域研究大多数集中于高中阶段[5][6]，考虑到小学高年级阶段的元认知监控水平得到了较大发展且相对稳定[7]，此阶段也是核心素养发展的关键期，因此本研究以小学六年级学生为被试，借鉴前人关于元认知支架对学业表现影响的研究范式[8][9]，通过元认知监控中信心判断这一指标，深入探讨虚拟科学探究活动中元认知支架对学生科学概念学习的影响。

二、理论基础与研究假设

1.融入POE策略的虚拟科学探究学习环境

科学概念知识是科学素养的重要评价指标之一，科学探究学习是提高学习者科学概念理解的重要方法[10]。虚拟科学探究通过提供多感官、多模式的学习体验，让学生在不受现实条件限制的情况下，反复进行实验和探究，以加深对科学概念的理解。“预测—观察—解释”策略（Predict-Observe-Explain，简称POE策略）[11]是一种有效的科学探究策略，有助于学习者的概念理解和科学学习[12]。POE策略可以应用于促进学生科学学习并帮助其更好地理解科学知识的产生和发展。已有研究将虚拟探究活动与POE策略相结合，并应用于五年级学生的科学概念理解教育中，研究结果表明，融入POE策略的虚拟探究活动可以显著提高学生的科学概念理解[13]。

2.元认知支架与科学概念学习

元认知（Metacognition）是指个体对自己认知过程的认知[14]，元认知支架（Metacognition Scaffolding）作为一种教学策略，通过提供指导和支持，帮助学生更好地理解和控制学习过程，从而提升学习效果。科学教育中的元认知支架通过引导学生进行深度思考和反思，能显著提升学生对科学概念的理解和科学探究技能[15]。尽管有研究探讨了元认知支架在虚拟学习环境中对学生科学探究技能的发展具有积极影响[16]，但元认知支架对虚拟科学探究活动中的影响研究还不够深入、机制尚不清晰。

元认知具有以下三个维度[17]：（1）可理解性：这个解释对我来说讲得通吗？（2）合理性：我认为这个解释是一个可能的解释吗？（3）广泛适用性：我能把这个解释应用到我所学之外的情境中吗？这三个维度对应学习者如何处理、内化和应用所学知识的过程。学习者在接触新知识时，首先需要能够识别和再认所学内容，当学习者在元认知层面问自己“这个解释对我来说讲得通吗”，实际上是在确认自己是否能够识别并初步理解所学内容。合理性指的是学习者评估所学内容是否在逻辑上合理或可能，这一步超越了简单的再认，是深入理解和掌握概念的关键环节。广泛适用性关注学习者是否能够将所学知识应用到新的情境中，这直接与迁移有关，即将学到的概念、原理或方法应用到不同的领域或情境中。以此为基础，本研究在虚拟科学探究活动的POE阶段设置相应的元认知支架，深入探讨元认知支架对学生科学概念学习的影响。

假设1：在虚拟科学探究活动中，元认知支架能够显著提升小学高年级学生科学概念的学习（包含再认、理解和迁移）。

3.元认知支架与信心判断

信心判断作为元认知监控的重要组成部分，是指学生在执行任务时对自己表现的自信程度的判断[18]。信心判断不仅影响学生对任务的投入程度，还影响他们在面对挑战时的坚持与策略选择。当学生能够准确地判断自己的信心水平时，他们更可能根据需要调整学习策略，从而提升学习效果。学生在科学探究学习过程中往往存在信心偏差，即他们对自己任务表现的信心判断与实际表现不一致，这种偏差可能表现为过度自信或自信不足[19]。过度自信的学生可能会低估任务的难度，从而在学习过程中缺乏有效的策略调整；而自信不足的学生可能会低估自己的能力，从而减少对任务的投入或放弃挑战。元认知支架通过促进学生的自我反思和自我评估，有助于减少信心偏差。例如，元认知支架可以帮助学生识别任务中的关键难点，并通过提示或反馈，引导学生对其表现进行更为准确的评估，这种支持不仅能提高学生的任务表现，还能增强他们的信心判断的准确性，从而促进更加有效的自我调节[20]。

假设2：在虚拟科学探究活动中，元认知支架可以提高小学高年级学生对科学概念学习的信心判断。

4.信心判断在元认知支架和科学概念学习中的中介作用

信心判断是学生在学习过程中对自己任务表现和理解程度的主观评估，它反映了学生对自己学习过程的掌控感。信心判断对学生的学习成就有着重要的影响，当学生能够准确地判断自己的信心水平时，他们更可能根据实际需要调整学习策略，从而提高对科学概念的理解，研究发现，信心判断更准确的学生在最终的科学概念测试中表现更好[21]。元认知支架对科学概念学习的影响不仅仅是直接的，更是通过信心判断这一中介机制间接实现的。元认知支架提高了学生对其学习过程的自我监控能力，而这种增强的自我监控能力反映在信心判断上；信心判断进一步影响了学生在科学学习中的策略选择和坚持性，从而最终影响了科学概念的理解水平。有研究者探讨了信心判断在学习策略选择中的作用，并强调了元认知支架如何通过增强学生的信心判断，促进其科学概念的理解[22]。

假设3：信心判断影响科学概念的学习。

假设4：信心判断在元认知支架和科学概念学习之间起到正向中介作用。

三、研究方法与设计

1.研究设计

本研究采用单因素两水平组间设计，以北京师范大学郑娅峰团队自主研发的小水滴在线虚拟科学探究平台为实验环境[23]，在实验过程中，实验组使用了元认知支架，控制组没有元认知支架支持，开展为期三周的实验，因变量为科学概念的学习结果（包括概念测试的再认、理解、迁移）和信心判断。

融入POE策略的虚拟科学探究平台中元认知支架的设计：POE策略鼓励学生先对实验结果做出预测，然后观察实验现象，最后解释实验结果。“小水滴虚拟科学实验自主探究学习平台”是基于POE策略的在线虚拟科学探究平台，在POE各个阶段设置相应的元认知支架，元认知支架的设计如表1所示，（1）预测阶段：通过元认知计划视频字幕提示，提供预测引导问题情境，帮助学生预测实验结果，以促进学生提前思考实验过程及其可能结果，提升科学概念的初步理解，具体视频内容为：“家里停电了，小明设计了一个水力发电的装置，打开水龙头，水流带动风车转动，灯泡会发出可见光”。（2）观察阶段：在系统提供线索后，如果学生仍然无法回答问题，系统会提示学生观察特定科学现象的演示或阅读相关信息，例如选择对应观察现象（例如，水流流动方向）、推理能量变化过程（例如，从高处流下的水流具有什么能）。（3）解释阶段：如果学生在观察演示和阅读相关信息后仍然无法回答问题，系统会提供答案的解释，帮助学生反思和解释实验结果（例如，基于什么理由得出这样的结论），促进学生深度思考实验结果的意义，加深对科学概念的理解。

2.参与者

本研究选取南京市玄武区C小学六年级的两个班级：一个班级38名学生（男生21人，女生17人）为实验组（即元认知支架组），另一个班级33名学生（男生19人，女生14人）为控制组，两组参与者的性别比例不存在显著差异（χ2=0.038，p=0.845）。在参加准实验前，实验得到学校官方的许可，学生和家长在告知研究目的、研究方法和相关程序后签署了同意书。两个班级是同一位授课老师，教学内容是苏教版小学科学六年级下册“神奇的能量”这一专题，包括三个知识单元：什么是能量、各种各样的能量、能量的转换。在准实验过程中，有2名助教观察学生的学习过程并及时解答虚拟仿真科学探究平台使用过程中的问题。

3.工具

在这项准实验研究中，学习活动在3节课中进行。在干预前后，实验组和对照组都进行了关于“能量转换”相关概念的纸笔测试以及信心判断。

（1）科学概念理解测试题目的设计。研究中的科学概念测试是依据《义务教育科学课程标准（2022年版）》针对虚拟科学探究学习内容专题进行的题项设计，题项中的概念有：机械能、化学能、势能、动能等概念，通过测试学生概念解释、记忆识别、知识运用方面的能力来评估学生的科学概念学习。再认测试题目包括三个选择题（每题1分），四个判断题（每题1分），总分为7分；理解测试题目包括四个选择题（每题1分），四个填空题（每题1分），总分为8分；迁移测试题目包括四个选择题（每题1分），一个论述题（每题4分），总分为8分。得分越高，表示对科学概念的掌握程度越高。这些题目依据新课标中的学业要求和学业质量并结合苏教版小学科学期末测试内容设计。测试内容经过两位经验丰富的小学科学老师的审核，以确认测试的内容有效性。

（2）信心判断题目的设计。特定任务的信心度量已成功用于评估元认知监控过程[24]，学生在完成概念测试的每个测试题目后，都要对自己的表现进行信心判断（具体题目为：对上面作答的信心程度如何？），采用4点记分，0表示非常不自信，3表示非常自信。最后转换为1分制，0分对应非常不自信、0.33分不自信、0.67分自信、1分非常自信。

4.实验流程

在本研究中，为了多维度地测试小学生对科学概念的学习情况，研究者设计了一套涵盖再认、理解和迁移三个层次的测试题目。为了控制无关因素干扰，专注元认知支架对小学生科学概念学习的支持作用，本研究前测与后测试卷相同。这些题目旨在全面评估学生对科学概念的理解深度、识别能力以及将所学知识应用于新情境的能力。

第一次课：虚拟科学探究平台初探（预备课程）。第一次课的知识单元主题为“什么是能量”和“各种各样的能量”，帮助学生理解机械能等能量的基本概念。所有学生首先通过虚拟科学探究平台的预备课程熟悉平台操作（包括平台账号登录和课程选择）。学生将了解POE策略中各模块的特点，并学习如何在平台内进行正向与反向跳转，这些跳转功能能够反映学生从实验中寻找证据和完善论点的过程。该过程旨在帮助学生为后续的正式探究做好准备。最后，学生将完成一个简单的探究任务，以便适应平台操作和探究流程。

第二次课：虚拟科学探究——基于元认知支架的虚拟科学探究。第二次课知识单元主题为“能量的转换”，在学生理解能量的形式的基础上，探讨不同能量形式之间的转换过程，帮助学生理解能量如何在不同形式之间转化，并应用于实际生活中。实验组的学生将接受基于元认知支架的虚拟科学探究。课程将从预测阶段开始，通过元认知计划的视频字幕提示，引导学生思考实验结果，并促进他们对科学概念（学习哪些科学概念）的初步理解。在观察阶段，系统会根据学生的表现提供线索，帮助他们集中注意力于特定的科学现象，并推理能量的变化过程。在解释阶段，系统将为无法正确回答问题的学生提供解释，帮助他们反思并加深对科学概念的理解。对照组学生将同样完成探究任务，但没有元认知支架的指导。

第三次课：虚拟科学探究结果反馈——虚拟科学探究结果反馈与元认知支架巩固。第三次课不再额外教授知识单元，而集中于探究结果的反馈与技巧的巩固。对照组学生将获得正确答案，以验证其探究结果的准确性；实验组学生除了得到正确答案外，还将完成一个元认知监控任务单，引导学生记录下探究过程的预测结果、探究现象、科学解释与自我反思。该任务单旨在通过分步骤的记录与反思，强化学生的元认知能力，并帮助他们更深入地理解科学概念。

在三个课时结束后进行后测。为了保持测试难度一致，后测题目与前测相同，旨在评估元认知支架对于小学生科学概念学习的作用。实验流程如图1所示。

四、数据分析

1.描述性结果与操作性检验

为了考察元认知支架对小学高年级虚拟科学探究中科学概念学习影响及其机制，以两种实验条件为自变量，以科学概念学习结果（包括再认、理解和迁移）、信心判断为因变量，进行分析。本研究涉及的各变量描述性统计如表2所示。

尽管本研究随机选择了两个班级作为实验组和对照组，但为了进一步确保实验组和对照组平行，采用独立样本t检验对两组被试对科学概念学习内容掌握情况的前测（包括前测的再认、理解和迁移）进行差异性检验，两组被试科学概念学习的前测存在显著差异：理解前测：t=-4.90， p=0.00， d=-1.17，实验组（元认知支架组）再认前测显著高于控制组，迁移前测：t=-4.24， p=0.001， d=-1.01，元认知支架组迁移前测显著高于控制组；在再认前测上不存在显著差异，t=-1.89， p=0.06。因此，在后续分析中，为了控制两组在前测上的差异对本研究结果的影响，在后续分析中将理解前测和迁移前测作为协变量，采用协方差分析（ANCOVA）考察元认知支架对学科概念学习的影响。

2.元认知支架对科学概念学习和信心判断的影响

3.信心判断在元认知支架和科学概念学习的中介效应检验

基于上述分析，元认知支架对科学概念学习和信心判断的影响具体表现为对理解和迁移的影响，因此，中介效应的分析聚焦于理解信心判断和理解成绩、迁移信心判断和迁移成绩分别进行模型构建和检验。采用Hayes编制的SPSS工具包Process[25]中的Model 4，在控制理解前测和迁移前测后，使用Bootstrap法，通过5000次样本抽样估计中介效应95%CI对假设的模型进行检验，以p<0.05为差异有统计学意义。

对理解成绩来说，路径分析结果（非标准化系数）表明：支架类型可以显著正向预测理解信心判断（β=0.20， p=0.02），但无法正向预测理解成绩（β=1.04， p=0.10），理解信心判断无法显著正向预测理解成绩（β=1.20， p=0.18）。采用Bootstrap抽样的方法对中介效应进行检验，结果表明支架类型到迁移成绩的直接效应量为1.04，95%CI为[-0.22， 2.29]，包含0，直接效应不显著；支架类型到迁移成绩的间接效应量为0.24，95%CI为[-0.07， 0.85]，包含0，因此间接效应不显著。该结果提示：理解信心判断在元认知支架和科学概念学习理解成绩中的中介作用不显著。

对迁移成绩来说，路径分析（非标准化系数）结果表明：支架类型可以显著正向预测迁移信心判断（β=0.23， p=0.01），迁移信心判断显著正向预测迁移成绩（β=1.88， p=0.05），支架类型显著正向预测迁移成绩（β=1.73， p=0.01），如图2所示。相关影响路径图如图2所示。采用Bootstrap抽样的方法对中介效应进行检验，结果表明支架类型到迁移成绩的直接效应量为1.73，95%CI为[0.35， 3.11]，不包含0，直接效应显著；支架类型到迁移成绩的间接效应量为0.44，95%CI为[0.004， 1.19]，不包含0，因此间接效应显著。该结果提示：迁移信心判断在元认知支架和科学概念学习迁移成绩中起到中介的作用。

五、讨论

本研究主要考察了元认知支架对小学高年级虚拟科学探究中科学概念学习影响。本研究对于元认知支架的作用有如下发现：首先，元认知支架通过引导学生进行自我监控，SyEPbQi2SlqGdTLEvSqZ6g==帮助学生意识到自己的理解和学习进程，这种自我反思能够促使学生在学习过程中进行调整，提高学习效果；其次，学习效果的提升主要表现在对科学概念的理解和迁移上；再者，元认知支架显著提高其对于科学概念学习的信心判断；最后，中介效应分析进一步发现，元认知支架能够通过部分通过提高小学高年级学生对科学概念迁移的信心判断来提高其迁移成绩，这揭示了元认知支架影响小学高年级学生虚拟科学探究中科学概念学习的可能机制之一。本研究为教育工作者和技术设计者提供了科学依据和实践指导，帮助其更好地设计和应用虚拟科学探究平台中的元认知支架，从而优化学生的学习效果。

1.元认知支架能够显著提升小学高年级学生科学概念学习的理解与迁移

本研究发现，元认知支架对学习者科学概念理解和迁移有显著的促进作用，这与已有研究发现一致[26]，即在编程教育中元认知支架不仅有助于促进学习者的学习动机，而且带来更好的迁移表现。元认知是一种强大的学习预测器[27]，元认知实践可以提高不同年龄和不同认知能力的学习者在不同学习领域的学术成就，包括科学概念的理解和迁移[28]。剑桥评估国际教育简报指出，元认知技能帮助学生将知识从一个情境迁移到另一个情境或新的学习任务中。由此可见，在科学探究活动中，教师可以通过提供支持来帮助学生掌握元认知技能，例如解释如何将学过的知识应用于新的学习任务中。然而，本研究结果没有发现元认知支架对科学概念再认的积极作用，可能的原因是再认往往只涉及识别或辨认之前学过的信息或知识，这种表层信息的再认可能更多依赖于记忆的自动化过程，而不是通过元认知策略的深度加工。因此，元认知支架在促进深度学习和知识理解、迁移方面可能更为有效，但对简单再认的影响则相对有限。认知理论强调元认知的核心在于对认知过程的监控和调节，而非仅仅增强对信息的记忆[29]。因而，元认知支架旨在帮助学习者更好地理解和应用知识，而不仅是记住知识的表面形式。

2.元认知支架可以提高学生对科学概念学习的信心判断

本研究发现，元认知支架组对于科学概念再认、理解和迁移的信心判断显著高于控制组，这一结果提示元认知支架能够显著提高学生对科学概念学习的信心判断。根据元认知理论[30]，元认知支架通过促进学生对自己学习过程的监控和调节，增强了学生的自我效能感。元认知支架提供的反馈和自我评估工具使学生能够清晰地了解自身的学习进展，从而提升了对自身能力的信心。本研究结果在虚拟科学探究的在线学习环境中为元认知理论提供了实证支持。此外，本研究结果也与近期实证研究结果一致[31]，该研究讨论了信心和不确定性的心理、计算和神经基础，以及这些因素如何影响人类元认知，对自己（假设的）决策或行动的命题置信度。命题置信度是由观察者的世界模型及其认知系统决定的，这些模型可能或多或少准确，从而解释了为什么元认知判断是推理性的，有时与任务表现存在偏差。因此，尽管元认知支架能提升学习者的信心，但这种信心与实际学习表现之间的关系可能受到多种因素的影响，包括认知模型的准确性和任务要求。这一发现强调了在教学实践中应关注如何优化元认知支架的设计，以更准确地反映和提升学生的实际学习效果。

3.迁移信心判断在元认知支架和科学概念学习迁移成绩中起到中介作用

元认知迁移理论指出，元认知贯穿迁移过程的始终，元认知水平越高，迁移产生的可能性和效果越好[32]。元认知迁移理论强调了认知策略在学习和问题解决中的重要性，认为成功的迁移需要学习者具备自我监督与调控的能力。元认知水平较高的学习者通常会对学习进程进行计划、监控和评估，这有助于优化学习效果并为后续的迁移提供良好基础。雷威等人的研究探讨了信心判断如何影响决策处理以及信心水平如何与元认知监控相联系的，研究表明信心判断是元认知监控的一个重要组成部分，而元认知监控对于学习迁移同样至关重要[33]。

迁移信心判断作为元认知的一部分，在促进学习迁移过程中起到了关键作用，尤其是在元认知支架的环境中，这种作用更为明显。然而，理解信心判断可能没有起到中介作用，这可能是因为它更侧重于对特定知识或技能掌握的评估，而不是对学习迁移过程中的自我监督与调控。这一发现丰富了已有研究对元认知支架作用机制的理解，表明信心判断在学习过程中起到一定的中介作用。相关研究表明，学生的信心水平对其学习动机和成果具有显著影响[34]。因此，在教学设计中融合能够提升学生信心判断的元认知支架，有助于形成良性的学习循环，促使学生更加积极主动地参与科学探究活动。

六、结论与建议

本研究旨在探讨元认知支架对小学高年级虚拟科学探究中科学概念学习影响，研究证实了元认知支架在虚拟科学探究中促进小学高年级学生科学概念学习的有效性，揭示了信心判断在其中的中介作用，为数字化教育环境中的教学设计提供了有益的参考。教育者应重视在虚拟学习环境中整合元认知支架，帮助学生在探究过程中调动元认知监控、促进学习。

科学概念的学习不仅要求学生能够识记和理解，还需要能够将其灵活应用于具体情境中。为了帮助学生更有效地掌握和应用科学概念，虚拟科学探究环境中基于元认知支架的科学概念学习策略应包括目标设定、预测与反思、概念理解与迁移、自我评估和调整等环节。（1）在科学概念学习的初始阶段，应设计具有明确目标的学习任务，并引导学生进行自我监控和反思。具体来说，在学生进入学习活动前，要求他们根据已有知识进行预测，例如预测实验结果或现象。这种预测活动有助于激活学生的先验知识，并为后续的学习活动提供认知框架。在预测之后，可以利用观察和记录工具帮助学生在实验或探究过程中进行细致的观察，以便收集足够的数据进行解释。（2）在概念理解阶段，应加强对学生的引导和反馈，以促进他们对学习过程的反思和自我调控。可以通过问题提示、思维导图、或在线对话等形式，促使学生在学习过程中不断反思他们的思维过程和理解程度。例如，要求学生解释观察到的现象，并对比与预测结果的差异。这种反思活动不仅有助于学生构建对科学概念的深层理解，还能帮助他们意识到认知中的偏差或不足，从而进行有效的自我调整。（3）在概念迁移阶段，应设计多样化的任务情境，以培养学生的迁移能力。元认知支架可以通过提供提示和引导，帮助学生在新情境中识别和应用已学概念。例如，通过提出开放性问题，鼓励学生将所学概念应用于新的科学问题或跨学科情境中。教师可以设计类似于“假如你在另一个实验中遇到类似情况，你会如何处理？”的问题，帮助学生练习概念迁移。（4）为了进一步增强学生的信心判断，应鼓励学生进行自我评估，反思他们在不同任务中的表现和感受。通过引导学生进行阶段性的自我测试和总结，增强他们对科学概念掌握情况的信心和理解。自我评估活动能够帮助学生更清晰地认识到自己的进步和不足，并为下一步的学习设定明确的目标。

从教育实践角度出发，在融入POE策略的虚拟科学探究活动中，教师应根据学生的认知水平和学习需求，设计针对性的元认知支架，帮助学生在科学探究中反思学习过程，监控理解进度，并通过简明的提问和引导，帮助学生逐步深化对科学概念的理解[35]。同时，在“预测-观察-解释”各环节中，设置反思提示，鼓励学生在不同阶段反思和监控学习进展。这种反复反思有助于增强学生对科学概念的掌握及迁移能力。最后，教师应根据学生的表现提供及时反馈，并动态调整支架的难度与形式，逐步减少支架支持，促使学生在不同水平上逐渐增强学生信心与自我调节能力。

本研究具有以下创新：首先，本研究聚焦于虚拟科学探究环境中的教育应用，在虚拟科学探究平台中考察元认知支架的效果，弥补了传统研究多集中于面对面教学情境、以及普通在线学习平台的局限，为远程或在线学习中的元认知支架设计与应用提供了重要参考。其次，本研究采用多维度的科学概念学习评估：通过对科学概念学习的再认、理解、迁移以及信心判断进行综合评估，采用了更为全面的评价体系，深化了对其教育效果的理解。再者，本研究深入探讨了元认知支架对科学概念学习的影响机制，区别于以往主要关注元认知支架对学习结果的直接影响，本研究探讨了其通过提升学生对科学概念的信心，从而间接促进迁移能力的机制，拓展了元认知支架的影响机制研究。最后，从研究群体来看，本研究以小学高年级学生为对象，探讨元认知支架在这一特定年龄段的适用性与有效性，填补了该领域关于低龄学生群体的研究空白，拓展了元认知支架对科学概念学习影响的群体边界。

本研究也存在以下不足：第一，本研究只考察了元认知策略，以往研究发现其他学习策略，例如自我调节学习策略[36]在科学探究活动中的作用，因此未来研究有必要进一步拓展不同学习策略对科学探究活动影响的边界。第二，本研究没有考虑到学生的个体差异，已有研究表明学习者的先前元认知能力会影响元认知策略的使用及其问题解决[37]，未来研究有必要进一步考察元认知策略对不同个体差异学习者的影响。

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作者简介：

单美贤：教授，博士，硕士生导师，研究方向为虚拟现实在教育中的应用、CSCL环境中的情感。

徐睿文：在读硕士，研究方向为教育人工智能。

上官晨雨：讲师，博士，研究方向为学习心理、心理健康。

郑娅峰：研究员，博士，博士生导师，研究方向为在线学习分析、教育数据挖掘、人工智能赋能科学教育。

An Empirical Study on the Impact of Metacognitive Scaffolding on Scientific Concept Learning in Virtual Science Inquiry Among Senior Primary School Students

Shan Meixian1， Xu Ruiwen1， Shangguan Chenyu1， Zheng Yafeng2

1.College of Education Science and Technology， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， Jiangsu 2.Center for Educational Science and Technology， Beijing Normal University， Zhuhai 519087， Guangdong

Abstract： Scientific concept learning is a crucial component of core competencies in science education. Virtual science inquiry platforms， integrating the "Predict-Observe-Explain" （POE） strategy， effectively support learners in acquiring scientific concepts through inquiry-based learning. However， due to the absence of face-to-face guidance in virtual inquiry environments， metacognitive scaffolding becomes particularly important. This study investigates the effects and underlying mechanisms of metacognitive scaffolding on scientific concept learning in virtual science inquiry among senior primary school students. Two experimental conditions （with and without metacognitive scaffolding） were used as independent variables， while learning outcomes in scientific concepts （including recognition， understanding， and transfer） and confidence judgments served as dependent variables. The findings revealed that metacognitive scaffolding significantly enhances students’ understanding and transfer of scientific concepts， as well as their confidence in concept learning. Mediation analysis further suggests that metacognitive scaffolding partially improves students’ transfer performance by boosting their confidence in concept transfer. These results provide valuable insights for the design and educational application of metacognitive scaffolding in virtual science inquiry activities.

Keywords： virtual science inquiry； scientific concept learning； metacognitive scaffolding； confidence judgments

收稿日期：2024年8月29日

责任编辑：赵云建