习得元认知在小学STEM课程中的实现路径.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期小学科学教研专题习得元认知在小学STEM课程中的实现路径张黎（中山市东区柏苑中心小学，广东中山 528403）摘要：小学阶段虽然是学生认知能力快速发展的阶段，但受限于身心发育特点，其反省思维和管理自己思维的能力较弱，很难做到同时处理多种信息并持续思考。在STEM课程中开展课前测、设置任务单、进行跟踪评估，通过制订方案、执行控制、检查结果、修正补救等环节解决问题，并在解决劣构问题和多元评价中丰富元认知体验。STEM课程是习得并丰富元认知知识、元认知监控、元认知体验的有力载体，对发展学生的元认知能力有促进作用。关键词：元认知；STEM课程；思维；路径；认知体验；多元评价DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.033元认知是个体关于自我认知过程的知识和调节这些过程的能力，一般包括元认知知识、元认知监控和元认知体验三个部分，三者之间相互联系、相互影响和相互制约1。小学阶段虽然是学生认知能力快速发展的阶段，但受限于身心发育特点，其反省思维和管理自己思维的能力较弱，很难做到同时处理多种信息并持续思考，即小学生直接基于前概念解决复杂的现实问题往往存在困难。STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，其主题来源于真实世界，并且能够实现科学、技术、工程和数学的有效融合，实现各学科零散的知识或技能向跨学科探究并解决真实问题的转变2。跨学科学习对培养学生的创新能力和实践能力起着至关重要的作用，对彰显课程的育人价值，建设教育强国、科技强国和人才强国具有重要意义3。学生在变化的真实情境中对跨学科知识进行建构、解构、重构和迁移，在这种解决问题的过程中不断调整自己的思维和管理自己的思维，形成对认知的认知。这是比仅习得概念知识更高维度、更深层次的学习，即习得元认知。STEM课程是习得并丰富元认知知识、元认知监控、元认知体验的有力载体，对学生的元认知能力有促进作用。1在STEM课程中内化元认知知识元认知知识是关于认知活动的一般性知识，是通过经验积累起来的陈述性知识和程序性知识。它包含认知个体的知识（知人）、认知任务的知识（知事）、认知策略的知识（知术）4。STEM课程需要学生在实践中运用一定的科学探究方法获得新的科学知识，并且将结果应用于核心任务相对应产品的设计与制作之中。为顺利完成任务，学生需要对自身认知水平有所了解，能清晰明了学习任务和目标，并采用对应的学习方法和策略。学生学习STEM课程的过程就是内化元认知知识的过程。1.1在STEM课程中开展课前测知人STEM课程设置课前测，可以帮助学生提高对认知个体的认识，包括对认知个体内部差异、认知个体间差异，以及二者对结果影响因素的认识。如美国科学教材 太空与技术 第四级的“有效载荷如何影响火箭模型的运行距离？”STEM 主题，就融合了科学、技术、工程、数学、阅读、信息等多学科知识。在学生开展课程学习前，教师对学生的相关学科知识进行详细调查，学生由反馈结果知道自己的优势科目和薄弱点，就能在后期课程开展的过程中进行分工与协作。对自身认知水平的了解，是学生后期不断调整计划、方案，采取元认知策略的基础5。1.2在STEM课程中设置任务单知事STEM课程设置任务单，有助于提高学生对认知任务的认识。STEM项目的主题任务往往是复杂、多元、劣构的，需要将其分解和细化，让小学生明确任务的指向以及任务对认知的影响。浙江省籍教师黄晨煜的 862023 年第7期小学科学教研专题“飞船安全着陆器”STEM课例，将核心任务“设计一个能安全着陆的宇宙飞船（杯子），挑战从 1.2 m 高处落下，杯子不翻倒、杯中弹球不掉落”分解为7个主题：了解飞船着陆、怎样安全着陆、研究空气阻力与减速、研究缓冲与平稳着陆、安全着陆测试、优化着陆装置、飞船博览会等6。在任务清单中，学生思考不同认知活动的目的和任务之间的关系，各分支任务对完成核心任务所起的作用和影响。任务清单使学生更加明确自己想通过这一课程学习到什么，哪方面的能力将得到怎样的提升等。1.3在STEM课程中进行跟踪评估知术在STEM课程中进行跟踪评估，提高学生对认知策略的认识。认知策略是学习者加工与处理信息的一些方法和技术，包括复述策略、精加工策略和组织策略等。STEM工程技术方面有其固定的流程，如美国科学教材STEM园地“玻璃盆栽”产品开发环节，需要对学生进行阅读策略的评估，以帮助学生及时调整阅读方法5。在制订计划、制作产品环节，对学生信息收集、处理、分析的方法进行评估反馈，引导学生不断调整认知策略，以使学习更高效。在测试、改进环节，对学生的行动力进行评估，引导学生学会变量控制法等实验策略。在产品展示环节，对学生的表述进行评估，促使学生采用更适宜的表达策略。评估贯穿于STEM课程的全过程，使学生在学习过程中及时调整策略，随机应变，灵活使用认知策略指导认知行为。2在STEM课程中强化元认知监控元认知监控即个体在认知活动的全过程中，对自己的认知活动进行监视、控制和调节，以达到预期目标。元认知监控通常包括制订计划、执行控制、检查结果、修正补救等4个步骤7。STEM主题的工程设计部分包含分析真实情境、确立问题、设计方案、制作模型、测试改进、展示交流、反思评价等环节，这些环节并不是完全直线呈现，还包含了迭代过程中的再设计、再制作、再反思。STEM主题活动开展环节与元认知监控同步进行，交织渗透。在一定周期内解决具有一定复杂程度的问题时，学生潜移默化地调用元认知知识，不断强化元认知监控，并在学习过程中自发浸润而形成良好的学习习惯。美国火星教育项目是整合型STEM课程的经典案例，并在教育实践中成功应用。火星教育项目开发了系统而完整的STEM教育解决方案，鼓励和引导学习者在现实或模拟的情境中参与并体验宇航局（NASA）的科学研究和工程技术活动，是一种真实的、实践的、探究式的课程8。在NASA真实火星探测项目实施过程中，需要开展科学研究和工程实践活动，如火星教育项目STEM课程内容细分为多个领域，每个领域由一系列的主题课程构成，而各课程又包括参与、探索、解释、迁移、评估和拓展环节。以火星教育项目 STEM 课程中“如何制作太阳系的距离模型”这一代表性的专题课程为例，介绍在小学阶段STEM课程中浸润渗透元认知监控的实施过程5。2.1制订方案在认知活动开始之前，通过了解认知任务的性质、特点，提出实施任务的步骤，思考可选用的策略，制订完成任务的方案，以及预估执行的结果等。每一项STEM活动的开始都是从分析真实情境、确立问题、设计方案开始，根据研究目标制订有针对性的研究计划是活动顺利开展的基础。在“如何制作太阳系的距离模型”这一大主题中，学生需要制订阅读计划，了解太阳系行星的各自特点；需要制订制作模型计划，从选材到结构设计等逐一构思；需要制订测量计划，选择何种工具、如何使用工具、数据记录分析整理等，也要有详细而周全的考虑。2.2执行控制在认知活动过程中，及时评价、反馈认知活动中的相关信息若与认知目标相一致，则继续下去，逐步接近目标；若与认知目标相背离，则及时修正、调整认知策略。在制作太阳系的距离模型时，选择1 cm 1 940 000 km（约）的比例，有小组用“m”作标准单位，发现海王星距离太阳有23 m，使用橡皮泥、沙盘模型在室内课桌上无法完成，在征得教师同意后改为采用人充当太阳，用米尺作为测量工具，在操场各行星位置做上标记。也有小组调整比例，在室内沙盘上就制作出了太阳系的距离模型，然后标出直线距离。通过解决复杂的STEM问题，学生不断修正和调整执行过程，达成了优化和重构元认知策略的目标。2.3检查结果根据认知目标评价自己的认知结果，学生可以判 87SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期小学科学教研专题断自己是完全达到，部分达到，还是根本没有达到。STEM课程的成果展示、交流环节是思维活动外显的过程，能让学生在检视成果和互动答辩中进行反思，促使个体元认知监控发生。例如，学生参与了小组制作的全过程，并在展示交流中对自己和他人的产品（模型）进行对比分析，这就有利于学生对研究计划、研究方法、创新程度等方面的认知，自然对目标达成度有更清晰和更全面的评价，从而为产品的迭代更新提供方向。2.4修正补救根据对认知结果的检查，对存在的问题采取可行的补救措施。当问题长时间没有得到解决时，学生需要调动元认知，打破固定思维，跳出原有思维框架，站在更高处审视思维。例如，太阳系各行星并不是在一条直线上排列的，学生在制作模型时除了要思考太阳到行星的距离外，还要思考各行星间的距离，而此数据在美国科学教材上并没有给出，需要学生查阅其他资料获得相关数据，据此对模型进行反复修正，以还原事物最真实的情况。3在STEM课程中外化元认知体验元认知体验是人们从事认知活动时产生的认知和情感体验，它包括知的体验和不知的体验，可发生在一个认知活动以前、以后或持续期间9。真实、复杂、多元的STEM项目问题能为学生的学习增添趣味性和动力，学生在解决问题的过程中经历失败或成功的情感体验，必然会增进和丰富元认知体验。在享受STEM学习的过程中涵养性情，能够外化为一种宠辱不惊、浓淡相宜的高尚品性和修养。3.1劣构问题增进元认知体验STEM项目的问题多以劣构问题为主，没有固定、统一的求解方式，学生很容易经历认知冲突，从而频繁启用元认知监控，在审视和修正自身认知知识和认知策略中密集体验困惑、顿悟、沮丧、欣喜等复杂的情感，增进元认知体验。如美国科学教材 STEM 学习主题“哪种运输系统效率最高？”由 3 个劣构问题“技术如何影响我们的生活？”“什么是新技术？”“技术如何帮助我们获得能源？”构成学习支架，都是开放性较高、难度较大的问题，需要学生进行系统、深入的研究，像科学家一样去思考。学生在解决一个个的劣构问题的过程中，经历障碍和困难，收获成功与喜悦，体验科学研究的心路历程5。3.2多元评价丰富元认知体验STEM教育强调在学习过程中获得知识与技能，其侧重点在活动过程的检测和诊断中不断反思、修正。即时、多元、覆盖全过程的STEM评价体系能促进学生对学习过程的审视，丰富元认知体验。但也要看到：有学生在制订计划时天马行空、不切实际，但在创新能力上较为突出；有学生在动手操作能力上较弱，但善于团结协作、乐于助人。因此，教师要从多角度、多主体进行评价，让学生既体验到知的成功感，也体验到不知的挫败感，以期收获整个学习过程中的情感体验，不断浸润和丰富性情，促进个体元认知能力的提升。苏格拉底曾经说过“无知之知”，即“我知道，自己多么无知”。元认知可以促使人的注意力从外在的问题转移到内在的思维加工过程，是更高维度的迁移和提升，对人的智力、思维的发展起着重要的作用。STEM项目就是在解决复杂问题的过程中促使学生从更高维度检视自己的思维加工过程，综合运用多学科知识，在反思中建立系统、连贯、完整的认知结构，实现从感知、理解、推理到创新的思维进阶，从而提升元认知能力。参考文献1 安妮塔伍尔福克.教育心理学：主动学习版 M.伍新春，董琼，程亚华，译.北京：机械工业出版社，2021.2 中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）S.北京：北京师范大学出版社，2022.3 郭伟，陈旭远.科学教育视域下的跨学科概念教学：理论内涵与实践路径 J.中国教育科学，2023，6（2）：58.4 李福灼.元认知及其在作文教学中的运用 J.广西师院学报，2000，21（4）：94-97.5 蒂莫西库尼，等.美国小学标准科学教材 美国科学 M.钟明国，李秀琳，译.福州：福建教育出版社，2018.6 邵锋星.科学素养怎样教 M.北京：教育科学出版社，2021.7 周迎春.让学生学会管理自己的思维：基于元认知培养的STEM项目实施 J.人民教育，2019（12）：54-57.8 杨彦军，饶菲菲.跨学科整合型STEM课程开发案例研究及启示：以美国火星教育项目STEM课程为例 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