浅谈高中物理课堂的探究式教学——如何在探究教学中发展学生的元认知能力

刘华扬

(广东北江中学，广东 韶关 512026)

1 引言

新课程的核心理念是“人本思想”,而“人本”的核心是学生的自主学习．自主学习相对于被动、机械和他主学习而言,更为强调学生在学习目标、学习策略和学习成果等方面进行自我设计、自我管理、自我调节、自我监控、自我评价和自我转化等．自主学习能激活学生的学习积极性,促进学生思维能力发展,优化学生思维品质,养成终生学习能力．

以探究的方式学习物理,可以使学生领悟到物理奇妙莫测、应用广泛的“本色”,满足学生好奇、好动、好思的学习心理,能够引导学生主动建构物理知识,主动获取物理信息,主动参与物理科学实践活动等．探究也能使学生关注生活、关注自然、关注社会热点,因此探究式教学是一种沟通学生科学素养与人文素养交融的渠道．

元认知,指的是人对自己认知过程的认知,元认知能力,是人区别于动物所拥有的一种能力,元认知能力关乎个人在认知过程中知识的调节,以及学习和思维活动中知识的控制．因此在科学探究过程中,元认知能力至关重要,我们在科学探究中要着重培养学生的元认知能力．

笔者在物理课堂中将探究式教学与元认知能力培养相结合,提出一种物理教学的新思路,旨在发展学生的元认知能力,同时追求更高的教学效率,进而促进学生的全面发展．

2 元认知概述

元认知(metacognition)由美国心理学家约翰·弗拉维尔(J.H.Flavell)于1976年提出．这一概念提出后很快成为认知心理学的热门课题,并受到教育心理学家的热切关注．此后多位心理学家都对元认知做了定义,虽然每个人的定义和侧重点不尽相同,但基本思想都是一致的,即元认知是对认知过程的认知．

元认知包括元认知知识、元认知体验和元认知监控．元认知知识是认知主体关于自己或他人的认知活动、过程、结果以及相关信息的知识．元认知体验是认知主体随着认知活动而产生的一种认知或情感体验．元认知监控是认知主体为使认知活动达到预定目标而对认知活动所进行的监测和调控．这3个方面虽相互独立,实则密不可分．元认知知识是产生元认知体验的基本条件,元认知体验是形成元认知监控的前提,元认知监控是元认知的目的和核心,这3个方面相互作用,循环往复,三者动态有机的结合，即构成了元认知．

3 元认知能力培养模式的构建

学生的元认知能力随年龄的增长而增强,并呈“先慢后快”的发展趋势．在高中阶段,学生大多处于15-18岁,这一时期认知结构的各种要素发展迅速,认知能力不断完善,是培养和提高元认知能力的最好时机．探究作为物理课堂重要的教学和学习方式,既为学生提供了运用各种学习方法、科学方法和元认知方法的机会,又能充分激发学生的元认知体验和监控意识,因此探究式教学将成为元认知能力培养的重要途径．

为了能成功地将元认知训练与科学探究活动相结合,我们尝试将元认知能力培养嵌入以下培养模式中(见图1).

这一模式主要包含4个环节.

(1) 自我认识、任务评价．认识探究课题是哪方面的问题,涉及哪些知识,探究活动的性质、难易程度、所需工具、手段的种类,探究课题的最终目的和对探究者和探究活动的要求等．认识自己掌握了哪些与探究活动相关的知识,已有知识是否能满足探究要求,根据自己先前表现,判断自己的认知风格,在探究能力方面有哪些优势和不足．

图1 元认知能力培养模式

(2) 目标设置、策略计划．制定探究计划,确定探究可能用到的方法,策略,确定探究需要进行哪些活动,收集哪些资料,活动需要采取哪些方法和步骤,小组如何分工等．

(3) 策略执行、监控调节．实施计划,根据探究体验,不断评价探究过程,获得探究活动质量的信息,找出探究中出现的偏差并适时调整计划,选用恰当的方法．

(4) 反思策略结果、过程评价．反思制定的计划是否实现,哪些方法、策略发挥了作用;总结策略有效的条件;评价自己及小组在整个探究过程中的表现;对探究中的“新、异”情况进行反思．

循环的模式,体现元认知能力的发展是一个循序渐进的过程,只有经历多次探究、反复进行自我评价、策略计划、和过程反思,才能丰富元认知体验、内化元认知知识．

4 案例

下面通过案例“曲线运动”的探究教学来详尽地阐述这一元认知的培养模式.

4.1 情景引入

图2

细线下面悬挂一个钢球,细线上端固定在铁架台上，将圆形瓶盖置于水平桌面上,使钢球静止于瓶盖的圆心．用手带动钢球,让钢球获得初速度,使它沿圆形瓶盖边缘做圆周运动(见图2)．

① 提出问题:钢球为什么可以做匀速圆周运动?

② 任务评价:探究课题是哪方面的知识;探究课题所需的方法手段．

③ 自我评价:有了力学知识和牛顿第二定律知识做基础,总体上可以把握探究过程．但为了更好地完成探究任务,还需推演出向心力的表达式,以帮助确定探究方案．

④ 计划安排:小组成员协商探究方案,实验技能较好的学生在旁监督指导．反复琢磨教师所讲解的演绎、归纳等逻辑方法,总结它们的适用条件和范围,在探究过程中勤问“为什么”．小组成员要建立和谐互助的关系,敢于发表看法．

⑤ 目标细化:匀速圆周运动中的向心力的探究——如果物体做匀速圆周运动,其中的向心力的来源如何确定.

⑥ 探究流程.

教师: 钢球在做匀速圆周运动,什么力提供向心力?

图3

分析探究:学生动手画图(见图3),对钢球进行受力分析,并在教师引导下找出提供向心力的合力．绳子的拉力和钢球的重力提供向心力，向心力的大小为mgtanθ.

问题讨论: a. 实验的原理是什么?

b. 根据实验原理,你们需要知道哪些物理量?

c. 哪些物理量是必须测量的? 哪些物理量可以不测?

d. 需要哪些实验仪器呢?

⑦ 模型延伸.

a. 变速圆周运动中的向心力的探究——如果物体做变速圆周运动,其中的向心力的来源如何确定.

b. 一般曲线运动的探究——如果物体的运动轨迹不是直线,而是曲线,如何对一般的曲线运动进行研究．

4.2 变速圆周运动分析

一链球运动员在抛球前正加速旋转,链球在该过程做的是加速圆周运动并把视频中将要抛出前的某一镜头暂停,让学生观察与前面的匀速圆周运动有何不同.

① 观察结论:铁链斜了,但圆心并不在铁链方向上(教师画出抽象示意图).

② 问题讨论:这样的合力将对链球的运动产生怎样的效果?

图4 链球受力分析

③ 学生讨论并回答:(前面已经分析过,学生应该能分析出)把该合力分解,如图4，Fn指向圆心,提供向心力,改变物体的运动方向;Fτ与物体速度方向一致,改变物体速度的大小．

4.3 一般曲线运动分析

让学生把做圆锥摆的绳解下,把球置于桌面,手握住绳一端,让球在桌面上做加速圆周运动,观察加速过程中绳是否过圆心．

① 拓展延伸:比变速圆周运动更为常见的运动是一般曲线运动．在物理学中,我们把运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动叫做一般曲线运动．那么如何对一般曲线运动进行研究呢?

图5

② 组间讨论(教师参加):在教师引导下从极限思想的角度思考对一般曲线运动进行分析，可以把曲线分割成很多小段圆弧，圆弧的弯曲程度不一样,说明它们具有不同的半径．然后分析某点的运动时,就可以按圆周运动处理了(见图5)．

4.4 探究评价

① 反思评价:对探究中的表现、认知和情感方面的收获进行评价．

② 个人评价:学生在探究中通过参与实验,实验基本操作技能有所提高,真正体验到了通过自己的努力获得知识的喜悦,增强学好物理的信心．

③ 组内评价:对探究中小组表现进行评价．例如，在探究中小组成员配合较好,大家思维都很积极等．

④ 组间评价:展示小组探究方案、实验记录表、所查找的相关资料,小组代表叙述小组探究过程(包括遇到的问题及问题是如何解决的)及组内评价结果．教师和学生共同参与评选最佳探究团队,最佳探究方案,最佳实验员,最佳实验记录表等．

5 结语

通过对曲线运动逐步深入的探究,学生在认知物理现象的过程中也锻炼了自己的认知能力,因此探究为元认知能力的发展提供了一条有效的途径．在探究过程中,有意识地指导学生对探究过程和方法进行计划、监控、调节和评价,在促进科学探究顺利进行的同时,学生的元认知能力也会得到训练和发展．