化学教育中的元认知:案例化的计算机学习环境中的提问外文翻译资料

 2023-01-07 15:45:13

化学教育中的元认知:案例化的计算机学习环境中的提问

Zvia Kaberman Yehudit Judy Dori

摘要：对一篇文章提出问题可以提高一个人的知识——一种认知功能，或者监控一个人的思维过程——一种元认知功能。本次研究的研究对象是高三化学优等生，而研究内容是：①学生在使用元认知策略时的引导提问；②元认知策略方式对学生提出复杂问题和分析复杂问题能力的影响。同时用以案例为基础的计算机化实验室作为学习单元，强调通过化学案例研究来学习，并伴随任务要求，提出在课文中找不到答案的问题。而教师需要为学生配备了元认知策略来评估他们自己的问题的质量，并根据内容、思维水平和化学理解水平三个组成部分来描述的结果。此次一共选取了793名实验化学学生和138名比较化学学生。研究手段包括访谈和基于案例的问卷调查。通过对学生的访谈发现：学生在使用所学的元认知策略的情况下，能够根据分类学分析自己产生的问题。问卷调查显示：学生们的提问技巧和问题的复杂程度都有了显著的提高。一个显著的差异被发现有利于激发学生用元认知策略产生复杂的问题，使他们能够意识到自己的认知过程，并在学习任务中自我调节。

关键词：提问技巧；元认知策略；案例研究；更高层次的思考技能；化学理解水平

1介绍

研究者将元认知定义为对自身认知过程的意识和反思，它能够诱导学习任务的自我调节和意识协调。

本研究旨在探讨提问这一高级思维技能及其与元认知知识的关系。因此，其理论背景与元认知有关，着重于元认知知识和提问技巧。本次研究会用到一个新的化学学习单元作为研究主题的来源——基于案例的计算机化实验室(CCL)，由以色列理工学院开发。这个学习单元的基础是通过案例研究来学习以化学为主的日常生活故事，以科学文章的形式呈现。这些案例研究的特点是具有现实感、多学科性质和困境，通常没有单一的、明确的解决方案，每个案例研究都伴随着不同层次的任务和指导问题。它还包括一个独特的任务，要求提出与案例研究相关的问题。在新学习单元的教学早期，教师让学生接触元认知策略，使他们能够评估和分析他们制定的问题的质量，并根据三部分的问题分类来表征它们。在分类法中包含的标准的帮助下，学习CCL单元的学生被要求经历一个元认知过程来分析他们提出的问题的复杂性。

我们的研究结果包括学生访谈的定性分析，以及基于案例的调查问卷的定性和定量分析。我们的定性分析考察了学生提问时的思维过程，并辅以问题加以分类。对基于案例的问卷的问题提出技巧的定量分析作为两种比较的基础:一种是在实验组内对问卷前和问卷后的结果进行比较，另一种是在实验组学生和对照组学生之间进行比较。

2理论背景

2.1元认知与元认知知识

Flavell(1979-1981)将元认知描述为一个人如何学习的意识，如何使用信息来实现目标的知识，以及判断特定任务的认知需求的能力。因此，元认知是指对自身认知过程的意识，以及对与学习任务相关的认知过程的自我调节和管理。这包括有意识的策略选择和策略匹配任务需求。根据Koch(2001)的观点，元认知是一种隐藏的行为，涉及到对思考的关注及其与智力表现的关系。

元认知知识通常被研究者描述为由以下相互关联的部分组成:(1)自身认知的知识;(2)关于可能用于各种学习任务的具体认知策略的知识，(3)关于何时和何处使用习得策略的程序性知识。

Schraw(1998)对知识和认知的调节进行了重要的区分，认为元认知知识具有多维度、领域普遍性和可达性。

2.2策略元认知

策略知识是元认知知识的一个组成部分，定义为学习、思考和解决问题的一般策略知识。学生可以掌握各种元认知策略的知识，这可能对他们规划、监控和调节他们的学习和思考有用。这些策略包括个人计划、监控和调节自己认知的方式。例如:设定子目标，在他们阅读一篇文章时问自己问题，并重读他们不理解的内容。

认知策略使人在构建知识方面取得进步，而元认知策略则使人通过评估对知识的理解和在新情况下的应用来监控和提高自己的进步。Pintrich认为，与特定学科或领域的策略不同，元认知策略适用于大多数学学科或主题领域，因此可以在大量领域中使用。通过元认知，人们便可以定义任务或问题的本质，并选择最有用的策略来执行任务。

2.3元认知策略指导

当学员被告知学习策略的基本原理，并帮助他们看到策略使用与后续学习结果之间的直接关系时，学习效果就会提高。与盲人训练相比，这些都是显著的优势。教师对认知和元认知技能的建模越明确，他们的学生就越有可能发展自身的认知和元认知技能。了解了教师的策略偏好的学生，更能适应教师课堂的需求；了解了不同学习、思考和解决问题策略的学生更有可能使用这些策略，因为这些不同策略的元认知知识可以让学生表现得更好，学得更多。所以教师有必要明确地教授元认知知识，使其能够嵌入到不同的学科领域中，同时在不同的科学环境中反复重复相同的技能的方法也要求教师能够兼顾内容、知识目标和思维技能目标来规划他们的教学。

促进元认知首先要让学习者意识到元认知是存在的，它不同于认知，它能增加学业上的成功。所以教师需要教授策略，并帮助学生构建何时何地使用这些策略的明确知识。灵活的策略可以用来做出谨慎的监管决定，以便计划、监测和评估学习。

Paris和Winograd(1990)认为,学生的学习可以增强意识自己的思维,因为他们读、写、解决问题,并且老师应该通过使学生了解有效的解决问题的策略,来促进这种意识讨论认知和动机的思维特征。不习惯用元认知模式思考的学生有时会抗拒这样做，特别是如果他们多年来一直是被动学习者。学生需要在最初的步骤中提供脚手架指导和强有力的支持，后来当他们变得更擅长自我调节时，再逐渐撤回这种支持。Simons和Klein(2007)研究了在基于问题的学习环境中，支架如何影响探究和表现。他们得出结论，在基于问题的PBL学习中，支架的使用对提高学生的表现有重要作用。

在调查提高学生元认知的干预措施时，研究人员发现，如果学生的元认知得到改善，那么就有可能改善他们的学习结果。在CASE(通过科学教育促进认知)中发现了一个应用元认知陈述性知识的例子，该项目旨在培养学生高级思维。在案例中，元认知的应用是有意识地总结成功应用的策略，并命名每个案例中使用的语言工具。学生们学会了反思他们所从事的思考，把它带到他们的意识的前面，并使一个明确的工具，然后可以转移到一个新的背景。

然而,尽管证据表明,元认知对高质量的学习在科学教学中很重要,教室常常为没有或缺乏必要的特点开发和提高学生的高阶思维和元认知,过分强调记忆和低阶思考和学习。因此，有必要通过干预和改变教学方法来告知教育者他们如何可以增强学生的元认知(Thomas2003)。

2.4问题生成

小孩子天生好奇，经常会问一连串的问题。然而，许多小学生已经停止提问，他们没有表达出发现、辩论或挑战的愿望。

Dillon(1988)发现，当学生提问时，问题很少是为了增加他们个人的知识或理解而设计的。相反，它们是程序性的、信息性的，并且集中在下一个测试所涵盖的内容上。通过提问，学生经常会透露他们想学什么、知道什么、不知道什么。当学生在小组活动中寻求同学的意见并进行交流和协商时，问题也是社会功能的一部分。当学生不提问时，他们的认知、社交和情感成长都会下降。《国家科学教育标准》强调了学生提问的价值，指出“探究由学生经验产生的真实问题是教学科学的中心策略”。对学生问题的强调传达了这样的信息:在各种科学学科中，探究是一个自然的组成部分，需要不断地提出问题。多瑞和赫斯科维茨提出提高学生问题解决能力的有效策略是培养学生提出问题的能力。

在讨论过程中，学生提出的问题是有价值的。它们表明学生积极地参与到他们所学的东西的意义上，并可能阐明需要解决的问题。

学生的问题可以表明他们的“心态”和理解的质量。这些问题通常不会被正式地表达出来，甚至不一定要回答。其他的则是探索一种情况，而不是寻求一个简单的答案。

2.5学生问题的分类

研究人员Arzi和White(1986)声称，很难定义学生提出的问题质量，但为教师提供一套基于研究的工作标准来指导学生是可能的，是可取的。Watts等人(1997)将学生的问题分为三类:(a)巩固:学生可能觉得他们已经掌握了一个想法，并寻求保证这就是事实;(b)探索:学生的问题寻求扩展知识和测试他们已经形成的构念;(c)阐述:学生检查索赔和反索赔，阐述他们以前的知识和经验。这类问题是试图调和不同的理解，解决冲突，测试环境，强迫问题，并跟踪和围绕想法及其后果。这种分类为分析科学课上出现的问题类型提供了一个起点。

Marbach-Ad和Sokolov(2000)探讨了学生在阅读教科书的一个或多个章节后提出的书面问题的类型，并调查了学生提高问题的能力。他们的半等级分类包括8类学生问题。较低层次的类别包含关于定义、概念或教科书中完全解释的事实的问题。更高层次的问题是：由先前的知识和信息的延伸思考和综合而产生的问题，这些问题包含一个研究假设，以及伦理、道德、哲学或社会政治问题，这些问题的答案是一个功能或进化的解释。在生物专业本科生的课堂上展示了分类学之后，更多的学生能够提出更好的书面问题。他们的问题变得更有洞察力，更有思想性，更有内容相关性，而且不容易通过查阅教科书或其他现成的来源来回答。最好的问题可以被重新定义为科学研究问题。研究人员(Marbach-Ad和Sokolov2000)建议教师在学期开始时向学生展示学生问题分类，让他们知道期望得到什么。King和Rosenshine(1993)认为，引导式合作提问成功的一个重要因素是问题结构。特定的结构被设计用来促进学习者的认知和元认知活动，包括对所呈现材料的批判性思考、相关先验知识的激活和理解监控。这些问题促使学生(a)对申请进行思考;(b)发展的例子;(c)分析关系;(d)进行预测;(e)合成的想法;(f)比较和对比;和(g)评估。提问和回答这些特定问题的过程可以作为元认知策略，帮助学生监控他们对材料的理解。

2.6作为元认知技能的问题生成

面向高级思维的提问在理解、监控、自我测试和自我控制中起着核心作用。为了让学生成为积极的学习者和独立的思考者，他们必须产生问题来塑造、关注和引导他们的思维。一些研究发现，教师外部施加的元认知活动产生的问题比学生自己产生的问题效率低。从元认知的角度来看，自我提问者知道他们知道什么，同样重要的是，他们不知道什么。一般来说，提出问题都可以使用认知策略和元认知策略，但这些策略的应用程度取决于学生的内容领域和先前的知识的不同。

好的阅读者会监控自己的阅读理解状态，当遇到理解失败时，会调整策略，并且会进行复习和自我提问，以验证自己的阅读和学习目标已经达到。这种意识协调表明元认知过程的存在。学生的自我提问是一种元认知或理解监控活动，因为接受问题生成训练的学生也可能获得理解充足性的自我意识。

Flavell(1976)认为，通过询问关于文章的问题，一个人可能会提高他/她的知识(一种认知功能)或监控它(一种元认知功能)。元认知是关于自我调节的，而不是别人的调节。因此，Gourgey(1998)建议教学必须鼓励学生产生和使用他们自己的策略和自我问题。问题生成的有效性取决于学习者在提出问题时接受的训练以及实践的数量和类型。高水平问题的产生需要采用提问程序，强调提问中的思考、广泛的认知指导和反馈练习。学习者需要一种特定的提问策略，才能熟练地提出经过深思熟虑的问题。学生生成的提问策略提供了自由和结构，平衡了学习者的自主性和外部控制。

某些类型的问题生成训练可以对学生的元认知阅读策略产生有意义的影响。Davey和McBride(1986)成功地训练了六年级的学生产生、评价和回答关于一篇文章意义的问题。通过实践，学生提高了问清楚问题、总结主要观点的能力，并在小组讨论中发挥更积极的作用。

3研究背景

自20世纪50年代初以来，化学教师在解决教科书习题和问题时，主要关注学生对科学事实和支持他们的算法的记忆。Gabel和Bunce(1994)报告说，教科书中的练习集合使得算法思维的学习者有可能对某一类问题给出正确的答案，而无需建立与这些问题相关的适当的认知理解。因此，Zoller(1993)认为，许多学生无法解决需要更高阶思维的问题，这与他们所熟悉的模式没有明显的相似性。虽然没有相关化学概念的讲课和解题练习，并不有助于更高阶认知技能的习得，但Zoller等人(1995)声称，讲课和算法思维继续主导化学课堂的话语。

在本十年开始之前，以色列全国化学入学考试也强调科学事实的记忆和定量问题的解决。这样的考试是预见的，只有教师和学生努力工作，才能顺利的通过。近年来，这种考试作为替代评估方法已经开始吸引研究人员和教育工作者的注意，化学入学考试在以色列开始补充新的评估模式(Barnea2002)。以色列化学课程的改革包括改变化学教学大纲的内容，如减少必修科目的数量，为教师提供更多的灵活性，以及对学生的进步和成绩进行评估的方式。

这一改革背后的假设是，通过使用各种形式的评估，教师可以通过鼓励学生思考和技能应用的评估模式来改善对学生进步的监控。

在以色列理工学院，我们开发了一个基于案例的计算机化实验室(CCL)学习单元以及嵌入式评估。该单元是为12年级化学荣誉学生设计的。以色列的荣誉课程包括五个学习单元，CCL课程是其中的一个选修单元。在改革以色列荣誉化学课程的框架内发展，CCL单元整合了计算机动手实验，强调科学探究和案例研究。CCL环境让学生阅读文章和元认知知识的问题时提出策略。CCL学习单元的一个重要目标是发展学生的高级思维技能。本单元包括阅读个案研究、提出问题、电脑化探究实验室和分子建模。CCL环境中的一个核心部分是案例研究，然后是提出问题的任务

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