元認知技能評估的海外研究趨勢及案例

孟宇+楊絮+張海+羅立成

元認知、學習興趣和學習環境是影響學習的三大主要因素。很長一段時間內，對元認知的研究由于人的思維的暗默性，一直被視為是學習科學的一個難點領域。今天，由于基于計算機的學習環境的大行其道，教育大數據的搜集、整理和挖掘，漸漸成為現實，而對元認知的研究，作為教育大數據研究的制高點之一，重新獲得了研究者們的關注和興趣。本文通過對元認知技能評估的海外研究趨勢的歸納和案例的展示，期望為教育大數據研究者和一線教師提供參考和啟示。

● 何為元認知？

元認知是一種包含自我監測和控制的自我認知能力，這種元認知技能為學習者提出了一套自我約束的規則。元認知技能被認為是一種非常重要的能力，在百分之四十的程度上影響著整體的學習效果，它與學習興趣和學習環境共同構成了影響學習的三大主要因素。元認知對于學習的意義非同一般，但是元認知技能作為一種內在的自我指導能力，具有思維隱性特征，無法被我們直接捕獲，因而如何準確讀取、驗證和評估元認知成為研究的一個難點。

元認知是對學習者在傳統學習環境和計算機學習環境中對相關影響因子的認知分析。元認知技能通過運用一種程序性的知識，監測和控制個體的學習行為、方向、目標設定、規劃、評估，以及對這幾項表現進行概括總結。科學的實驗評估包括離線評估和在線評估兩種方法，但由于在線評估能夠更加客觀有效地分析元認知技能，因此計算機在線評估成為當前的研究趨勢。同時，由于選擇在線記錄時，需要衡量學習者是否運用元認知技能，所以對元認知技能的評估也作為元認知能力的一部分，即元認知的自我監測與控制，以及對這一監測控制的評估共同構成了元認知技能評估。

如何將這一內隱的認知能力，通過計算機有效評估？Marcel V.J. Veenman總結分析了尼爾森、納爾遜兩位學者的元認知理論框架，提出了元認知是一種獲得控制和調節自我指令任務的自上而下技能，并且通過三個實證研究、多種計算機在線的方法為元認知技能的讀取及評估提供了一種有效解決途徑。

● 元認知技能評估研究的理論框架

元認知理論的主要代表學者有尼爾森、納爾遜等人。尼爾森較早嘗試建立其理論框架，他將元認知分為“目標能力（object level）”和“元認知水平（meta-level）”兩個系統。首先，低階的認知活動通常被認為屬于目標執行過程，如當解決數學問題時，通過讀題的過程來陳述問題，并計算出結果。其次，高階的認知活動是對結果的評價和對初階對象的規劃。元認知對這兩個階段得出的信息進行預判，低階的信息通過監測系統傳達到高階元認知，高階指令通過控制傳達給低階對象。而納爾遜模式本質上是一個自下而上的過程模型，低階的任務執行觸發了監控活動，反過來激活了在控制過程中元認知對目標對象的處理。然而這個模型并沒有闡明監視過程是如何自己激活的。此外，納爾遜的模型忽視了人類解決問題的目標導向性和學習行為，因為這兩個因素在控制過程中不是自發激活的，也無法事先監測（Veenman，2011）。

Koriath、Ma'ayan和Nussinson（2006）已經表明了監測和控制之間的因果關系，監控和控制過程是雙向的。像尼爾森強調的，監測過程可以引出控制過程，但控制過程也可以在沒有事先監測的情況下激活，隨后，引出監測過程。問題是，這些控制過程如果不是通過純粹的巧合激活，那么是怎樣激活的呢？

Veenman（2011）首先分析Nelson的自下而上模型，提出了自上而下的方法，元認知技能被認為是一個獲得控制和監測自我指令任務的技能。每當學習者面對較為熟悉的任務時，這個自我指示系統就會被激活，因為這個新的任務之前曾有類似任務實施過，這些循環的自我指示將推動產生一個有規律可循的系統（Anderson，1996；Winne，2010）。其次，Veenman強調了自我指示是元認知能力激活各種認知以應用于任務執行的重要環節。尼爾森、納爾遜的模型中都提出了自我指示概念，這種自我指示能力促進了有效元認知能力的形成（Veenman等人，2006）。元認知評估的目的是讀取學習者自我指示程序的元級，然而，元認知技能的自我指示不可直接查獲，需要通過離線評估和在線評估兩種方法來嘗試捕獲學習者的元認知能力，但元認知技能的離線自我報告存在評估有效性問題。

基于以上學理分析，筆者選擇了在計算機在線日記文件中記錄對元認知技能的評估，這一實驗設計需要解決三個問題：一是（Veenman，2011）自我指示本身的生產系統具有隱蔽和不可評估的特征，計算機的編譯系統不能讀取，如語義模糊性。二是計算機在線日記文件評估能否準確有效地捕獲學習者元認知自我指示能力，涉及選擇哪些認知活動可能是元認知調節的結果。三是元認知能力隨著學習經驗、學習環境等的變化而發展，并呈現動態特征。多種在線記錄的驗證方法是建立一套完整的元認知技能日志文件指標的必由之路（Veenman，2007；Winters etal，2008）。三個實證研究解決了元認知技能在線評估面臨的困難，同時肯定了計算機在線日記文件對元認知技能評估的意義。

● 元認知技能的三個海外研究案例

1.“發聲思維”使元認知技能顯性化

在對學習者學習過程的分析中，若單純對顯性外在的學習過程記錄，不能把握學習者元認知的自我指示過程，研究便陷于“知其然不知其所以然”的困境。Veenman大膽嘗試讓學習者將元認知自我指示的思維過程，發聲讀出來供計算機記錄，這是計算機在線記錄研究的首要環節。

1993年，Veenman在研究中把實驗者分為兩組，其中一組參加實驗的學習者借助計算機環境，將他們思考的過程讀出來，可供計算機記錄，另外一組在實驗中沉默。Veenman和他的同事評估了40個參與者的元認知技能日志文本，這些參與者在計算機模擬的加熱實驗室中發聲思考或靜默工作。參與者為物理學領域的新人，他們的任務是通過實驗測量物體的熱量，計算機記錄了他們所有的實驗過程。研究者使用相同的方法分別對發聲思考與靜默工作進行分析，從主文本中的日志文件獲得綜合得分，最終得出發聲思考的參與者在元認知能力方面與靜默工作者無異，也就是說發聲思考并沒有影響元認知過程，故可以讓學習者在實驗過程中將思維過程通過語言表述出來，以供計算機讀取和記錄。

2.計算機評估元認知技能的可行性分析

元認知思維“發聲”并沒有影響最后的學習效果，接下來就可以展開關于計算機能否準確捕獲元認知知識，學習者是否在計算機監督的環境下運用元認知，以及對學習效果產生影響的實驗。

（1）元認知能力讀取的實驗設計

2004年，Veenman及其同事選擇了113名年齡在9～22歲之間的兒童和青少年，讓他們完成（植物生長和食物任務）四個計算機模擬的學習任務。實驗做了年齡越大，元認知能力越強，學習效果更好的預設，實驗的目的是檢測計算機記錄的在線日記數據與預設是否一致，也就是對計算機在線日志評估準確性的判定。

參與者完成了兩個生物學任務（一個植物生長任務和一個食物任務）以及兩個地理任務（一個關于水獺棲息地的保護，另一個關于老齡化）。在每個任務中，有五個獨立變量，獨立變量和因變量之間關系的模型是相同的；兩個獨立變量彼此相互作用；一個變量具有非線性效應（反作用）；兩個變量不相關。每個任務模型都對應一個現實生活現象。如下圖所示，在食物任務中同理。

（2）實驗結果

Veenman和他的同事（2004）歸納了計算機記錄的植物生長任務和水獺任務的元認知自我指示能力數據，并綜合分析得出，計算機日記文件顯示的元認知技能與實驗預設的不同年齡段學習者的學習效果一致，證明計算機日記文件能夠準確讀取元認知能力。

（3）學習者元認知技能運用評估

上面的實驗證實了計算機能夠準確讀取元認知技能，下面增加實驗的復雜性，讓學習者反復操作以上兩個實驗，檢測其在重復的實驗過程中是否運用元認知能力，以及對學習效果產生了哪些影響。

選擇一組初中生來進行實驗，實驗中變量之間的數值關系變得更加復雜，關系變量包括相互作用效應。將這次實驗的日記文件與2004年Veenman及其同事收集的元認知評估日志文件數據對比，發現學習者在經歷多次實驗在線評估和重復實驗后，運用了元認知技能，且學習效果確實得到了改善。

三個實驗表明，計算機讀取“發聲思維”顯性化元認知技能是可行的，計算機能夠有效讀取元認知能力，且元認知能力確實改善了學習效果。

3.動態環境下學習者元認知技能運用評估

如何更好地將元認知技能運用于教學實踐，提高學習者的元認知技能，是文章開頭提到的難點，也是問題的關鍵。2010年，Veenman及其同事的另一項研究中，通過計算機模擬實驗學習任務，將隱馬爾可夫統計模型運用于實驗分析，對元認知這種隱形的能力在變化過程中進行隱含參數分析，并探討了這種能力隨著學習經驗的累積、學習情境的變化，其運用情況的變化情況。

實驗選擇了153名預備中學的學生，按照隨機順序，完成植物生長實驗和老齡化實驗。隨著時間的推移、實驗活動的重復，參與者變得更加活躍，在實驗的過程中體現出更多的積極性，對于實驗操作的控制能力在提升，說明重復的練習，可以提高學習者運用元認知技能的自覺性，掌握到的豐富的元認知運用技能，將改善學習者的學習效果。

● 元認知的未來研究趨勢及挑戰

對元認知的研究是揭示學習者學習秘密的重要途徑。通過“發聲思維”顯性化元認知思維，在線日記記錄元認知能力準確性判斷，學習者運用元認知對學習效果的影響，得出計算機在線日記文件是一種有效的元認知評估方法，重復的實驗練習達到了提高學習者元認知技能的目標，這給教育實踐研究的探索打開了一扇窗戶。

然而，研究者們發現，元認知技能的評估面臨以下兩個主要的挑戰：第一，計算機捕獲的元認知技能的自我指示可能不完整，研究人員必須通過推斷學習者自我指示與計算機轉譯自我指示之間的關系來填補空白。首先，需要推斷學習者的自我指示，通過“發聲思維”是否能完全傳達；其次，喚醒元認知知識只是瞬時性的心理作用，這是計算機無法讀取的。記錄者需要結合學習者面臨的環境等眾多因素來綜合考量。第二，在實際的學習過程中，學習者總是面臨不同的學習情境，簡單重復的元認知技能練習，不能真正實現元認知技能對學習者的指導。

值得肯定的是，在線日志文件評估這種潤物細無聲的方法，通過客觀記錄學習者的學習日記，對元認知技能評估有著舉足輕重的作用，因為對學習者在線評估的日志文件的驗證是對其元認知評估的先決條件，此外，在線文件對元認知技能運用自覺性評估還能有效促進元認知能力的提高。終極的元認知技能評估將包括不同的在線方法，可能由于學習經驗而改變，遺憾的是，到目前為止，關于元認知的多方法研究依舊鳳毛麟角。