淺談高中物理課堂的探究式教學
——如何在探究教學中發展學生的元認知能力

劉華揚

(廣東北江中學，廣東 韶關 512026)

1 引言

新課程的核心理念是“人本思想”,而“人本”的核心是學生的自主學習．自主學習相對于被動、機械和他主學習而言,更為強調學生在學習目標、學習策略和學習成果等方面進行自我設計、自我管理、自我調節、自我監控、自我評價和自我轉化等．自主學習能激活學生的學習積極性,促進學生思維能力發展,優化學生思維品質,養成終生學習能力．

以探究的方式學習物理,可以使學生領悟到物理奇妙莫測、應用廣泛的“本色”,滿足學生好奇、好動、好思的學習心理,能夠引導學生主動建構物理知識,主動獲取物理信息,主動參與物理科學實踐活動等．探究也能使學生關注生活、關注自然、關注社會熱點,因此探究式教學是一種溝通學生科學素養與人文素養交融的渠道．

元認知,指的是人對自己認知過程的認知,元認知能力,是人區別于動物所擁有的一種能力,元認知能力關乎個人在認知過程中知識的調節,以及學習和思維活動中知識的控制．因此在科學探究過程中,元認知能力至關重要,我們在科學探究中要著重培養學生的元認知能力．

筆者在物理課堂中將探究式教學與元認知能力培養相結合,提出一種物理教學的新思路,旨在發展學生的元認知能力,同時追求更高的教學效率,進而促進學生的全面發展．

2 元認知概述

元認知(metacognition)由美國心理學家約翰·弗拉維爾(J.H.Flavell)于1976年提出．這一概念提出后很快成為認知心理學的熱門課題,并受到教育心理學家的熱切關注．此后多位心理學家都對元認知做了定義,雖然每個人的定義和側重點不盡相同,但基本思想都是一致的,即元認知是對認知過程的認知．

元認知包括元認知知識、元認知體驗和元認知監控．元認知知識是認知主體關于自己或他人的認知活動、過程、結果以及相關信息的知識．元認知體驗是認知主體隨著認知活動而產生的一種認知或情感體驗．元認知監控是認知主體為使認知活動達到預定目標而對認知活動所進行的監測和調控．這3個方面雖相互獨立,實則密不可分．元認知知識是產生元認知體驗的基本條件,元認知體驗是形成元認知監控的前提,元認知監控是元認知的目的和核心,這3個方面相互作用,循環往復,三者動態有機的結合，即構成了元認知．

3 元認知能力培養模式的構建

學生的元認知能力隨年齡的增長而增強,并呈“先慢后快”的發展趨勢．在高中階段,學生大多處于15-18歲,這一時期認知結構的各種要素發展迅速,認知能力不斷完善,是培養和提高元認知能力的最好時機．探究作為物理課堂重要的教學和學習方式,既為學生提供了運用各種學習方法、科學方法和元認知方法的機會,又能充分激發學生的元認知體驗和監控意識,因此探究式教學將成為元認知能力培養的重要途徑．

為了能成功地將元認知訓練與科學探究活動相結合,我們嘗試將元認知能力培養嵌入以下培養模式中(見圖1).

這一模式主要包含4個環節.

(1) 自我認識、任務評價．認識探究課題是哪方面的問題,涉及哪些知識,探究活動的性質、難易程度、所需工具、手段的種類,探究課題的最終目的和對探究者和探究活動的要求等．認識自己掌握了哪些與探究活動相關的知識,已有知識是否能滿足探究要求,根據自己先前表現,判斷自己的認知風格,在探究能力方面有哪些優勢和不足．

圖1 元認知能力培養模式

(2) 目標設置、策略計劃．制定探究計劃,確定探究可能用到的方法,策略,確定探究需要進行哪些活動,收集哪些資料,活動需要采取哪些方法和步驟,小組如何分工等．

(3) 策略執行、監控調節．實施計劃,根據探究體驗,不斷評價探究過程,獲得探究活動質量的信息,找出探究中出現的偏差并適時調整計劃,選用恰當的方法．

(4) 反思策略結果、過程評價．反思制定的計劃是否實現,哪些方法、策略發揮了作用;總結策略有效的條件;評價自己及小組在整個探究過程中的表現;對探究中的“新、異”情況進行反思．

循環的模式,體現元認知能力的發展是一個循序漸進的過程,只有經歷多次探究、反復進行自我評價、策略計劃、和過程反思,才能豐富元認知體驗、內化元認知知識．

4 案例

下面通過案例“曲線運動”的探究教學來詳盡地闡述這一元認知的培養模式.

4.1 情景引入

圖2

細線下面懸掛一個鋼球,細線上端固定在鐵架臺上，將圓形瓶蓋置于水平桌面上,使鋼球靜止于瓶蓋的圓心．用手帶動鋼球,讓鋼球獲得初速度,使它沿圓形瓶蓋邊緣做圓周運動(見圖2)．

① 提出問題:鋼球為什么可以做勻速圓周運動?

② 任務評價:探究課題是哪方面的知識;探究課題所需的方法手段．

③ 自我評價:有了力學知識和牛頓第二定律知識做基礎,總體上可以把握探究過程．但為了更好地完成探究任務,還需推演出向心力的表達式,以幫助確定探究方案．

④ 計劃安排:小組成員協商探究方案,實驗技能較好的學生在旁監督指導．反復琢磨教師所講解的演繹、歸納等邏輯方法,總結它們的適用條件和范圍,在探究過程中勤問“為什么”．小組成員要建立和諧互助的關系,敢于發表看法．

⑤ 目標細化:勻速圓周運動中的向心力的探究——如果物體做勻速圓周運動,其中的向心力的來源如何確定.

⑥ 探究流程.

教師: 鋼球在做勻速圓周運動,什么力提供向心力?

圖3

分析探究:學生動手畫圖(見圖3),對鋼球進行受力分析,并在教師引導下找出提供向心力的合力．繩子的拉力和鋼球的重力提供向心力，向心力的大小為mgtanθ.

問題討論: a. 實驗的原理是什么?

b. 根據實驗原理,你們需要知道哪些物理量?

c. 哪些物理量是必須測量的? 哪些物理量可以不測?

d. 需要哪些實驗儀器呢?

⑦ 模型延伸.

a. 變速圓周運動中的向心力的探究——如果物體做變速圓周運動,其中的向心力的來源如何確定.

b. 一般曲線運動的探究——如果物體的運動軌跡不是直線,而是曲線,如何對一般的曲線運動進行研究．

4.2 變速圓周運動分析

一鏈球運動員在拋球前正加速旋轉,鏈球在該過程做的是加速圓周運動并把視頻中將要拋出前的某一鏡頭暫停,讓學生觀察與前面的勻速圓周運動有何不同.

① 觀察結論:鐵鏈斜了,但圓心并不在鐵鏈方向上(教師畫出抽象示意圖).

② 問題討論:這樣的合力將對鏈球的運動產生怎樣的效果?

圖4 鏈球受力分析

③ 學生討論并回答:(前面已經分析過,學生應該能分析出)把該合力分解,如圖4，Fn指向圓心,提供向心力,改變物體的運動方向;Fτ與物體速度方向一致,改變物體速度的大?。?/p>

4.3 一般曲線運動分析

讓學生把做圓錐擺的繩解下,把球置于桌面,手握住繩一端,讓球在桌面上做加速圓周運動,觀察加速過程中繩是否過圓心．

① 拓展延伸:比變速圓周運動更為常見的運動是一般曲線運動．在物理學中,我們把運動軌跡既不是直線也不是圓周的曲線運動叫做一般曲線運動．那么如何對一般曲線運動進行研究呢?

圖5

② 組間討論(教師參加):在教師引導下從極限思想的角度思考對一般曲線運動進行分析，可以把曲線分割成很多小段圓弧，圓弧的彎曲程度不一樣,說明它們具有不同的半徑．然后分析某點的運動時,就可以按圓周運動處理了(見圖5)．

4.4 探究評價

① 反思評價:對探究中的表現、認知和情感方面的收獲進行評價．

② 個人評價:學生在探究中通過參與實驗,實驗基本操作技能有所提高,真正體驗到了通過自己的努力獲得知識的喜悅,增強學好物理的信心．

③ 組內評價:對探究中小組表現進行評價．例如，在探究中小組成員配合較好,大家思維都很積極等．

④ 組間評價:展示小組探究方案、實驗記錄表、所查找的相關資料,小組代表敘述小組探究過程(包括遇到的問題及問題是如何解決的)及組內評價結果．教師和學生共同參與評選最佳探究團隊,最佳探究方案,最佳實驗員,最佳實驗記錄表等．

5 結語

通過對曲線運動逐步深入的探究,學生在認知物理現象的過程中也鍛煉了自己的認知能力,因此探究為元認知能力的發展提供了一條有效的途徑．在探究過程中,有意識地指導學生對探究過程和方法進行計劃、監控、調節和評價,在促進科學探究順利進行的同時,學生的元認知能力也會得到訓練和發展．