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物理问题解决与元认知研究【摘要】文章结合具体学科，分析了元认知在物理问题解决过程中的作用，以及如何通过物理问题解决对元认知进行有效开发。 【关键词】物理；问题解决；元认知 元认知( Metacognition）是弗拉维尔70年代提出的，此后关于元认知的研究越来越多，这些研究主要集中于阅读理解、记忆和问题解决三大领域，其中问题解决中的元认知研究是九十年代才开始的。研究表明学习能力强的学生元认知水平较高，元认知策略可以修补知识水平的欠缺以及补充、完善问题。 本文采取与具体学科相结合的方式，从物理学科的特点出发，从元认知的实质出发，探讨元认知在物理问题解决过程中的作用以及如何对其有效开发。 一、元认知在物理问题解决中的作用 1976年弗拉维尔对元认知的定义:一个人所具有的关于自己思维活动和学习活动的知识及其实施的控制，是任何调节认知过程的认知活动。 1979年Kluwe认为：元认知是明确专门指向个人的认知活动的积极的、反省的认知加工过程； Schraw & Dennison( 1994)定义：元认知是关于个人对自己学习反省、理解、控制的一种能力。元认知概念包括三方面的内容：元认知知识、元认知体验、元认知监控三种成分。三者相互作用，相互联系，其中元认知监控是元认知中的核心成分，它是学习成功的关键。 元认知对物理问题解决的目标进行修正。[1] 元认知使得解题过程具有明确的目标指向性，使解题者的心理活动都朝着目标靠拢。目标是问题解决者主观经验的知觉，它既是问题解决的开始，也是问题解决的归宿，它对问题解决的进程进行指导。解题中问题解决者要监控其解题计划，制订切实可行的目标，致使物理问题解决得以顺利进行。 元认知操作驱动物理问题解决的策略。解决物理问题需要一定的策略。策略是在思维模式的作用下反应出来的，它影响着物理问题解决的效率。问题解决者在解题过程中通过以下方式进行认知操作。（1）激活思维并制定策略，即以目标为出发点，将物理材料放入已有的知识背景中，在操作系统的作用下激活认知结构。在元认知基础上，根据材料系统在认知结构中的相似性，寻求物理认知结构中的“相似点”，把问题改组为适合原有知识的形式，或把以前知识通过经验加工成适合现有问题的形式，从而制订解题策略；（2）改组和实施策略，即通过对问题解决进程的反馈，面对问题，有多种解题方法，问题解决者要进行自我评价，实质上就是对问题解决策略的评价，如果发现目标确信无疑而又达不到或不能顺利达到目标时，则将怀疑其策略，有必要对策略进行调整。 元认知增强解题者在物理问题解决中的主体意识。鉴于物理学科的特点，一般解决物理问题有一定的困难，这就要求解题者能自我激活，发挥自我作用，排除障碍，产生问题解决的欲望。而元认知在整个问题解决过程中存在着内反馈的调节。（1）通过元认知知识，使解题者能审清题意，对问题的类型、难易程度、所用的知识有初步了解，使其能主动选择有效解题策略；（2）元认知体验的自我启发作用，调动非智力因素参与，产生“知”与“不知”的认知体验和情感体验，产生一些新的思路和方法，对原有的思维进行扩充，可以克服障碍，调动解题者的积极性和自信心；（3）元认知的监控作用，体现在解决问题的整个阶段，解题的前计划，解题过程中的监测，解后的评价、反思。 二、通过物理问题解决对学生进行元认知开发 学生的元认知能力往往在解题过程中体现，并在解题过程中培养出来，龚志宁（1999）研究发现元认知策略导致学困生成绩低于优生。有人曾经对比优生与物理学困生解题过程研究中。发现元认知能力的高低一定程度决定物理成绩高低。为了让学生“学会学习”，我们应加强学生物理问题元认知能力的培养。 1．激发学生的自我意识和培养学习动机。元认知能力的发展以一定的心理发展水平为基础，元认知在学生自我意识产生之后才发展起来。如果没有自我意识，学生不能对自己正在操作的认知对象进行积极的计划、监测、评价、反思。自我意识是以主体及其活动为意识对象，对人的认知活动起着监控作用。在解题学习中，人的自我意识是对自己在问题感知、表征、思考、记忆和体验的意识，对自己的目的、计划、行动以及行动效果的意识。 2．剖析思维过程，加强思路教学。以往教师解题只注重解题过程本身以及解题的结果，而忽略学生元认知作用的过程。元认知是认知的认知，元认知时刻在发挥作用，要提高学生的元认知水平，应该让学生体会教师的元认知发挥过程。遇到一个新问题时，向学生示范自己如何分析、寻找有效策略，最终解决问题的整个过程。有时教师也会进入死胡同，但有能力排除障碍。有时教师也犯错，但他运用元认知监控可以修正问题…总而言之，展示教师思维过程，将教师自身过程的自我监控、自我调节展现给学生。[2] 3．传授解题的元认知策略 （1）善于利用波利亚“自我提示语” Polya波利亚在他的解题理论著作中所给出很多提示语，都是属于元认知的范畴。在解题时经常自觉地运用这些提示语，是提高解题元认知能力的有效途径。如果问得合适，就可能引出好的答案，引出正确的想法。他的基本模式为： 第一步——阅读题意，表征问题；第二步——拟定计划，执行步骤；第三步——评价和反思 （2）同学之间相互质问（Inquiry）和争论（Argument） 质问是学生常采用的方法。学生对一些问题常常被动的接受，争论很少受到重视，但它与询问一样重要，（下转第194页）（上接第184页）通过争论对问题的理解能力比被动地接受强四倍，对一些思考型强的、有多种解法的问题，留给学生讨论，让学生说出自己的解题思路。为什么那样做？原因是什么？为什么选择这种方法？让同学之间相互质疑和争论，每个人对自己和他人的做法进行深入思考和反思，使学生对自己所解的题目有更深层的含义。 4．加强不良结构问题的教学 结构不良问题(ill-structured problem)相对结构良好问题（well-structured problem ），学生经常面对的是结构良好问题，目标定义明确，提供多种解题方法，而结构不良问题比较模糊，问题不明确，具有不清楚的目标和多样的解题方法，同时又属于开放型题目，对问题很难得到明确的方法。学生对知识不能迁移，而教育者往往对这方面重视不够。国外有这方面的研究，表明经过结构不良问题的训练，学生的元认知解题能力有很大提高。 总之提高学生物理问题解决的元认知水平非一朝一夕所能实现的，需要师生共同协作。教师应把学生的元认知能力培养纳入自己的教学目标中，在问题教学中，不断渗透元认知知识和策略的训练内容。调动学生的主体意识，注意元监控的实施，只有这样，学生的元认知水平在物理问题解决中得到开发。 【参考文献】 [1]朱德全，宋乃庆谈数学教学中的问题解决与元认知开发[J]学科教育研究，1997，（6）． [2]周丽芳元认知及其培养[J]天津市教科院学报，2002，（1）希望对您有帮助。 
HAHAHA，做课题研究有象你这样做的？难道是你首次做课题？还不知道基本要点？府前中学物理课题研究实施方案一、课题的提出的背景美国心理学家威廉·詹姆士说：“播下一个行动，收获一种习惯；播下一种习惯，收获一种性格；播下一种性格，收获一种命运。”就是说习惯可以决定一个人的命运。英国科学家培根有句名言：“习惯和教育可以改变人的天性。习惯在人的性格、情感、意识、思想中起着巨大作用。好的习惯能让人受益一生。坏的习惯有时会毁掉一个人的一切。”我国著名教育家叶圣陶先生说过：“什么是教育？一句话，就是要养成良好的学习习惯。”国内外教育教学研究资料表明，对于绝大多数学生来说，学习的好坏，20%与智力因素相关，80%与非智力因素相关。而在信心、意志、习惯、兴趣、性格等非智力因素中，习惯又占重要位置。由此可见，学校在培养人的途径中，习惯的培养是相当重要的。教师在向学生传授知识的同时，更重要的是引导学生掌握学习的方法和技能，帮助他们养成良好的学习习惯，使他们终生受用！《中国教育改革发展纲要》明确指出：我国教育目前已由“应试教育”转向“素质教育”，以适应21世纪知识经济、信息社会迅猛发展的需要。素质教育的精髓是培养学生的创新精神和实践能力。而培养学生创新精神和实践能力的基本保证则是学会学习，即良好自主学习习惯的培养。从目前的教学现状来看，传统的物理课堂教学通常以示范、例题、讲解为主要方式。在客观上形成学生只能被动接受，因此课堂中几乎看不到猜想、实验、观察、推断等学生亲身体验的实践探究活动。教师应从学生好表现，求参与的心理需要出发，尽可能多给学生提供自主探究的机会，改变以往那种让学生跟在自己后面亦步亦趋的习惯，引导学生自主学习。课堂是学生学习的主要场所，良好的课堂学习习惯又是学习习惯的重中之重，再者初三物理是起始阶段，良好的学习习惯的培养会为高中的后续学习铺路架桥，因此，物理课堂教学中学生自主学习习惯的培养是物理教学中一个非常值得研究的课题。二、解决的主要问题本课题通过研究，探索培养学生良好自主学习品质的有效途径、方式方法、目标效果、操作步骤等，通过情境指导、主题活动等激活物理课堂教学，重点以激发“兴趣”为基础，培养“习惯”为核心，掌握科学的学习方法为目标，将其心智能力与操作能力有机融合，根据实际情况以及相关理论制定科学的指导方案，加强教师对学生学习生活中学习兴趣、学习习惯、学习方法指导与培养，提高教师的指导能力，全面提升学生素质，提高学校教学质量。课题组教师着力进行培养学生自主学习习惯的课堂改革实验。在实施研究过程中突出课堂教学以学生为“主体”，倡导学习“自主”。把“问的权力、读的时间、讲的机会、做的过程”还给学生，鼓励参与。注意引导启发学生发现规律和掌握规律，发展学生非智力因素，把握教学创新点。创设物理课堂教学“完善个性，尊重人格，崇尚自由，终身发展”的教育氛围。三、本课题研究的现状与趋势分析自主学习的精神是国内外许多教育家、学习理论专家所积极倡导的。对于初中学生学习品质的培养一直以来就受到国内外教育专家的关注，也产生了很多研究成果，但是初中生学习习惯的研究缺乏分层面的细致指导与相关指导的策略。针对广大教育工作者，对不同年段和学科特点的学生良好自主学习品质的指导策略不够细化，而物理课堂教学中学生自主学习习惯的培养的研究将切入点放在分层对不同年级的学生进行指导，对激发学生的学习物理的兴趣、培养学生良好的自主学习习惯，形成一定的学习能力具有实际指导价值，具有理论价值。 “在教育过程中，学生本身的作用具有关键性，任何别的因素（如教师与教材等）的作用都是不可替代的。”自主学习同积极学习、研究性学习、探究性学习等，有着异曲同工之妙。不过，我们认为，自主学习所涵盖的意义与内容要更广泛一些。要实现学生的物理课堂自主学习，有着许多因素和条件。我们认为即将构建的物理“自主学习”课堂教学模式，应有以下突破：①培养学生良好的学习品质，加强学生自主学习的心理建设，提高自主学习能力；②教师能发挥指导作用，在培养学生良好的学习品质上下功夫，研究学生自主学习的心理因素；③课堂信息反馈渠道多元、畅通。四、课题研究的实践意义与理论价值实践意义：在初中物理课的学习过程中，良好的自主学习习惯的自我培养是十分重要的，近期作用是可以使学生自己处于主动学习状态中，远期作用是使学生自己具有自主的继续学习能力。本研究通过深入的调查和探索不同年级学生在学习物理品质的养成上存在的问题，找出规律，以理论为引导，探索相关教育策略，为广大基层教育工作者的教育实践提供指导，具有实践价值。理论价值：按照自主学习的教育思想和教学方式，努力实现学生自主发展的目标，有利于培养他们独立的人格和良好的心理品质；有利于培养他们主动学习、主动探索、敢于竞争、善于合作的良好品质；有利于培养他们敏锐的观察力、良好的思维力和丰富的想象力；有利于培养他们善于动手、精于实践的能力，是培养创新人才的一条现实性道路。五、完成课题的可行性分析我们认为，本课题取得较满意的成果是完全可能的，这是因为：人员结构方面：课题组队伍构成合理，以研究人员和教师为主体（包括中学高级教师、威海市物理学科带头人、物理助理教研员等），以各方面专家为依托，研究中可以相互支持、相互交流，能推动课题的深入研究，为课题研究提供了可靠的人才保证。资料准备方面：在研究的内容上，重点放在新课程下将新的教育理念转变成教师的教学行为上，每个阶段都有一个明确的主题，有提高学习质量的行之有效的教学策略，为课题的开展提供了强大的理论后盾和成功保证。环境条件方面：我校有着良好的师资条件，能为学生创造各种所需的环境，再者我校学生来源广泛，家庭情况有很大的差别，为科研的开展提供了有利的场所和个性差异的研究对象。科研手段方面：本课题将采用行动研究法、调查法、个案分析法等，通过信息技术等电化手段促进学生良好物理学习习惯的形成。
这里首先论述物理文化的形成，其次对物理文化认识自然的功能、物理文化变革社会的功能、物理文化培养创新人才的功能进行论述，进而阐明物理文化是现代文明基础这一观点。物理文化的形成 物理学的发展改变了人类的生活方式和生产方式，成为一种具有巨大威力的文化力量。 物理文化的起源，可以追溯到遥远的古代。古代的哲人、先贤们是凭借简单的观察和直觉，对自然进行猜想和思辨。例如，老子宇宙生成的思想就是这样。老子提出一种宇宙生成的模式（假设），确认宇宙万物有共同的本原。“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天下母。吾不知其名，字之曰道，强为之名曰大。” “道生一，一生二，二生三，三生万物。”又有“道之为物，惟恍惟惚。惚兮恍兮，其中有象；恍兮惚兮，其中有物。窈兮冥兮，其中有精，其精甚真，其中有信。”赋予道无名无为，无形无体，无声无色，无物无象，然而又无处不在，无时不有，万物恃之而生的特征。我们不难看出，老子设想在天地万物产生以前有一个无形、无声，无以名之的东西—“道”，它是产生万物的本原，是天地万物产生、变化的根源。再如古希腊的亚里士多德等著名学者虽然应用了一些简单的科学方法，但是仍然是简单观察基础上的思辨。真正意义上的物理学，是源于精确、细致的观察和实验。重视观察和实验是物理文化最基本的特征。通过肉眼和仪器观察自然是物理学家发现规律的基本方法之一，开普勒行星运动定律就是在第谷大量精确的天文观察数据基础上归纳出来的。意大利著名物理学家伽里略最先把实验方法引入物理学的研究中，开创了利用仪器和设备在有利条件下研究自然规律的先河。1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》开辟了物理学的新纪元。在伽里略、牛顿创造的科学方法论的领引之下，物理学的发展进入了正确的轨道。20世纪初量子理论和爱因斯坦相对论的建立，物理学进入了当代发展的快车道，从根本上改变了人类的思维方式，而现代物理学的广泛应用从根本上改变了人类的生活方式。物理学科学体系的建立、物理学在工业、农业、医学、国防的中的广泛应用，成为人类新时代的重要的文化背景之一。3、物理文化认识自然的功能从系统论的角度来看人类文化系统是一个巨大的系统，它由若干系统构成，我认为：人类文化 =宗教文化+法律文化+习俗文化+政治文化+科学技术文化。 而在这些文化中科学技术文化是没有国界的，是当代人类文化的主流文化，是领引社会进步的主要力量。物理文化是科技文化的基础，因而具有不可替代作用。 物理科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。早在公元前340年，希腊哲学家亚里士多德，就已经认识到人类居住的大地是一个圆球而不是一块平板。希腊人为地球是球形提供了一个直观的论据，就是从地平线外驶来的船总是先露出船帆，然后才见船身。 亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他感到地球是宇宙的中心，而且圆周运动最为完美。在公元后两世纪，这个思想被托勒密精心制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正中心，包围着它的是八个天球，这八个天球分别为月亮、太阳、恒星和五个当时已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。 1514年尼古拉·哥白尼提出了一个更简单的模型。他认为：太阳是静止地位于中心，而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。但是将近一个世纪以后，他的观念才被接受。1687年伊萨克·牛顿出版了《数学的自然哲学原理》这本划时代的巨著，在这本书中，牛顿不但提出物体如何在空间运动的三条定律，并且提出了万有引力定律，根据这定律，宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引，物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力越大。这也就是使物体落到地面上的力。牛顿继而指出，根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。 在20世纪之前从未有人提及过，宇宙是在膨胀或是在收缩，但在1929年，埃德温·哈勃做出了一个具有里程碑意义的观测：不管你往那个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻。 以量子力学和相对论的创立为标志的物理学革命， 不仅导致了人类宇宙观的重大转变， 诱发或促进了整个自然科学的变革， 而且带来了人类社会空前的技术进步，极大地改变了人类的生产方式和生活方式。 物理学一方面把人类的视野扩展到 150 亿光年的遥远的宇宙空间，用“宇宙大爆炸”的学说，解释了大尺度的宇宙现象 另一方面又把人类的视线一步又一步地引进分子、原子、原子核和基本粒子的领域，物理学是认识物质世界的基本工具，借助物理科学思想和客观事实，人们能够科学地理解我们赖以生存的物质世界，这一点有着十分重要的现实意义 ，它是战胜一切非科学的宇宙创生观的最有力的理论基础。 4、 物理文化变革社会的功能 物理文化作为人类近现代的一种新兴的文化力量，极大地推动人类社会生产方式和生活方式的变革。经典物理学的成就为工业革命及电气化奠定了基础，人类的第一次工业革命发生在英国，它以蒸汽机的应用为标标志。18世纪末英国纺织工业的机械化，急需提高蒸汽机的效率，这一实际需要推动了热力学定律的创立，而热学理论又反过来指导热机的改进。第二次工业革命是以电力的广泛应用为标志的，是以电磁学理论的创立为先导，其改变人类社会面貌的发展模式是：物理——技术——生产。从法拉第电磁感应定律到电气技术化、适用化大约经历了50年时间。 电学和磁学现象的研究以及麦克斯韦的电磁理论为建立现代的电力工业和通讯系统奠定了基础，无线电、电视、雷达的发明极大地改变了人们的生活。 20世纪初物理学的两个重大进展，一是相对论的建立，另一个是量子力学的建立。量子力学为描述微观自然现象提供了全新的框架，量子力学不仅是现代物理学的基础，而且也是化学、生物学等其他学科的基础。在应用方面， 量子力学还催生了半导体、光通讯等新兴工业的崛起， 并为激光技术的发展、 新材料发现和研制以及新型能源开发等开辟了新的技术途径。 半导体材料、半导体物理和半导体器件研究的进展为计算机革命铺平道路，而计算机革命给人类社会和技术进步所带来无法估量的影响。随着相对论和量子论的创立及其应用的深入，物理学对社会与经济的发展、对人们的生产与生活乃至人类思维本身产生了愈来愈重要的影响，如人们利用航天技术进一步探索宇宙的奥秘，通过电子显微镜能看见组成分子、原子，还有纳米技术、激光技术、信息技术的应用等皆已经并继续对社会发展产生巨大影响。当然在科学技术为人类社会带来福音的同时也出现了一些社会问题，如能源危机、全球变暖和臭氧破坏等。如何有效地其应用物理学的新发展，避免负面影响，如何提高未来公民的科学素质，树立正确的科学观等，这些皆对物理学界和物理教育界提出了新的要求。 物理学是现代物质文明的基础 没有物理学就没有现代化的电力技术和家用电器；没有物理学就没有现代医学的诸多诊治方法，如 X 光、 B 超、 CT 、核磁共振、γ射线、激光刀等；没有物理学就不能创造出汽车、火车、飞机，不能有火箭和人造卫星以实现飞离地球、奔向太空探索的梦想 ；没有现代物理学就不能创造出晶体管、集成电路，因而就没有现代信息技术 ，就不可能进入网络时代物理学直接应用成果，和间接的应用成果，极大地推动了整个科学和技术以及社会的发展，改变了世界的面貌 因此，全社会都应该设法去体会和理解物理科学，欣赏物理文化，更加关注自然，与自然和谐相处。 5、 物理文化培养创新人才的功能 从文化的角度看，物理文化是一种高品味的科学文化。物理文化是由人和物构成的综合体。物理学作为人类认识自然的伟大成果，无论其内容、方法和结构都是人类创造智慧的集中体现，优秀的物理学家群体和物理应用工程师在物理学探索过程和技术应用中闪耀着科学创造之光。物理教师作为物理学活的载体通过物理试验仪器、设备，物理书籍、论文、软件等在学校中创造出一种物理文化环境。这种环境充满探索、发现、创新，充满好奇心。 古人对自然的奥秘发出过多少质朴的发问：天体是怎样运行的？热现象的本质是什么？电与磁有什么联系？光的本质是什么？物质是怎样构成的？正是自然界美妙而复杂的现象，激发了一代又一代物理学家的好奇心，促使他们去探索自然现象背后的本质，而物理学的每一个科学概念的产生都充满了探索和创新，还包括对已有错误观念的批判。今日的物理学并没有终结，仍然有许多问题有待探索，物理理论的技术应用更有广阔的创新天地。 物理教育作为物理文化的组成部分，要充分体现创新的特征，教学过程要把培养学生的探索精神，始终放在重要地位，把物理知识和方法的教学作为培养学生创造力的基础。教师的教学方法和手段也要不断创新，不能把活生生的充满创造之光的物理学蜕化为干巴巴的概念、枯燥的公式和繁杂的计算。要使物理教学具有生动性、创造性，激发学生的好奇和兴趣，满足学生的创造天性。 人具有多种潜能，其中最重要的潜能就是创造潜能。创造力不是科学家、艺术家、发明家这些人所独有，常人和天才之间没有不可逾越的鸿沟，而是那些善于开发和利用他的创造潜能的人，表现出比常人更强烈的创造性。创造潜能通过创造性教育能够开发出来。美国人类潜能研究学者奥托在《人的潜能的启示》中写到：“数据表明，如果你参加过创造能力训练的话，你的创造力比以前更加旺盛”。爱因斯坦也有类似的观点：“如果青年人通过体操和走路训练了他的肌肉和体力的耐久性，以后能适应体力劳动。思想的训练以及智力和手艺方面的技能锻炼也类似这样”。因此，在中学和大学教育中实施创造性物理教学能够提高学生的科学创造素质。大学物理教育是培养理工科大学生的基础教育，创造性物理教学有助于培养学生举一反三、触类旁通地应用所学知识，解决四化建设中的各种问题，适应瞬息万变的社会发展的智力需要，实施创造性物理教学是满足社会对创造型人才需要的重要环节。因此，我们认为物理文化教育能够为培养创新人才做出独特的贡献。
