苏建元

台南大学教育系

bredysu@gmail.com

易苏情

杭州市丁蕙第二小学

yisuqing0424@163.com

胡玥

杭州师范大学经亨颐教育学院

hy_zju@126.com

【摘要】元认知策略是培养和提升自我计划、监控、与评估等高阶能力的重要学习策略，本研究将其融入于小学生虚拟科学实验环境，并检验对学生科学概念理解、科学学习元认知能力的影响。研究采用准实验设计，以杭州某校两班共五十四位小六生为对象，分别置于融入/未融入元认知策略的虚拟科学实验环境中进行学习。研究发现融入元认知策略的虚拟科学实验作法更能提高小学生在科学概念的理解及科学学习元认知能力，且对低水平学生的学习效果更好。

【关键词】元认知策略；虚拟科学实验；科学概念理解；科学学习元认知能力

Abstract: Metacognitive strategies are vital for growing and enhancing students’ abilities in self-planning, self-monitoring, and self-evaluation, which are utilized in several disciplines. The purpose of this study is to investigate the effect of integrating metacognitive strategies into a virtual scientific experiment environment on elementary students' scientific conceptual understanding and metacognitive skills of science learning. The study used a quasi-experimental design. Fifty-four primary six children from two classrooms at a Hangzhou school are placed in a virtual scientific experiment setting with and without metacognitive methods. The findings revealed that virtual science experiments using metacognitive methods can increase primary school students’ understanding of scientific concepts and metacognitive abilities in scientific learning, as well as offer superior learning benefits for low-level students.

Keywords: Metacognitive strategy, virtual scientific experiment, scientific conceptual understanding, metacognitive skills of science learning.

1. 背景与动机

科学实验是科学教育中不可缺少的重要环节，随着信息技术的发展，科学实验已能借由计算机拟真的方式进行构建，营造出具高度交互、动态的虚拟科学实验（Virtual scientific experiment, VSE）环境，学生可透过界面操控物件或修改参数来探索科学。虚拟科学实验的优势不仅可让学生重复操作实验且兼具安全性，亦可透过仿真去动态呈现科学结果，例如肉眼不易观察到的科学现象（如水蒸气、板块移动、力与加速度等）(Toth et al., 2014)。例如Gunawan等人(2018)的研究，发现学生在电学的虚拟实验中更能理解电学知识及电的相关概念。Srisawasdi与Panjaburee (2015)采用虚拟实验去教导学生学习”浮力”，发现学生对浮力的概念理解有显著改善。Wang与Tseng (2018)也发现小学生在水的蒸发和冷凝科学知识学习过程中，以虚拟实验方式进行比采用真实实验进行，对小学生科学学习的效果更好。由此可见，虚拟化的科学实验可帮助学生更好地去理解科学、增强现象感知与强化分析、并提升科学探究与实践技能。然而，一些学者认为虚拟科学实验的呈现形式可能简化了实际的科学现象和过程，容易让学生产生误解(Mayer et al., 2001)，或造成学生未充分理解科学内容(Park et al., 2009)。刘清堂等人(2021)分析、比较了30个虚拟实验的教学案例，也特别指出造成学生学习效果不佳的部分原因便在于学生对虚拟实验操作的理解及对自我的掌控不足。

一些学者认为在科学学习（探索）的过程中去提高学生对科学的自我认知，让学生充分意识到所进行的科学实验为何，或设法让学生去反思与调整对科学的学习。这种强化学生自我意识的元认知策略，相较于仅让学生随意的进行科学探究所带来的效果更好，也更能促进学生有意义的科学学习(White & Frederiksen, 1998)。过去学者Flavell (1979)已将元认知定义为“个体对自我认知过程的主动监控、结果的调节，以及认知活动的协调。其包括涉及个体元认知知识和动机信念等层面的“元认知知识”，和涉及计划、监控、调节等层面的“元认知过程”。而元认知策略则是用来培养或引发元认知(自我计划、自我监控和自我评估)的手段或作法(Ridley et al.,1992)。自我计划主要涉及目标设定、对学习活动进行排序和安排时间、有选择地将注意力集中在目标上、及组织实现学习目标。自我监控则营造学习者有意识地检查并诊断学习的效果(de Boer et al., 2018)。而自我评估则让学习者去审视自身的学习结果。一般元认知策略的运用多采用提示（如提问、元认知线索、反思提示等）、反馈、反思日记等作法进行(Zohar & Barzilai, 2013)。如Chen (2013)及Zacharias等人(2015)就分别运用问题提示去促进学生思考，或用来帮助学生更了解自己为什么学习、如何进行学习，随时监控并反思自我的认知历程，进而调整学习进程和结果。Tatar等人(2013)将元认知提示设计到电脑模拟中，以促进学生对电学知识的理解，例如“请写下有关静电的看法”、“你有错误答案吗？、“课程前你的想法是什么？以及发生了什么变化？”。Kim与Pedersen(2011)将自我监控融入到生物主题的计算机模拟，研究发现使用自我监控的学生更加聚焦于科学实验的问题解决，且提出假设的能力比没有使用自我监控的学生要好，借此方式也促使学生更能掌控并了解是否进行正确的实验操作也提高对科学内容的理解。不过，可惜的是，这些类似的作法很少被设计到中小学的虚拟科学实验中，且如何融入以及对学生科学学习的效果，仍未有太多的探讨。

2. 研究目的与问题

本研究目的在融入元认知策略到小学虚拟科学实验环境，并探讨对小学生科学概念理解和科学学习元认知能力的影响，以及调查高低水平学生在科学概念理解和科学学习元认知能力是否有所不同。为此，拟定以下三个研究问题：

（1）融入元认知策略的虚拟科学实验能否提高小学生对科学概念的理解？

（2）融入元认知策略的虚拟科学实验能否提高小学生的科学学习元认知能力？

（3）高低水平的学生在科学概念理解和科学学习元认知能力上是否有所不同？

3. 研究设计

3.1.元认知策略的设计

本研究将元认知策略具体转化为自我计划、自我监控和自我评估三个子环节，通过以问题提示、量表评估的具体形式和机制设计，去帮助小学生提高在科学实验活动中的自我掌控、触发反思与自我调整，如图1所示。在自我计划阶段，元认知策略的提示呈现主要以简短问题、选择题的形式进行设计，以期能减少小学生的认知负荷。借由故事导入到预计探讨的科学主题并建构出探究情境，带出学生所需探索的问题，实际让学生更深入了解实验目的，且意识到所进行的实验将能帮助解决哪些科学问题。此过程要求学生在该阶段进行实验目标设定、以及写出将如何进行实验。在自我监控阶段，采用5点量表、问题提示的设计，促使学生使用自我监控以提高对内容理解程度，例如询问学生“刚刚你填写的答案，你觉得是正确的确定程度有多少？”学生可以根据“非常确定”、“有些确定”、“不清楚”、“有些不确定”和“非常不确定”来表示自己对答案的确定程度，从而让学生监测自己对答题的自信心水平，同时，当学生填写完答案后，元认知提示促使学生对自己的答案进行解释，例如“请简单叙述一下你的思考过程”，或进一步提醒学生去改变实验参数，重新观察实验现象/结果的变化，以找出实验数据中所发现的规律现象，并对更改条件之后的实验现象进行重新预测，以增进学生对科学概念的理解。而自我评估的环节则要求对自己的学习过程进行评估，例如以问题形式询问学生“你认为自己需要再次实验吗？”让学生去自我判别自身的理解情况，若学生认为自己需要再次实验，选择“需要”即可再次进行实验。

图1 虚拟科学实验中元认知策略的形式和机制

3.2.虚拟科学实验环境的构建

本研究的虚拟科学仿真单元采用由美国科罗拉多大学所研发出的开放式科学模拟教材PhET（The Physics Education Technology，https://phet.colorado.edu/），挑选小学阶段物理单元中的两个虚拟科学实验主题“力和运动”及“质量和弹簧”进行设计，该主题资源以html5格式制作，可方便教学设计者取用，本研究将其撷取后嵌入至所建置的学习平台，作为小学生预计探索的虚拟科学实验主题。如图2左侧所示，学生可于该操作界面拖拽实验器材或更改实验参数，透过自主操作过程去观察与了解实验现象；右侧则依照科学主题设计出学习任务和内容，让学生能根据左半部的实验操作和观察到的实验现象去逐步完成学习。而元认知策略则以先前所规划的形式与产生机制，整合到右侧的学习任务和内容之中。例如在填写数据表格之后，界面将呈现窗口，要求学生核实或确认所填的实验数据，以达到让学生自我监控的目的。

图2 虚拟科学实验界面

3.3.量测工具

本研究采用科学概念测验、科学学习元认知能力量表来检验小学生在虚拟科学实验中的学习成效，科学概念测验参照Wang与Tseng (2018)针对小学生科学知识概念理解测验试卷，针对本研究虚拟科学实验蕴含的知识点进行修改，试题内容涵盖“力与运动的关系”以及“质量和弹簧运动关系”两个主题。为了提高试题的效度，该试题编制好后，由两位小学科学领域的专家教师进行审核，以确保试题内容能确实检测出小学生对该单元主题学习后的科学概念理解。另外，科学学习元认知能力量表则采用Thomas等人(2008)所编制的“科学学习元认知能力测量问卷”（SEMLI-S），该问卷包含“建构主义连接度（CC）”、“监控、评估和计划（MEP）”、“科学学习自我效能（SE）”、“学习风险意识（AW）”、“注意力控制（CO）”五个维度，为五点量表，根据语意及翻译成中文版本后，考虑主题适切性并删减“建构主义连接度”维度，最后保留其中21道题项并进行内部一致性检验，所得出的α系数分析均超过0.7，可证明该量表的信度良好。

3.4.实验设计与流程

本研究的实验对象为杭州市某小学六年级两个班共54位学生（男生27人，女生27人），学生均具备基本的电脑操作能力，包括输入文字、操作鼠标等，研究采用准实验设计进行为期6周的实验。随机指派一班为实验组（n = 27），该组学生接受使用融入元认知策略的虚拟科学实验进行学习，另一班则为对照组（n = 27），学生使用未融入元认知策略的虚拟科学实验进行学习。于学习活动前后分别施以前后测，如图3所示。

图3 实验流程

4. 结果与讨论

4.1.学生的科学概念理解差异

本研究首先分别对控制组和实验组的前后测分数进行配对样本t检验（如表格1所示），结果显示实验组（t = - 6.50, p < .001）和控制组（t = - 2.62, p =.014）在实验后的科学概念理解均有显著提高。后续使用协方差分析（ANCOVA）来检验两组学生的科学概念测验分数的差异情况，经同质性假设验证，结果表明两组学生的前测和后测成绩组内回归系数无差异（F< 0.00，p =.983），符合同质性假设。后续经协方差分析结果显示控制组和实验组在实验处理后的科学概念理解情况有显著差异（F = 4.49，p =.039）。发现采用融入元认知策略的虚拟科学实验的学生科学概念理解分数，显著优于采用未融入元认知策略的虚拟科学实验的学生。

表1 科学概念理解协方差分析结果

	前测		后测		协方差分析			配对样本t检验
	M	SD	M	SD	df	F	p	t	df	p
实验组	66.56	6.94	77.67	11.25	1	4.49	.039*	-6.50	26	.000***
控制组	64.59	8.64	69.96	13.65				-2.62	26	.014*

注：*p<.05; **p<.01; ***p<.001

经由分析结果，推测出两组学生借由虚拟科学实验方式进行的科学学习，均能提高学生对科学概念的理解，而实验组学生接受融入元认知策略的虚拟科学实验进行学习的方式，于科学学习过程中强化学生自我计划、监控与评估的做法，更能帮助学生去理解科学，也因此证明元认知策略实施于小学生的虚拟科学实验，能够强化学生对科学概念的理解。该结果与先前相关研究一致(Thillmann et al., 2009)，表明在虚拟科学实验中融入元认知策略可有效促进知识的获取。

4.2.学生的科学学习元认知能力差异

本研究利用Mann–Whitney U分析结果显示（如表2），两组学生在“监控、评估和计划（MEP）”维度呈现显著差异（Z = - 2.71, p = .007），实验组在MEP维度上的得分（M =4 .22, SD = 0.55）明显高于控制组（M = 3.68, SD = 0.78），说明融入元认知策略能改善学生的监控、评估和计划能力。在“学习风险意识（AW）”（Z = - 1.15, p = .249）、“注意力控制（CO）”（Z= - 0.40, p = .689）、“科学学习自我效能（SE）”（Z= - 0.25, p = .806）三个维度上则没有显著差异。量表总体平均得分方面，实验组（M = 4.01）高于控制组（M = 3.89）。结果显示出融入元认知策略于小学虚拟科学实验，在提高学生的科学学习元认知能力方面中的“监控、评估和计划”能力有明显提升作用。猜测主要是本研究中对自我监控策略方面的设计数量较多，另从实验后的访谈中，多数学生也提及对自我监控学习情况的作法最感到印象深刻，认为该方式可帮助提醒对于所学内容的自我掌握，使其更有自信完成学习任务。

表2 两组学生科学学习元认知能力Mann–Whitney U检验结果

维度	实验组		控制组		Z	p
	M	SD	M	SD
MEP	4.22	0.55	3.68	0.78	-2.71	.007**
AW	4.31	0.34	4.49	0.26	-1.15	.249
CO	3.35	0.19	3.21	0.18	-.40	.689
SE	4.14	0.16	4.16	0.14	-.25	.806

注：*p<.05; **p<.01; ***p<.001

4.3.高低水平学生在科学概念理解和科学学习元认知能力的差异情况

本研究将科学概念理解前测成绩作为判定学生高水平的标准，两组学生取前40%的学生作为高水平学生，而后40%成绩的学生则设定为低水平学生(Chen & Huang, 2020)，分别对两组高低水平学生科学概念理解后测成绩进行独立样本t检验。经分析结果显示，实验组低水平学生成绩提升幅度明显高于控制组的低水平学生。可推论出融入元认知策略的虚拟科学实验对低水平学生的学习效果更好，而两组高水平学生在科学概念理解则无显著差异（t = 1.05, p =.308）。而两组高低水平学生在科学学习元认知能力方面，高水平学生在“监控、评估和计划（MEP）”维度没有显著差异（Z = -0.72, p =.470），但低水平学生在该维度表现出显著差异（Z = -2.73, p =.006），说明融入元认知策略的虚拟科学实验对低水平学生的监控、评估和计划能力有显著提升效果。有趣的是，两组的高水平学生在“科学学习自我效能”维度上具有显著差异，且控制组在该维度上的平均得分（M = 4.72, SD = 0.31）略高于实验组（M = 4.06, SD = 0.82）。尽管如此，本研究于小学虚拟科学实验中融入了元认知策略的设计，用以帮助学生运用自我计划、自我监控和自我评估策略进行科学学习，对低水平学生来说，该方式提高了学生的科学元认知能力，尤其是“监控、评估和计划”方面的能力。

5. 结论与建议

近年来许多研究关注元认知在有意义的学习上所扮演的角色，本研究聚焦于小学虚拟科学实验环境中，融入元认知策略并将其转化为具体的外在引导，来协助小学生产生自我计划、监控与评估的学习历程，让学生培养思考如何思考的过程，反省自我的学习情况及强化对科学学习内容的理解。本研究结果证实融入元认知策略的小学虚拟科学实验在提升学生科学概念理解和科学学习元认知能力方面具有正向作用，且对提升低水平学生的科学概念理解效果更加明显，也有助于强化低水平学生的监控、评估和计划能力。元认知能力的养成不仅能提高学生对自我学习历程的了解，帮助学生随时调整自我学习的脚步，也有助于增进学生问题解决能力。未来建议可搭配质性或混合研究的方式进行，以更全面地了解学生元认知能力的发展，本研究融入元认知策略的具体作法或虚拟科学实验的相关应用，皆可作为当前引导学生进行科学学习或探究的参考，进一步提高元认知策略及虚拟科学实验的使用范围与效益。

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