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  • 方案设计类问题解决中发展学生元认知的尝试
    文章来源:admin  点击数:54  时间:2017-09-18 10:58:18

    方案设计类问题解决中发展学生元认知的尝试

    吴翀云

    (江苏省溧水高级中学,江苏南京 211200)

    作者信息:吴翀云(1979- ),女,大学本科学历,中学高级教师,现主持省级重点课题一项。

    摘要:方案设计题是近几年高考的热点之一,难度大、综合性强。运用元认知思想提炼的“自我提示表”有利于帮助解决复杂的方案设计问题。在培养元认知能力时,需要按照由浅入深的原则,将提炼提示语的行为从自发走向自觉。

    关键词:实验方案设计;有机合成;化学解题;元认知;提示语

    1方案设计类题型的特点

          在教育部2014年印发的《金宝博188滚球备用网 全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中,首次提出“核心素养”概念。核心素养对普通高中化学学科提出的要求中表示,“建立解决复杂化学问题的思维框架”[1],“能依据探究目的设计并优化实验方案”[2]

    方案设计题在高考中常见的是有机合成和实验方案设计,这两类题要求学生能根据设计的目的和有关反应原理,结合所提供的仪器和药品等,设计出合理的方案和步骤。这类题型是近几年高考的热点之一,年年必考,具有很高的连续性和稳定性。由于设计方案时需考虑的因素很多,如制备或合成的条件控制,物质的分离和提纯,方案的简约性和经济性,对提供的试剂进行合理取舍等,所以,这是一类难度大、综合性强的题型。学生如不学会用合适方法指导自己进行思维的加工,并且在分析和解决问题的过程中不断有意识地进行自我诘问、自我反省,那么这类复杂的问题是较难被解决的。

    2元认知简介

    2.1元认知的概念

    元认知(metacognition,又译反省认知、后设认知),是美国心理学家弗拉维尔(Flavell)于 20 世纪 70 年代在其著作《认知发展》中提出来的。是个体对自己的注意、记忆、思维等认知活动的认知信用卡还被盗刷了5000元3],是“为完成某一具体目标或任务,认知主体依据认知对象对认知过程进行主动的监测,以及连续的调节和协调”并最终结识到了贝隆4]。后来,他对元认知进行了更简练地概括——反映或调节认知活动的任何一方面的知识或认知活动。

    2.2波利亚的元认知思想

          著名数学教育家波利亚在《怎样解题》一书中给出的“怎样解题表”对数学解题的影响巨大,他给出了一系列的解题提示语,如:未知数是什么? 已知数据(指已知数、已知图形和已知事项等的统称)是什么? 条件是什么?这些问题不是问别人,而是问自己,实际是解题者的自我反省。这些问题并没有直接涉及问题的具体内容,完全是针对主体自身思维,是对自身解题思维活动的反诘,是自我监察,自我意识,自我预测,自我调节,自我监控。[5]

          在《怎样解题》中,波利亚提出了“目标意识”,即“盯着目标”。波利亚指出:目标启示着手段,对目标的考虑可能会启发找到一个途径。考虑了目标,问题就一个接着一个出来了:⋯⋯这些提问引导了一条“倒退”的途径:如果能发觉了推出问题未知量的“已知量”,那就可以把这些“已知量”选做辅助问题的目标,就可以从后往前推了[6]

    2.3元认知和认知的区别

    元认知和认知是两个不同的概念,二者的关系可以从以下几方面来分析:

    1.活动内容 认知活动的内容是对认知对象进行某种智力操作,如书写硫酸铝中加入碳酸钙沉淀铝离子的方程式,是按照化学方程式书写时遵循的质量守恒、电荷守恒进行书写和配平,而元认知活动则是以对认知活动进行调节和监控为活动内容,如在书写上述方程式时涉及的元认知可以有:该反应发生的原理是什么?各物质的作用分别是什么?我是否见过类似原理的反应?我书写离子方程式时是否已经明确各物质是否能拆成离子形式?是否有未参加反应的离子存在?

    2.活动对象 认知活动的对象是外在的、具体的事物,如硫酸铝、碳酸钙在离子方程式中能不能拆开,铝离子是以氢氧化铝的形式存在的,书写离子方程式时需要遵循质量守恒和电荷守恒定律,而内在的、抽象的认知过程或认知结果等则是元认知的活动对象。因此,元认知活动必须把自身作为一种独立的客体看待,如我有没有认清该反应的反应物和生成物?质量守恒定律和元素守恒,哪一种能最快速帮助完成配平?我是否见过类似原理的反应?认知活动的目的是使认知主体取得认知活动的进展,而元认知活动的目的是监测认知活动的进展,并间接地促进这种进展。

    3.活动目的 元认知和认知活动在终极目标上是一致的,它们都是为了使认知主体完成认知任务,实现认知目标;

    4.作用方式 认知活动可以直接使认知主体取得认知活动的进展,而元认知只能通过对认知活动的调控,间接地使主体的认知活动有所进展。

    2.4元认知的结构

    元认知由元认知知识、元认知体验和元认知监控等构成。元认知知识包括认知主体的知识,认知对象的知识和认知活动的策略知识。元认知体验是指主体伴随着认知活动而产生的认知体验或情感体验。元认知监控是指主体在进行认知活动的全过程中,根据元认知的知识、体验积极地对认知活动进行积极的、及时的、自觉的监控和调节,以达到预定目标的过程。元认知监控包括制定计划、实际控制、检查结果和采取补救措施等四个环节。

    元认知知识、元认知体验和元认知监控三者互相依赖、相互制约,有机构成一个对认知活动具有高水平的自我意识、自我调节功能的开放的动态系统。

    2.5元认知的作用

          信息加工心理学家发现,“元认知水平是影响学习效率的重要条件”[7]在认知活动中始终处于支配地位。元认知与一般能力倾向存在独立性,实验发现[8]:元认知可以弥补一般能力倾向的不足,它是作为与一般能力倾向相对独立的一种因素起作用的。

    3实例

    3.1建立方案设计类题型的自我提示表

    本文依据波利亚的“怎样解题表”,结合元认知的结构,本人列出了方案设计类题型的四部曲,第一步,运用元认知知识,紧盯设计目标,根据目标为自己确立完成任务的子目标;第二步,根据提供的试剂,逐项完成子目标,实现元认知体验;第三步,结合原料或产品的性质,对现有方案进行检验和反思,实现元认知的监控功能;第四步,调整完善方案,形成最终设计。依据上述四部曲,得到如下自我提示表,见图1。

    图1 方案设计类题型的自我提示表

    3.2 依据自我提示表,实施解题程序

    12015江苏·19节选)实验室用下图所示装置制备KClO溶液,并通过KClO溶液与Fe(NO3)3溶液的反应制备高效水处理剂K2FeO4。已知K2FeO4具有下列性质可溶于水、微溶于浓KOH溶液,0--5、强碱性溶液中比较稳定,Fe3Fe(OH)3催化作用下发生分解,在酸性至弱碱性条件下,能与水反应生成Fe(OH)3O2

    提纯K2FeO4粗产品[含有Fe(OH)3KCl等杂质]的实验方案为:将一定量的K2FeO4粗产品溶于冷的3mol·L1KOH溶液中,                               (实验中须使用的试剂有:饱和KOH溶液,乙醇;除常用仪器外须使用的仪器有:砂芯漏斗,真空干燥箱)

    分析:根据上述解题表,结合实际问题,可以得到以下分析过程,见表1

    表1

    步骤

    问题

    回答

    依据题意

    确定目标

    本设计的目标是什么?

    提纯K2FeO4粗产品[含有Fe(OH)3KCl等杂质]

    本设计可细化成哪几个子目标?

    除去Fe(OH)3杂质;除去KCl杂质;

    结晶K2FeO4

    根据条件

    细化方案

    所提供的试剂是什么?

    实验中须使用的试剂有:饱和KOH溶液,乙醇;

    除常用仪器外须使用的仪器有:砂芯漏斗,真空干燥箱

    现在有一些与原料(含杂质)和产品的性质相关信息,你能结合试剂或仪器利用它吗?

    K2FeO4可溶于水且在强碱性溶液中比较稳定,在酸性至弱碱性条件下,能与水反应生成Fe(OH)3O2,所以将一定量的K2FeO4粗产品溶于冷的3mol·L1KOH溶液中,其目的是溶解K2FeO4并使之稳定存在;

    K2FeO4KCl杂质均可溶于水,可利用K2FeO4微溶于浓KOH溶液的性质将K2FeO4结晶析出,实现K2FeO4KCl的分离;

    Fe(OH)3杂质不溶于水,可用砂芯漏斗过滤除去;

    K2FeO4可溶于水,且在酸性至弱碱性条件下,能与水反应生成Fe(OH)3O2需用乙醇洗涤晶体

    结合信息

    自我反思

    在实现目的的多个步骤中,是否有先后顺序?

    杂质Fe(OH)3为沉淀,过滤除去,杂质KCl可溶于水,留在滤液中除去,且K2FeO4可在Fe(OH)3催化作用下分解,因此,需先将Fe(OH)3K2FeO4过滤分离后再结晶析出K2FeO4晶体

    你的初步方案是什么?

    用砂芯漏斗过滤,向滤液中加入KOH饱和溶液中,用砂芯漏斗过滤,晶体用适量乙醇洗涤2~3次后,在真空干燥箱中干燥

    审查方案,你是否利用了所有的信息?是否有多余信息或试剂?

    还有信息未用:①0——5中较稳定;②在Fe3Fe(OH)3催化作用下发生分解。结晶K2FeO4时,为防治其分解,可在0——5的冰水浴中进行;由于在分离提纯过程中Fe(OH)3首先被除去,且该过程中无Fe3+,因此,对于本小题,Fe3Fe(OH)3催化作用下发生分解属于多余信息(该信息已在本题的前几问中被涉及)

    补救总结

    自我调节

    综合考虑所有信息后,你的最终方案是什么?

    用砂芯漏斗过滤,将过滤液至于冰水浴中,向滤液中加入饱和KOH饱和溶液中;用砂芯漏斗过滤,晶体用适量乙醇洗涤2~3次后,在真空干燥箱中干燥

    22016无锡一模)盐酸阿立必利是一种强效止吐药。它的合成路线如下:

    分析:根据上述解题表,结合实际问题,可以得到以下分析过程,见表2

    表2

    步骤

    问题

    回答

    依据题意

    确定目标

    本设计的目标是什么?

    合成

    本设计可细化成哪几个子目标?

    苯环上的-CH3逐渐转化成-COOCH3

    在苯环上接入-NHCOCH3

    根据条件

    细化方案

    所提供的试剂是什么?

    见下一步分析

    现在有一些与原料(含杂质)和产品的性质相关信息,你能结合试剂或仪器利用它吗?

    对二甲苯()为目标产物的主要碳骨架,可利用路线中第①步的信息,将-CH3氧化成-COOH,然后与CH3OH反应成酯;

    参照第④步的转化,CH3COCl与氨基(-NH2)反应可实现-NHCOCH3的合成,而氨基-NH2)可由提供的信息合成

    结合信息

    自我反思

    在实现目的的多个步骤中,是否有先后顺序?

    本设计中主要涉及以下几个步骤i-CH3的氧化;ii-COOHCH3OH成酯;iii)苯环的硝化,即引入-NO2iv)硝基(-NO2)还原成氨基(-NH2);v)氨基(-NH2)与CH3COCl反应生成-NHCOCH3,考虑到苯胺易被氧化,应注意氨基(-NH2)的保护

    你的初步方案是什么?

    方案一,先引入-COOCH3,再引入-NHCOCH3(见图2);

    方案二,先引入-NHCOCH3,再引入-COOCH3(见图3);

    方案三,-NHCOCH3-COOCH3两个基团穿插引入(见图4-1和图4-2

    审查方案,你是否利用了所有的信息?是否有多余信息或试剂?

    题中第②③步信息尚未用到,其中第步信息与合成无关,可考虑成多余信息,第步显示,在-COOH转化成-COOCH3的同时,-NHCOCH3将转化成-NH2,图3和图4-1中显示的合成路线不妥;

    —CH3的存在使苯环上—NO2的引入更容易,图2中第一步路线不妥;

    补救总结

    自我调节

    综合考虑所有信息后,你的最终方案是什么?

    按上述分析,最合适的流程为iii)→i)→iv)→ii)→v

    详见图4-2

    图2先引入-COOCH3,再引入-NHCOCH3

    图3先引入-NHCOCH3,再引入-COOCH3

    图4-1 -NHCOCH3和-COOCH3两个基团穿插引入(一)

    图4-2 -NHCOCH3和-COOCH3两个基团穿插引入(二)

    4反思

    元认知是主体对认知活动的自我意识和自我调节,“是一个极其主动的加工过程”[9],在认知活动中处于支配地位。在解决方案设计类问题时,“首要目标是减小初始状态和目标状态的距离”[10],即将目标分解成若干个子目标而“逐渐接近目标[11]”;“元认知要求集中的思维和自我评价能力”[12],即经常自觉地运用提示语,这些提示语看似很自然、很平凡,但提炼出应对各种不同题型的适合自己的提示语却被认为是提高认知活动效率和成功可能性的最重要的成分。

    研究发现,需解决的问题较容易时,元认知似乎是自动加工的,学习者可能不会意识到自己的理解监控过程,如例1和例2中对目标的细化,而当遇到信息较多,思路不明晰的问题时,自动加工的流畅性被打断,调控行为介入,以弥补理解的不足,如例2中对第③步信息的挖掘与运用。因此,在培养元认知能力时,需依据由浅入深的原则,让学生逐渐意识到元认知能力对解题的重要性和有效性,并能将提炼提示语的行为从自发走向自觉。



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    [3]皮连生主编.教育心理学[M].上海:上海教育出版社,2011125.

    山谷中终年常绿Flavell J H. Metacognitive aspects of problem solving [C].In: L B Resnick ed. The Nature of Intelligence. Hillsdale, NJ:Erlbaum, 1976. 232.

    [5]郑毓信.问题解决与数学教育[M].南京:江苏教育出版社,1994.87.

    [6]涂荣豹.数学解题学习中的元认知[J].数学教育学报,2002,(4):6~11.

    [7]皮连生主编.教育心理学[M].上海:上海教育出版社,2011125.

    [8]Swanson H L. Influence of metacognitive knowledge andaptitude on problem solving[J]. Journal of EducationalPsychology, 1990, 82(2): 306–314.

    [9][12][]玛格丽特·马特林.认知心理学:理论、研究和应用[M].北京:机械工业出版社,2016.4:90.

    [10][11][]戈尔茨坦.认知心理学[M].北京:中国轻工业出版社,2015.2:440.

    注:本文发表于《化学教学》2017.04