用以培养学生元认知监控能力的虚拟学习环境的规划探究

培养学生元认知监控能力的虚拟学习环境的设计探究以高中信息技术课堂为例虚拟现实技术以其美妙的沉浸性、良好的交互性和丰富的想象性给教育带来了新的理念和变革。本文以目前高中学生在信息技术学科学习中的实训环境现状出发，分析了当前普通高中学校实验教学的不足，提出利用虚拟现实技术构建虚拟学习环境来解决由于上述因素给教学带来的不利影响。本文旨在通过对虚拟现实技术应用于高中信息技术教学的研究，显现它在普通教育领域的亮点和优势。关键词元认知监控，虚拟现实技术，虚拟学习环境一、元认知监控及其在学习中的重要性元认知监控的概念是由美国心理学家弗拉维尔于1976年在其认知发展一书中提出的。元认知（METACOGNITION）又译反省认知，是指个人对自己认知历程的认知。具体地说，元认知概念包括元认知知识、元认知体验、元认知监控3种成分。在这3种成分中，元认知监控是元认知中的核心成分，是学习成功的关键。元认知监控是指个体在认知活动中能不断评价认知过程，获得认知活动质量的信息，找出认知偏差，并能适时地调整计划，选出恰当的策略。它主要包括制定计划、实际控制、检查结果、采取补救措施。近年来，国内外学者开展了许多关于元认知能力发展的实验研究，发现造成学生学习能力不同的原因并不是他们的知识水平不同，而是他们的元认知水平不同。正如我们在学习的时候，如果我们能够发现自己走神了，并且进一步集中注意力，以便更好地完成学习任务；或者我们发现自己的学习方法效率太低，开始进行方法的调整，这些都是元认知监控在发挥作用。如果我们自己很久才发现自己效率太低，或者知道自己效率低却又不能及时调节，就是元认知监控能力的低下。而元认知监控就是根据自我意识到的信息，对自身的学习方式进行调整，以寻找到最适合的认知方式和情绪状态。二、目前高中信息技术课程对学生动手实践的缺乏导致学生元认知监控能力低下营造良好的信息环境，打造终身学习的学习环境是信息技术课程基本理念之一。我国基础教育课程改革人才培养目标中强调，学生应具有初步的创新精神和适应终身学习的基础知识、技能和方法。培养元认知监控能力将有利于促进学生所掌握的陈述性知识向程序性知识的转化，有利于帮助学生形成正确的认知导向和学习迁移，有利于学生创新意识的培养。虽然课改宗旨是提高学生信息素养，为学生打造终身学习的能力，但在具体落实情况看来，教师对学生内化知识，学习能力的培养不够重视。以网络技术应用为说明，教材主要内容有“网络技术基础”、“因特网应用”、“网站设计与评价”三大内容。在“网络技术基础”章节教学内容是建网与接入因特网。学习网络知识，尤其是关于网线制作，双机互联，局域网布图，选择拓扑结构组建网络等操作技能很强的学习，学生应该有动手实践的机会。但目前南京高中学校机房的配置仅可以供正常教学，多数学校不愿投入大量的财力购买满足实践需要的设备、材料，导致学生正常的实验训练无法得到保证；又因教师教学手段较为单一，目前的上课现状主要采用幻灯片为演示，口头叙述为辅助，大量练习题做测试，偶尔借助有操作内容的视频调节乏味的学习环境，依然摆脱不了讲听式、讲座式的教学方式。这样的结果就是学生对课堂学习毫无兴趣，学生也不能产生一个对学习过程的认识策略，不会回顾自己的学习过程，不会调整自己的学习进程，不会计划学习任务。他们在学习中获得最多的仍然是停留在记忆层面的文字信息。学生的元认知监控能力没有得到发展。下面一张表格可以更清楚反映。元认知监控学生的学习（以网络选修为例）自我制订计划无，按照老师课堂任务去做实际控制无，检查结果通过不断做题测试得分采取补救背正确的答案三、用以促进学生元认知监控能力的虚拟学习环境探究虚拟现实技术按其功能大体可分为四类沉浸虚拟现实技术、分布式虚拟现实技术、混合现实系统、桌面虚拟现实技术。桌面式虚拟现实技术，也称窗口中的VR，是虚拟现实技术的一个分支。其主要特点是不需要昂贵的大型计算机和复杂的外围设备，主要通过计算机的屏幕和声卡等常用设备与用户交互，用户主要是通过鼠标、键盘等设备控制和操纵虚拟环境中的物体。尝试用桌面虚拟现实技术为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造硬件模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。研究设想在虚拟实验活动中，学生在自己的认知结构和对实验内容理解的基础上，设计方案，通过自我调节和管理，在虚拟实验系统中活动。创设真实情景,实现形象化教学,提供虚拟实践的机会，有效突破培养学生元认知监控能力的物质条件限制。从技术手段，虚拟现实技术可以模拟一个供学生动手实践的实验环境。例如，有这样一个实践环境，学生可以通过鼠标的点击，模拟双绞线的组合顺序；在组建网络的环节，可以实现一个类似线路图的流程。在流程里，学生选择小型局域网的硬件连接点，选择通信协议，配置网关，IP地址的分配等。这个层次的设计可以解决硬件资源不足的困扰，从而通过对学生技能的训练达到学习概念的理解与巩固。利用虚拟学习环境引导学生学习意识，从而进一步提高他们的元认知监控能力。三、虚拟学习环境的设计1、学习环境的结构和功能设计本虚拟学习环境是为高中信息技术课程网络技术应用开发的。选取其中的组建局域网为本虚拟学习环境的一个开发项目。虚拟学习环境的建设，除了模拟实物，更重要的要将虚拟学习环境的学习融合元认知监控进行训练。分析网络技术应用主题如下有三大部分图1网络技术应用内容其中网络技术基础单元主要涉及了网络是如何工作的问题，让学生在因特网应用的基础上增进对网络技术基础理论与基本原理的了解，如计算机网络、网络协议、网络通信、网络应用模式、IP地址、域名和局域网的构建等。针对这一环节教学条件限制以及学生学习效率不高的情况，本虚拟学习环境旨在改善网络教学内容的实践条件以外，还可以提高学生的元认知监控能力。本学习环境主要有四大模块组成图2结合元认知监控的学习环境功能（1）学习计划制定模块学习计划的制定是学生学习能力的体现，主动性，自控的体现，知识组织能力的体现。完全让学生自己制定或规划学习，尤其对于很少注意知识整理归纳的学生，他们会漫无目标，不知所措。故而虚拟学习环境要具备可以引领学生学会制定学习计划的策略。从教材分析可看出，组建局域网涉及到网络拓扑结构、网络连接设备、传输介质、网络协议、网络服务等知识体系。已有研究表明问题清单是个体不断促进反省能力的训练，自拟提问清单，可以调动学生的主体作用。虚拟学习环境可以设计类似提问清单的方法帮助学生学会制定学习计划，养成良好的学习习惯。例如在组网实验前引导学生思考网络规模、拓扑结构、网络硬件、软件的思路等。系统给出清单目的在于唤起学生思维中的概念记忆，学生再结合实际的学习任务与个人认知重新梳理，去伪存精，重新建立一份个性化的清单。学生根据这份自我提问的清单，便可制订了局域网组建的步骤。学生自己提供一份进行自我观察、自我监控、自我评价的问题清单，可预测出学习过程可能遇到的问题，自己尚缺的知识准备等。学习系统事先只是提供一个问题清单的简易模板，所以便不会造成学生的依赖。（2）执行监控模块制订学习任务后，虚拟现实技术构建的学习环境便为学生创设练习的机会。学生可以根据原先制定的规划实验自己的计划是否合理。举一个简单的例子不管是最简单的双机互连网络，还是小规模的机房局域网络，这其中网线制作的环节是不可缺少的。学生对于T568A标准线序和T568B标准线序记忆困难。虚拟学习环境可以让学生有模拟排列双绞线线序的练习，排列好之后，再选择网线连接的两端设备。虚拟学习环境系统有智能监控功能，记录下学生的操作过程与结果，进而判断学生操作的正误。（3）检查结果、即时补救模块学习系统在自动监测学生操作行为的环节同时可以给出学生练习错误的提示。根据提示，学生进行自我反思，试图查到出错环节，学生通过自己以及虚拟学习环境这样非外界人力的帮助，重新调节原来的知识概念，将错误环节进行改正补救，这些也有助于自我效能感的提高。不仅如此，经过训练，学生解决问题的正确性和克服难题的坚持性也得到了提高。例如，在若干电脑组成局域网并连入因特网时，集线器与交换机的选择，路由器的选取与否等。如果学生选择硬件错误，学习环境便给以暗示或文字形式提醒，或操作虚拟实体的位置变化。在诸如此类的暗示下，学生便可以步步为营，最终找到出错点。（4）评价体系模块评价体系可以分为自我评价，同学评价，教师评价3个部分。自我评价更体现反思过程。学生通过撰写半开放式的自查表反思学习的得与失，分析存在的困难及其原因，而根据同学间的评价可以了解他人的不足与长处。学生在自我评价中学会分析、监控自己的学习过程和学习质量。在评价他人的过程中，既是取长补短，也可锻炼个人看待事物的客观性。教师负责提供作品评价的量规和范例，对学生的评价进行集体或个别的指导，这样也避免了学生间评价的任意性。整体学习环境设计与学生互动之间的关系如图3图3虚拟学习环境与学生互动关系2、开发环境系统的开发环境包括WINDOWS200O/XP；开发采用编译器JAVA语言；数据库系统为ACCESS。使用的软件工具有3DSMAX，用于制作实物模型、CULT3D用于实现模型交互控制和场景布置、DREAMWEAVER用于制作信息的集合平台。客户端采用微软IE浏览器，用于系统用户接口功能测试。系统运行环境主要结合用户已有的系统环境来进行系统部署。网络系统是现代信息系统的重要支撑，网络环境由连接系统的服务器、客户机以及其他类型的终端设备组成。系统运行硬件环境是提供核心数据库服务和提供WEB服务等应用的PC服务器，其操作系统是WINDOWS2000SERVER/WINDOWSXP。客户机为普通的PC机。由于微软的操作系统界面友好，大家非常熟悉，客户机的操作系统都选用WINDOWS2000/XP。四、虚拟学习环境给信息技术课程带来的优势1、弥补远程教学条件的不足在实际教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。2、避免真实实验或操作所带来的材料耗损真实的实验下，学生由于不熟练的操作导致失败，将实验提供的例如双绞线、水晶头浪费的现象是可以想像的。在虚拟学习环境进行实验，则可以免除这种顾虑，学生在虚拟实验环境中，可以放心大胆地去做尝试。3、有效发展高中生元认知监控能力虚拟学习环境不仅引导学生检查答案是否正确，而且可以引导学生检查自己的解题思路。使学生养成对学习活动积极反思的习惯，从而提高学生学习的监测、调控能力。在教学课堂中教师参与减少，更多是在教学中注重学生元认知监控能力的培养，有效地调动了学生学习的主动性。听课不再是被动接受教师传授的知识。由于在实验训练中采用表单提交的方式，并且可以呈现班级的整体思考结果，大家努力使自己不要成为旁观者，积极思考一些问题，改变了教师“一言堂”的局面。利用虚拟学习环境中的评价功能，一部分同学能够对每节课所学知识进行反思，找出它们与先前知识的联系，感觉学到的知识不再是零散的，而是前后相关联的，尤其是可以将局域网知识有条理地结合在一起。促进了学生认知结构的完善。五、结语VR是信息科学领域中的新兴技术，它具有宽阔的应用前景。我们相信，虚拟现实技术作为一个新型的教学媒体，以其自身强大的优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育领域广泛应用并发挥其重要作用。同时我们也要认识到有了外在的条件，教师转变教育教学观念也是培养学生元认知监控能力的前提，学科教师应对元认知监控理论、作用和意义有较为深刻的理解和认识，提高自身的教学能力。此外作为信息技术教师，应该掌握多技之能，利用自身专业优势，才能够开发出有益于课程及教学、符合学生学习规律的辅助学习环境。在本次研究中采用调查问卷以及借助虚拟学习环境对高中生元认知监控能力进行了调查和分析，在此基础上通过实证性研究虚拟学习环境对提高元认知监控能力有促进作用。所得结果不但对学生信息技术能力的提高提供了一条有效途径，而且对其他学科进行元认知监控能力的培养也有借鉴作用。通过对高中生元认知监控能力的调查和培养发现的问题（以信息技术课程为例），认为信息技术教师在教学工作中也要注意到学生的元认知监控能力对信息技术学习有着至关重要的作用，教师要想提高学生的元认知监控能