元认知学习环(MLC)教学模式及其在化学教学中的应用

元认知学习环(MLC)教学模式及其在化学教学中的应用

《普通高中化学课程标准（实验）》明确指出：“积极倡导多种化学探究活动，使学生体验科学研究的过程，强化科学探究的意识；进一步理解科学探究的意义，学习科学探究的基本方法”[1]。在新课程背景下，科学探究已成为中学化学教学的主导趋势。“如何改变传统的教学理念，将科学探究的思想和方法引入化学教学，如何有效的组织探究教学活动、培养学生的科学探究能力”等问题，日益成为中学化学课程改革的焦点。学习环模式，作为一种基于建构主义学习理论的探究式教学策略和课堂发展模式，为以上问题的解决提供了有利的参考，受到教育工作者的广泛关注。一、元认知学习环模式的基本含义学习环模式是20世纪60年代，由美国一项关于小学科学课程的项目“科学课程改善研究”（sciencecurriculumimprovementstudy，简称SCIS）首次提出的一种科学教学策略[2]，由探索、概念介绍、概念运用三个阶段构成。随着SCIS项目的成功实施，学习环模式逐渐被证明是一种有效的科学探究教学策略和方法，许多科学教育者对其进行了研究、并达到相应的发展和完善。2000年，布朗克为了使学习者有目的地去反思自己的观点，将元认知成分引入其中，并命名为“元认知学习环(MLC)”[3]。元认知学习环借鉴了巴曼等人修订的四阶段学习环模式——预测、探索、概念介绍、概念运用[4]，并在此基础上增加了学习者对自身已有科学观点“状况”的揭示部分。这里的“状况”是指学习者建构知识的四个条件，即：不满意性(dissatisfaction)、可以理解性(intelligibility)、合理性(plausibility)和丰富性(fruitfulness)[5]。元认知学习环将科学教学过程划分为四个基本阶段，分别是概念评价／状况检查、概念探索／状况检查、概念介绍／状况检查、概念运用／状况检查，其关系如图1所示。图1布朗克等人的元认知学习环二、元认知学习环模式的化学应用例释元认知学习环是对学习环模式更具完备的发展，是一种符合学生认知特点、注重科学探究的教学模式，具有开放性、问题性、探索性、主动性、互动性等特征。学生从已知经验出发，通过模拟类似科学家的科学探究过程，发现化学概念、原理、规律，从而达到解决化学问题的目的，真正实现了由“接受学习”向“学会学习”的转变。以人教版普通高中课程《化学》标准实验教科书必修2“最简单的有机化合物——甲烷”中“空间构型”内容为例，运用元认知学习环教学模式教学，探究及体会其在化学教学中的应用。1.概念评价概念评价是指教师通过特定的教学手段唤起学生相关概念的元认知，以构建新旧知识联系的阶段。首先设疑，即学生在初中化学中已知甲烷是仅由碳、氢两种元素组成的物质，并且分子式为，那么甲烷分子中的碳、氢之间是如何结合的呢？就此问题，回顾化学键的相关元认知：结合氯化氢分子中碳的核外电子排布和共价键的知识（在氯化氢的电子式中，氢和氯之间有一对共用电子对，而达到氢和氯彼此的稳定结构），由学生自己逐步得出甲烷的电子式及结构式，并由教师实施状况检查，判断正误、详细讲解（甲烷中氢原子核外有一个电子，欲形成两个电子的稳定结构，需要形成一对共用电子对；碳原子有四个价电子，欲形成八个电子的稳定结构，需要形成四对共用电子对）。在唤起元认知的基础上，告知学生：甲烷的结构式只能表示甲烷分子中碳、氢原子结合方式，并不能表示甲烷分子中各原子在空间的排布情况，具有片面性。从而设立科学探究的主题：甲烷分子中各原子在空间是怎样排布的？2.概念探索概念探索是指教师向学生提供一定的科学素材，引导学生根据已有的元认知，独立或合作进行科学探究的阶段。这一阶段，既可激发学生的学习兴趣，又有利于开拓学生思维、提高动手能力、增强团队合作意识。教师通过知识卡片的形式，向学生呈现与甲烷空间结构有关的科学信息：“科学家们通过实验，测得甲烷分子中的四个C-H键完全相同，每相邻两个C-H键之间的键角、键长均相等”。学生以此信息为依据，大胆猜想；并以小组为单位，利用橡皮泥、木棍等工具（可统一设定黑色的橡皮泥球代表碳原子、木棍代表C-H键、红色的橡皮泥球代表氢原子），动手设计出符合要求的甲烷空间结构模型，并请每一小组的学生代表向大家展示、说明其小组构建模型结果，将示意图画到黑板上。再引导学生独立地依据以上猜想、讨论得出的甲烷多种可能构型，参照提供的科学事实：Ⅰ甲烷极难溶于水；Ⅱ实验测出二氯甲烷只有一种结构（二氯甲烷是甲烷中两个氢原子被两个氯原子所代替），讨论其合理性。3.概念介绍概念介绍是指教师根据学生的科学探究结果，给予相应准则并顺势形成科学概念，详细介绍概念的内涵及外延的阶段。教师直接提供判断准则，给学生以提示：“结构决定性质，性质同样反映结构”，同时帮助学生掌握学习有机物的一般方法。按照这一思路，从甲烷的基本性质出发，以提问、讨论的方式，由学生根据列举的科学事实，来对分子构型进行判定：事实I，根据相似相容定理，甲烷极难溶于水，得出甲烷是非极性分子、结构对称；事实Ⅱ，实验测出二氯甲烷只有一种结构，根据数学知识进一步提供限制条件。综合Ⅰ和Ⅱ的判定，推得甲烷的空间构型是正四面体型。最后，通过对甲烷分子的球棍模型和比例模型的动画观察、讲解，完整介绍甲烷分子的立体结构：甲烷分子中的一个碳原子和四个氢原子构成空间正四面体型；碳原子位于正四面体的中心，氢原子位于正四面体的四个顶点；四个C-H键是完全相同的，长度等于、每相邻的两个C-H键的键角均相等为109°28′。4.概念运用概念运用是指教师创设一定的情境，引导学生学会应用和拓展所学概念的阶段。教师向学生展示甲烷、乙烷、丙烷的分子模型图示，要求将甲烷空间构型的科学探究过程和科学探究结果（概念）运用于其中，解决下列问题：①根据乙烷、丙烷的分子模型图示，利用橡皮泥、木棍等工具，制作其球棍比例模型。②与甲烷结构相似的有机物有很多，观察甲烷、乙烷、丙烷的分子模型图示，比较已制作出的球棍比例模型，试归纳出它们在结构上的特点。5.概念评价概念评价是指鼓励学生开展自我评价和反思的阶段，渗透在化学教学的前四个基本阶段中，以各阶段的“状况检查”为基准，帮助学生总结甲烷空间构型的科学探究方法，明确对甲烷是空间正四面体构型这一概念的掌握、运用程度。三、基于元认知学习环模式的化学教学策略在化学教学实践中，广大中学化学教师不仅要认识到元认知学习环模式的实用性和优越性，还应全面考虑化学学科特征、学习者的特点，遵循不同阶段化学教学目标、教学内容的差异要求。基于对元认知学习环模式下的化学教学的具体操作进行优化选择和完善补充，现提出以下教学策略：1.注重认知结构，促进知识有序发展概念的评价，应以学生已有的认知结构和实际经验为起点，在充分调动学生的学习积极性和主动性基础上，帮助学生建立新旧知识的连接，明确知识发展的主干与脉络，实现化学教学知识的系统化、网络化，使学生内化为合理的认知结构，以便顺利地开展概念的探究教学。2.提倡生成教学，培养科学探究能力概念的探索，应向学生提供尽可能丰富的教学素材和资源，鼓励其大胆猜想、运用多种方法解决问题。避免为达到预先所设想的结果，控制学生作千篇一律的探究。通过与学生共同总结、对比判断多重探究结果、生成结论，从而使学生体验科学探究的过程、掌握科学的学习策略和探究方法、提高科学的探究能力。3.倡导自主参与，强化合作交流学习学生因元认知结构和水平不同、思考方式差异，对“概念的探究”理解不尽相同。教学应包括多方面的活动，如观察、猜测、实验、分析、推理论证等，以引导学生在教学活动中自主制定计划，在概念探究过程中适时地进行讨论、意见综合等合作学习，使其成为知识的主动探索者与发现者，并实现师生与生生之间的交流，达到拓展视野、拓宽思维的目的。4.创设问题情境，强调知识迁移运用概念的运用，要善于通过创设情境，以实验、观察、阅读等教学方法向学生提出问题，以问题为中心，组织学生独立将所学新知运用于解决实践。该阶段要重视学生问题的思维过程，而非单一强调结果的正确与否。在兼顾学生科学思维能力的发展同时，培养其知识的迁移运用能力。四、讨论元认知学习环模式符合中学化学新课程的理念，是培养学生科学精神和探究能力，实现科学教育的有效途径。研究发现，这种模式虽不是学