智能文明时代的知识更新速度前所未有，面对未来的变化，学生需要在变化情境中要学会跨界知识的迁移、修补、组合及重构来解决问题，要让学生有效地形成这种适应未来社会的关键能力，我们须让学生学会管理自己的思维，相对于知识的习得而言，这是更高维度的学习，实质指向了元认知的培养，那么如何通过STEM项目的实施提升学生的元认知能力，最终让学生像呼吸一样自然管理自己的思维？笔者在实践中试图创建他们的超级链接。

什么是元认知

 “元”概念产生于对内省法的自我证明悖论的哲学思索。元认知,又称反省认知, 即对认知的认知,其实质是个体对自己认知活动的自我意识和自我调节，它的积极意义是促使人的注意从指向问题本身转移到更高维度----自身的加工过程。苏格拉底以为自己异于他人之处在于“无知之知”，即“我知道，自己多么无知”。美国教育家杜威（Dewey） 早在20世纪初《我们如何思维》一书中,指出了培养积极监控能力、批判性评价能力的重要性。1976年,弗莱维尔（Flavell）在《认知发展》一书中开始明确提出元认知的概念及含义, 自此元认知的概念在心理学、教育学等领域得到广泛引用和大量研究。

我国第一篇专门讨论教育的论文《礼记·学记》----“学然后知不足, 教然后知困。知不足然后能自反也；知困然后能自强也。故曰教学相长也。”其中“知不足”可以归类到元认知知识，“知困”可以以为是元认知体验，“自强”“教学相长”则可以认为是元认知监控后的调节结果。另外孔子的“吾日三省吾身”、老子的“知人者智，自知者明”等其实也都涉及了元认知的范畴。我国对元认知的研究基本与国外同步,但整体研究水平还是落后于国外。就现有的文献资料看，目前国内外元认知的研究方向主要集中在三个领域: 提高学习效率的研究，元认知与认知智能的研究；元认知在算术、阅读等具体特殊领域的应用研究。借助STEM项目实施渗透元认知培养的研究相关文献在CNKI中目前未能找到，说明相关的研究尚未涉足。

STEM课程实施中如何让学生学会管理自身思维

Pugalee研究认为，问题解决包含问题的定向、组织、执行、确认等过程，而每个步骤包含着不同的元认知活动。基于项目的STEM课程具有问题基于真实生活；需要跨学科知识技能链接融合解决问题；问题非良构具有一定的复杂性等特点。面对路径无法确定，甚至目标尚不够清晰的问题，学生就如置身于原始森林，没有现成的解决方案或者策略，需要对预设随时进行风险评估。学生为了目标达成必须不断进行问题定向，策略定位，系统思考，当出现认知冲突时随时监控、调整和评价自己的行为，由此可见在STEM项目目标问题解决的过程中提供了诸多训练培养提升参与个体元认知技能的契机。

1、协作分享组内分工，建构元认知知识

 STEM项目学习通常安排小组协作，好处在于让学生的学习策略外显并处于他人的监控之下，争论的发生有助于各自审视自己的认知策略的优劣，为自己辩护的过程将反思自己采用该策略的缘由，能够引发执行的控制加工过程, 如调节、计划、注意问题特征等,并经深入思考进一步修补完善自己“发布”的解决问题的策略，以上活动将有效提高问题解决的成功率。已有的研究表明元认知知识能弥补一般能力倾向的不足并影响到问题解决。在元认知能力的训练中, 经常要求学生解释自己解题步骤的理由，当然可以是面对小组成员、全体学生，也可以以自省方式向自己提出一些关于问题解决过程的问题,并自己加以回答，同时倾听他人的意见特别是与他们意见相左的人，实践表明，问题解决中的言语活动能促进问题的成功解决。

2、问题情境沉浸式设计，培养元认知体验

元认知的实质就是人对认知活动的自我意识和自我调节。元认知体验特别容易发生在能激发高度自觉思维的工作、学习中。因为在这种工作中, 人们能采取的每一个主要步骤都要求事前有计划事后有估价,作出的决定和行动既重要又危险。当然此处的危险仅指被选中方案可能导致的与目标达成度之间的偏差,问题的非良构及问题解决途径的多元化让这种偏差充满不确定性，期间也提供了许多机会促使人们能思考和体验自己的思维。

STEM课程来源于真实生活情境，易构建沉浸式的体验情境，有效点燃学生解决问题的动机火花提升个体的自我效能，期间将学生获得元认知的体验，有时茅塞顿开，有时百思不得其解，有时又会柳暗花明，由于问题的解决回路中任何的差错都导致失败，而学生每次经历成功或者失败都会不自觉的启动元认知程序，审视回顾之前问题解决过程中各个节点，从而在有效失败中不断优化重构自己的元认知策略，同时这种链接于问题情境的元认知策略能够在今后类似问题的解决中得到快速的调用和迁移。

3、试错迭代与演进，启动元认知监控

元认知是我们所拥有的、能够改变反馈回路的最强大的内部力量。当遇到挫折长时间没有解决时，大脑会陷入一个消极思想的反馈回路中，这时候我们需要跳出原有的思维框架从问题中抽身，站在更高处审视审视思维反馈回路。元认知技能水平之所以能弥补一般技能的不足，在简单问题的解决过程中，由于冲突较少，无须认知反馈机制介入，因而其对问题的解决作用不明显。而在复杂问题例如需要跨学科知识技能整合来解决的STEM问题时，频繁的试错引起的认知冲突不断，元认知技能水平在问题的解决过程中将发挥关键作用，STEM问题的解决过程伴随着元认知技能的增长变化，因此我们应在教学过程中注重相关的问题规划设计。元认知觉察到整个思维模式的套用有致命错误，必须跳出圈子重新再来时，需要有效克服自我中心思维模式，元认知有时需要缘起----外部触发因子，比如小组协作过程中，STEM项目完成的不同路径，解决方案的变式都可以启动其他组员的元认知，从而重新审视自己解决方案的优劣，为下一步的演进迭代奠定基础，当然在小组整体陷于无法自拔状态时，教师应适时引导。

4、科技作文与演讲互动，变式元认知训练

结实的肌肉需要不断的操练才能形成，任何熟练的技能都需要重复的训练才能提升，元认知能力也是如此。元认知对思维的监视、审视、反馈、调节程序需要不断的演绎练习，就如驾驶员需要不同的场地来历练一样，众多的STEM项目案例就提供了绝佳的实境练习场地，与数学练习一样，元认知能力的培养也需要一定的变式，不同维度，难度递增的适性练习效果将更为理想。元认知的技能水平将在这种练习的累积中潜移默化逐渐提升。

科技作文与演讲互动可以看作是每个STEM项目的完成后的反思和答辩,也是元认知培养的练习变式。学生需要针对目标问题的解读、方案的选定、经历的反复挫折困顿、方案的独创性、问题解决的有效性及今后演进的方向作详细的回顾和说明，科技作文与演讲也是一种“出声思维”，即让研究者深层的个人经验能够外显，让别人可以看见或者听见个体的思维。这将促使元认知监控再度发生，对于今后迭代演进的说明将促使个体站得更高看的更远。在对自己的“产品”或者解决方案阐述过程中的互动辩论，演讲者将会回答诸如“你为什么那样做”之类的问题”， Berardi- Coletta 的研究也认为, 向学生问这样的问题可以促使学生把注意力从指向问题本身转变为指向自己在解决问题时正在做什么、想什么, 也就是从问题的水平移至观察问题解决者自身的认知活动过程。

STEM项目实施中影响元认知培养的诸多变量

Hob stadter说元认知就是“跳出一个系统后去观察这个系统”的认知加工，基于项目的STEM课程让学生深陷问题沼泽，迫使其频繁的跳出原有思维框架，继而给反馈回路施加影响，继而提升思维的灵活性和创造性，培养元认知的反馈调节能力。然而在实践中我们还注意到要达到以上愿景尚需控制一些相关的变量。

1、教学范式：采用协作学习模式，教室桌椅模块化设计

“现代课堂的座位排列始终保持了活字印刷那样的板式”----注意这里指的“现代”是麦克卢汉的20世纪60年代。过了半个世纪目前我们的学校里学生仍然是排排座。在以往的教育体系中过于注重行为规范的建议，然而跟其他诸事一样超出度后的结果是，规范化的座椅，规范化的答案，在这样的课堂里传递给学生的信息似乎是，你不需要有自我，跟着标准答案走才不会吃亏。助力元认知培养的STEM 课程应刷新教与学模式，当然应给学生的思维松绑，宽松的氛围至少可以暗示或者诱导学生突破束缚表达自我。

2、教学时间：合理安排教学活动，给予元认知程序运行充分时间。

我们的传统课堂追求热闹、准时、容量等元素，一方面教师缺乏对课程实施的主导，另一方面教师也缺乏放手的勇气和习惯。惧怕学生的新方案会影响教学进度。很少让学生充分想象迁移获取更多方案的可能性。STEM 项目具有复杂性的特点。一个项目目标往往要分解到若干的子目标，解决问题目标虽然明晰，解决之道往往飘忽不定，需要反复试错。在拉丁语中想象是“大脑在画图”，而画图是需要时间的，罗列众多可能方案并加以抉择时也需要时间。假如我们要求在极短时间内确定方案时，学生往往慌不择路采用一些投机策略，无法对众多可能方案进行有效甄别。而此时元认知程序的运行往往是不充分的。因此我们需要给予STEM课程实施充足的时间，而不仅仅追求学生在教师引导下快速到达彼岸，让学生体验有效失败的过程将使其审察、监控、调整自身思维的程序反复运行，利于元认知的培养，尽管应试教育已占用了太多的时间。

3、问题属性：项目设计注意真实性、趣味性与复杂性

我们要设计符合认知主体年龄特点的STEM项目，问题本身应具备一定的复杂性，让他们经历必要的认知冲突，让他们不时陷于问题的泥沼。这样才会频繁启用元认知程序，审视认知知识与认知策略的不足。同时预设好相应的教学支架，形式多元的支架超市使其不至于无法自拔。设计问题的真实性赋予问题以意义，趣味性则给学生增添动力，动机水平会直接影响个体元认知的积极性，制约其发展水平，浓厚兴趣会让个体产生解决问题的冲动及责任感，从而驱使元认知系统高效运转，最终提升解决问题的效率。而在此过程中产生的元认知体验、知识、策略又将丰富个体的元认知“货架”，为下次的认知活动做迁移准备。

4、评价机制：项目学习注意评价过程化和多元化

学生看起来异想天开离经叛道的独创性的解决方案，应该予以肯定。即使初始状态是不完善的。要知道爱迪生发明电灯做了1600多次的耐热实验，也就是说在取得最后成功方案前的1600多个解决方案都是需要优化的。提出越多解决方案的学生往往其创造性思维、元认知能力较强，也应该是重要的加分点。对于评价机制的适度刷新也要避免二元分裂，过程与结果并重。最后创意物化自然要加分，过程中的些许亮点也应随时发现，评价应贯穿于整个教学过程。另外一些非智力因素也要纳入评价，比如协助乐于助人从善如流等。学生在助人的过程中实质上将换位，会经常回答诸如“为什么要像你这么做”或者“我哪里做错了”之类问题，换位的过程也是跳出圈子触发元认知的过程。温斯顿.邱吉尔----成功就是从一个又一个失败走来，而不失热情的能力。热情是支撑学生跨越问题沼泽的动力源泉，而多元化形成性的评价将有效维持这种解决问题的热情。

5、失败次数：避免让学生遭受连续失败的打击和挫折

儿童最初对于失败的反应和大人不同，因为她不觉得失败是一种耻辱、痛苦或者失误的行为。好奇心之所以渐渐丧失则在于学生随着年龄的增长，由于被承认的心理需要开始在意别人给自己所贴的标签，而失败的次数过多过频会强化这种动机。我们应该传递这样的信息，失败是值得的，而不是丢脸的，特别是有效的失败。传递的方式可以借助评价机制，例如当学生勇敢进行了有益的尝试，虽然结果还是失败，但是为再次试验接近目标积累了宝贵的经验，得到了意外的收获，应该给予肯定或者加分。即使遇到一些无效的失败，也不要简单给予批评和指责，而是分析原因给予适当的支架支持其继续实施正在进行的项目，因为恐惧会让学生停止基于问题本身的思考。

基于元认知培养的STEM 课程案例实施分析

“智能端茶杯机器人 ”及“智能3D打印机器虫”是笔者所撰《面向STEM的mBlock智能机器人创新课程》中的两个案例，查新报告显示并无此专利呈现，属于创新项目。由于并无过往经验的借鉴，其路径飘忽不定，易产生五花八门的方案，因此也提供了元认知培养的契机。上述两个STEM项目目标任务前者是设计制作一能侦测到茶杯并且将其运送到指定位置的机器人，后者是创意制作一个能完成趴下、直立行走、遇障碍绕行的3D打印机器虫。

1、程序方案多次磨合，元认知知识反复调用                       

元认知知识即个体关于自己或他人的认识活动、过程、结果以及与之有关的知识。它是个体所存储的既和认知主体有关又和各种任务、目标、活动及经验有关的知识片段。“智能端杯机器人“创意独特，融入了创新思维。学生网络搜索并无类似经验可资借鉴。考虑到现有条件即编写mBlock程序控制Ranger机器人。初始创意是当巡线传感器探测到地面信息时，分别执行转向取杯和左转放杯的动作。在调试时，学生发现由于只有一个条件触发机器人常出现误判，于是在机器人的左侧安装了超声波传感器，当且仅当巡线传感器及超声波传感器传达的信息都符合条件时才启动左转取杯或者放杯动作。程序设计中取杯动作的调试亦经历了多次迭代，由于每次循迹到杯子附近时机器人的角度是个变量，因此很难用到一个确定的数值来应变，反复审察前面程序设计策略的结果后，运用了“重复执行直到”的语句，当前面的超声波传感器拾到与杯子的距离最近时才执行取杯动作。似乎正确的思路的运行结果却差强人意，机器人仍然不能准确定位经常转过头。于是继续“攻坚”，最后发现由于前面的超声波传感器须经过一个大循环后才会再次拾取数据，造成机器人小车一直左转。在该重复执行语句中加入了拾取前面超声波距离数据的语句，以确保该数据在左转过程中及时刷新，问题最终得到圆满解决。在此案例中，由于达成预设目标的驱动，个体的前期的策略因机器人反馈结果而不断地被完善迭代，期间乐此不疲的反复调试，会促使元认知监控的发生及元认知知识的重构。

2、产品历经试错演进，元认知体验沉浸其中

元认知体验, 即伴随着认知活动而产生的认知体验或情感体验；这些体验的反复强化将促使个体形成坚韧果敢的良好品格。“智能3D打印机器虫”面临的不确定性在于连机身传动配件都需要“凭空”产生，由于“生产线”变长，决策失误面临的风险也就更大。此时需要个体在进行问题分解、实体抽象、模型构建、自动化实施（程序编制及调试）时充分考虑Arguia主板、动力源--舵机、3D打印结构件之间的联系与配搭，在实际运作过程中遇到诸如3D建模考虑不周全，例如舵机由于下部带有连接线，建模时往往忽略无法顺利安装，需要百度如何拆解舵机更改连接线的走向。再有程序调试时有学生的指令初始设计是前面两足同时“举足前行”，结果导致只有后面两足支撑机身，导致机身不稳前倾，闹笑话后了解到踢类动物较掌类动物稳定性较差，所以一般行走的话是三只脚着地。因为需要三条腿进行支持，也就是需要三角形进行平衡。先抬起右后脚→右前脚→左后脚→左前脚→右后脚。由于3D打印四足机器虫自重较大，可以参考此类动物的步态编制程序。以上这些曲折反复的过程，学生将经历失败、困顿、顿悟、成功等情感体验。极端情况是问题的解决方案须推倒重来，期间元认知的各要素将循环反复启用。最后在取得成功体验后，一些个体认为导致成功的有效的元认知策略将“入库”。,学生通过多个非良构问题的解决，将逐步完善自己的元认知策略架构，以便今后元认知监控触发元认知策略调整时可以迅速在已积累之元认知策略“货架”上及时提取，实现实时调整。一些元认知体验也将增强自信，此时的研究成果显然已不仅仅停留在物化的某个机器人作品上。

3、拓展延伸与思维导图，元认知监控全过程覆盖

在电子工程中引入交流负反馈是为了改善放大电路的性能，与此类比元认知是认知过程中的反馈调节“电路”，目的显然是审视监控现有的认知策略，进一步改善认知过程，从而改善认知效果，是个体认知活动的指挥系统。这里的监控不仅存在于分解的上述若干子问题中，也在主回路中设置。对应的环节比较显性的就是制作完成后还让学生拓展延伸增加红外遥控功能，此时学生要重新审视软件硬件的“接口”，重新启动元认知主程序。

绘制思维导图是努力实现思维可视化的一个重要举措，可视化过程中学生将回忆并且提取曾经的认知策略，并进行链接。而教师呈现并分析各组不同的思维导图，则让群体的认知策略透明可见，此时他们的注意力将指向各自的加工过程, 对于众多思维导图的分析评判有助于自身图表瑕疵的发现和修补。而期间思维导图的版本更新是元认知监控的结果，也是元认知策略转向的轨迹图表。

结语：

美国心理学家斯登伯格提出了新的智力模式, 其中包括元认知的成份。他认为元认知对整个智力活动起控制调节作用且处于支配地位，其发展直接反映与促进了一个人的智力的发展。因此尽管本文聚焦于元认知技能的培养，事实上在跨界知识融合解决问题的过程中，学生解决问题的能力、高阶思维能力乃至于坚韧自信等品格亦会同步得到培养。

马扎诺新教育目标分类学把思维系统划分为认知系统、元认知系统和自我系统，笔者借助STEM课程群的开发与实施，进行了基于元认知培养这个思维系统中相对高阶的目标进行了研究，取得了初步的一些经验，然而元认知作为教育扩展的目标如何进行评价等问题依然需要在实践中继续探索和研究。STEM教育方兴未艾，虽然目前在CNKI中还有没相关的研究文献，但相信将来在STEM教育活动中元认知这一思维品质的培养和提升的研究将愈来愈受到重视。