先前就有的知識(shí)
    人是被目標(biāo)指揮的信息仲裁員， 從出生就在接收各種信息。 這些信息構(gòu)成了很多領(lǐng)域里的知識(shí)、 技巧、 信仰和概念。 先前就有的知識(shí)影響著人們對(duì)周圍事物的觀察， 也影響著他們?cè)鯓咏M織理解這些信息。 當(dāng)孩子們開始踏入正式的學(xué)習(xí)環(huán)境并繼續(xù)科學(xué)事業(yè)時(shí)， 這些原有的知識(shí)很明顯地影響著他們對(duì)教師所教內(nèi)容的理解 （Bransford et al.， 2000）。
    學(xué)生通過日常生活中與人物、 地點(diǎn)和事物的互動(dòng)， 培養(yǎng)了關(guān)于世界如何運(yùn)作的預(yù)想。 學(xué)生根據(jù)自己的生活經(jīng)歷， 就事物如何運(yùn)作和為什么運(yùn)作發(fā)展出邏輯理念。 先前的學(xué)習(xí)對(duì)后來的學(xué)習(xí)是強(qiáng)有力的支持； 但與此同時(shí)， 先前的學(xué)習(xí)也可能導(dǎo)致一些概念的形成， 而這些概念則可能成為學(xué)生后來學(xué)習(xí)的障礙 （Bransford et al.， 2000）。 關(guān)于學(xué)生先前的學(xué)習(xí)如何成為后來學(xué)習(xí)科學(xué)的障礙這一點(diǎn)， 在 “個(gè)人的宇宙” （Private Universe）研究項(xiàng)目中（Schneps & Sadler， 1987） 可以找到很有說服力的例子。 例如： 學(xué)生知道， 站得離篝火越近就感覺越熱。 然后， 學(xué)生就把這個(gè)邏輯強(qiáng)加于自己對(duì)每一種感覺更暖的情況之理解， 感覺更熱是因?yàn)槲译x熱源更近。 這是一種有邏輯性且可以接受的假設(shè)。 但是， 學(xué)生把這種天真的概念帶入課堂時(shí)， 教師正好在講授季節(jié)變換的原因， 基本上就是在努力弄明白為什么會(huì)冬冷夏熱， 這時(shí)就會(huì)有問題出現(xiàn)。 根據(jù)學(xué)生所體驗(yàn)過的生活經(jīng)歷來解釋， 地球在夏天一定離太陽更近， 而冬天的地球一定離太陽更遠(yuǎn)。 教師的解釋是： 太陽光的直射和斜射影響了地球的表面溫度和冷暖， 不受或者很少受地球和太陽之間距離的影響。 學(xué)生已經(jīng)體驗(yàn)了離熱源之間的距離決定冷熱的現(xiàn)象， 如果教師不直接針對(duì)這一點(diǎn)做解釋， 學(xué)生很可能會(huì)出現(xiàn)以下情況： ①在考試的情況下， 死記硬背教師有關(guān)太陽直射和斜射的解釋， 然后離開課堂這種正式的學(xué)習(xí)環(huán)境后，重新返回到自己親身感受過的生活經(jīng)驗(yàn)所顯示的真理， 那就是離熱源的距離決定溫度冷熱； ②就季節(jié)的起因方面， 綜合教師的解釋和自己的生活經(jīng)歷來形成一個(gè)不尋常的理論； ③永遠(yuǎn)不能掌握教師解釋的概念。
    學(xué)生 （在學(xué)習(xí)之前的生活經(jīng)歷中所形成的） 預(yù)見 （preconceptions）， 也就是他們帶入課堂的那些天真的理論， 對(duì)理解正式的學(xué)科會(huì)形成嚴(yán)重的限制。 對(duì)教師來說， 改變學(xué)生的這些預(yù)見通常是很困難的， 因?yàn)樗鼈冊(cè)趯W(xué)生的日常真實(shí)世界的情境中一般來說都很行得通。 但是，教師必須直接處理學(xué)生在學(xué)習(xí)前形成的這種預(yù)見。 否則， 學(xué)生經(jīng)常會(huì)死記硬背課堂中的內(nèi)容， 但是在現(xiàn)實(shí)生活中他們依然會(huì)憑著自己在生活經(jīng)歷中形成的預(yù)見來行事（Bransford  et al.， 2000）。
為理解而教——事實(shí)性知識(shí)和概念性知識(shí)
    專家和新手思考的異同， 以及每個(gè)小組解決問題方式之間的異同， 讓我們對(duì)事實(shí)性知
識(shí)和概念性知識(shí)之間的關(guān)系有了更好的理解（Larkin， McDermott & Simon， 1980； Nathan，Koedinger & Alibali， 2001）。 計(jì)劃的能力、 觀察模式、 把其他學(xué)科的概念和觀點(diǎn)聯(lián)系起來的能力以及培養(yǎng)并分析觀點(diǎn)論據(jù)進(jìn)行解釋的能力， 都是事實(shí)性知識(shí)很關(guān)鍵的組成部分。 雖然事實(shí)性知識(shí)在教授和學(xué)習(xí)這些能力中有至關(guān)重要的作用， 但是學(xué)生僅僅擁有大量零散而互不銜接的知識(shí)是不夠的。 要想讓事實(shí)性知識(shí)成為發(fā)揮作用的有用知識(shí)， 學(xué)生必須能夠?qū)⑹聦?shí)置于概念性框架內(nèi)（ Bransford et al.， 2000）。 為了讓學(xué)生能夠?qū)W會(huì)理解， 事實(shí)性知識(shí)必須在概念性框架內(nèi)得到平衡。
    讓學(xué)生學(xué)會(huì)理解， 這個(gè)原則置于兩個(gè)基礎(chǔ)性概念之內(nèi)： ①理解要求我們?cè)诟拍钚钥蚣?br />內(nèi)暫停對(duì)事實(shí)性知識(shí)的探究； ②要通過豐富的事實(shí)性細(xì)節(jié)來展示多項(xiàng)表現(xiàn)形式， 概念才會(huì)有意義（Capraro & Yetkiner， 2008； Muzheve & Capraro， 2011； Parker et al.， 2007）。 學(xué)習(xí)目標(biāo)，也就是學(xué)生在教學(xué)結(jié)束時(shí)應(yīng)該知道而且能夠通過操作來表現(xiàn)的知識(shí)， 既不是單單基于事實(shí)性理解， 也不是僅僅建立于概念性的理解。 教育領(lǐng)域里長(zhǎng)期以來爭(zhēng)論不休的一個(gè)論點(diǎn)， 而且在今后還會(huì)繼續(xù)成為爭(zhēng)論的主題， 就是有關(guān)到底是事實(shí)性知識(shí)還是概念性知識(shí)應(yīng)該成為課程和教學(xué)的首要重點(diǎn)。 表面上來看， 這兩個(gè)要點(diǎn)似乎有點(diǎn)沖突， 但事實(shí)上， 事實(shí)性知識(shí)和概念性知識(shí)是互相支持的。 當(dāng)我們用概念性知識(shí)來組織整理事實(shí)性知識(shí)時(shí)， 概念性知識(shí)變得更為清晰， 是概念性知識(shí)加強(qiáng)了我們對(duì)事實(shí)性知識(shí)的記憶。 任何STEM學(xué)科領(lǐng)域的專家都用一套核心概念為主線進(jìn)行工作， 這些核心概念組織了事實(shí)性知識(shí)和概念性理解。 因此， 為理解而教， 會(huì)很明顯地傾向于強(qiáng)調(diào)組織這些同樣的核心概念， 從而幫助學(xué)生組織事實(shí)性知識(shí)和他們個(gè)人的概念建構(gòu) （Clement & Steinberg， 2002； Gilbert & Boulter， 2000； Lehrer & Schauble， 2000； Penner， Giles， Lehrer & Schauble， 1997） 。
元認(rèn)知
    元認(rèn)知被廣泛地定義為， 一個(gè)人意識(shí)到自己的思維并對(duì)之進(jìn)行反思的知識(shí)和技巧（Brown， 1978； Flavell， 1979）。 學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步強(qiáng)調(diào)幫助人們控制自己學(xué)習(xí)的重要性。 因?yàn)槔斫鈶?yīng)該是課程和教學(xué)的目標(biāo)， 人們必須學(xué)會(huì)識(shí)別出自己什么時(shí)候理解了某個(gè)概念， 也要識(shí)別出自己在什么時(shí)候還需要更多的信息才能理解 （Koschmann， Kelson， Feltovich & Barrows， 1996）。 強(qiáng)調(diào)元認(rèn)知過程的這種教與學(xué)是主動(dòng)的。 學(xué)生不是在被動(dòng)地接受信息， 等待著他人替他理解。 學(xué)生應(yīng)該主動(dòng)地投入到學(xué)習(xí)過程中， 而且必須自己確定新信息怎樣與自己目前的理解相聯(lián)系。 要想達(dá)到這種境界， 學(xué)生必須能夠意識(shí)到自己的思維， 而且會(huì)對(duì)自己的思維進(jìn)行反思。
    有關(guān)實(shí)際目標(biāo)和意向目標(biāo)的話題， 是教育領(lǐng)域里經(jīng)常辯論的主題， 但是大多數(shù)人都會(huì)同意如下看法： 正規(guī)教學(xué)應(yīng)該使學(xué)生成為自主的終身學(xué)習(xí)者， 應(yīng)該讓學(xué)生在正規(guī)教育結(jié)束后也有能力理解新信息。 這就包括了培養(yǎng)發(fā)展元認(rèn)知的標(biāo)準(zhǔn)， 有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能弄明白學(xué)生什么時(shí)候懂和什么時(shí)候不懂， 要培養(yǎng)評(píng)估能力來識(shí)別學(xué)生就具體的問題還需要學(xué)什么，也要有能力來識(shí)別并有效利用資源以提高自己的知識(shí)狀態(tài)， 還要有反思此過程的能力才能提高其效率和效果（Koschmann et al.， 1996， p.94）。 要想達(dá)到培養(yǎng)出自主的終身學(xué)習(xí)這個(gè)目標(biāo)： ①必須明確教授學(xué)生元認(rèn)知的策略； ②教師應(yīng)該示范反思自己思維的例子； ③學(xué)習(xí)環(huán)境要融合使學(xué)生的思維具有可見性的機(jī)會(huì)。
    為了更好地理解在成功的學(xué)習(xí)環(huán)境里運(yùn)用元認(rèn)知的策略， 將元認(rèn)知廣泛的定義濃縮為三個(gè)類型是很有用的， 即意識(shí)、 評(píng)估和調(diào)節(jié)。 元認(rèn)知的意識(shí)涉及個(gè)人對(duì)以下內(nèi)容的理解：①個(gè)人在學(xué)習(xí)過程中所處的位置； ②事實(shí)性知識(shí)和概念性知識(shí)； ③個(gè)人學(xué)習(xí)策略； ④要達(dá)到認(rèn)知目標(biāo)， 已經(jīng)做了什么以及還需要做什么。 元認(rèn)知的評(píng)估指的是就個(gè)人的認(rèn)知能力和認(rèn)知局限方面的評(píng)價(jià)判斷。 某人修改自己的思維時(shí)， 就是在進(jìn)行元認(rèn)知的調(diào)節(jié) （Schraw & Dennison， 1994）。 一定要讓學(xué)生很清楚地意識(shí)到自己的思維， 教會(huì)他們?cè)鯓釉u(píng)估自己的理解， 然后給學(xué)生機(jī)會(huì)來調(diào)節(jié)或修改這些概念。正如布蘭斯福德等學(xué)者 （Bransford et al.， 2000） 所指出的， 常見的傾向是： 能清晰地意識(shí)自己的元認(rèn)知學(xué)習(xí)過程且有機(jī)會(huì)表達(dá)自己思維的學(xué)生會(huì)學(xué)得更好。 很重要的一點(diǎn)是， 要把這一策略滲透到整個(gè)教學(xué)框架中， 而不是把它作為孤立而零散的技能來教授。 將元認(rèn)知過程作為日常語言來開展討論， 會(huì)激勵(lì)學(xué)生更加清晰地關(guān)注自己的學(xué)習(xí) （Pintrich， 2002）。 元認(rèn)知經(jīng)常是一種自我內(nèi)心的對(duì)話， 那些沒有體驗(yàn)過把這種內(nèi)心對(duì)話表達(dá)給別人聽的學(xué)生， 可能沒有意識(shí)到自己此類內(nèi)心對(duì)話的重要性（Vye， Schwartz， Bransford， Barron， Zech， & Cognition Group and Technology Group at Vanderbilt， 1998）。
    元認(rèn)知已經(jīng)被用來預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)表現(xiàn)（Pintrich & DeGroot， 1990）。 在解決問題的任務(wù)中， 具有較高元認(rèn)知技巧的學(xué)生比那些技巧低的學(xué)生表現(xiàn)得更出色， 這一點(diǎn)與他們的整體能力傾向沒有關(guān)系。 一般能力傾向和元認(rèn)知能力看起來各自獨(dú)立運(yùn)作， 沒有相互作用（Swanson， 1990）。 將元認(rèn)知融入到課程和教學(xué)中， 是為了理解而進(jìn)行有效教學(xué)的組成部分。
反饋、 復(fù)習(xí)和反思
    有效教學(xué)必須融入一些機(jī)會(huì)給學(xué)生， 讓學(xué)生能夠?qū)ψ约旱乃季S過程進(jìn)行反思， 能夠從他人那里接收到有關(guān)自己思維的反饋， 并且能夠自由地根據(jù)這些新的信息來調(diào)整自己的思維。 對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生調(diào)整自學(xué)的能力來說， 元認(rèn)知的這些特征是很關(guān)鍵的（Goldman et al.， 1999）。
    動(dòng)手的活動(dòng)通常不能讓學(xué)生深思， 因?yàn)檫@些活動(dòng)沒有讓學(xué)生深入理解。 對(duì)這類活動(dòng)的批判主要集中在學(xué)生在活動(dòng)中缺少反思。 貝當(dāng)古辯解： “除非將動(dòng)手科學(xué)嵌入一個(gè)提問—反思—再提問的結(jié)構(gòu)， 否則學(xué)生很可能學(xué)不到什么” （Bettencourt， 1993， p.46）。 在傳統(tǒng)的課堂上， 很典型的情況是， 這些活動(dòng)： ①不給學(xué)生適量的時(shí)間來理解新信息； ②傾向于孤立教授，相互間互不相干； ③注重對(duì)實(shí)物的使用和實(shí)踐， 沒有強(qiáng)調(diào)對(duì)現(xiàn)象的理解（Schauble， Glaser， Duschl， Schulze， & John， 1995）。 一旦學(xué)生對(duì)自己的思維進(jìn)行了反思， 合乎邏輯的下一步就是將自己的內(nèi)心對(duì)話外置， 讓別人能看到他的思維。 無論是通過小組討論、 概念圖， 還是書面溝通， 學(xué)生需要和他人分享自己的想法和理解。 這允許學(xué)生的概念性理解得到反饋。 這些反饋經(jīng)常支持他們對(duì)某些方面的理解， 而使其他一些因素問題化， 結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)改變自己的思維， 再也不是被動(dòng)地接受這些信息。 高效率的教師讓學(xué)生重新修改他們的概念性理解， 把事實(shí)性知識(shí)置于概念性框架體系中， 而不是被動(dòng)地記憶新信息。
    通過允許學(xué)生把新思維和舊知識(shí)聯(lián)系起來， 學(xué)生可以接觸到STEM的學(xué)習(xí)內(nèi)容。 有效的教學(xué)應(yīng)該為學(xué)生提供機(jī)會(huì)， 讓學(xué)生能夠根據(jù)他們的個(gè)人理解來評(píng)估科學(xué)證據(jù)， 來闡述自己的理論和解釋， 來積極地參與到學(xué)習(xí)過程中。 期望在學(xué)習(xí)環(huán)境中給予參與者多次與別人溝通自己理解的機(jī)會(huì)， 經(jīng)常在項(xiàng)目或者問題背景下解決問題， 隨時(shí)能夠像該學(xué)科的專業(yè)人員那樣提出自己的理解。