智力和元认知技能在发现学习中的作用：任务复杂性的影响，本文主要内容关键词为：复杂性论文,智力论文,技能论文,作用论文,发现论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分类号 B842.1
1 引言
智力和元认知技能是影响学习的两个重要因素[1，2]。智力是个体的基本心理潜能，是个体所有认知活动顺利进行的基础和保障，它对学习的作用不言而喻。
元认知是主体对自身认知活动的认知，是主体对自身心理状态、能力、任务目标、认知策略等多方面因素的认知，对学习过程具有监控和调节的功能，元认知对学习也具有很强的预测力[3，4]。元认知分为：元认知知识、元认知技能和元认知体验。元认知技能是对认知加工的调节和控制，是学习者为建构问题解决过程而进行的自我调节活动，表现为任务定向、计划、监控、评价、检验、调整和反省[5]。元认知的各种技能高度相互依赖[6]。
发现学习是在缺乏经验传授的条件下，个体去独立发现、创造经验的过程[7]。近年来研究者开始关注科学发现学习，它是以假设的形成和检验为基本特征，检验假设时学习者必须通过设计实验来完成发现过程[8]。在这种自我引导和自我建构经验的学习活动中，元认知技能起着非常重要的作用。在计算机模拟的发现学习环境下，学习者设计并运行实验，改变输入变量的水平，观察输出变量的变化，从而归纳出输入变量和输出变量之间的关系。这种学习方式为学习者提供了开放的学习环境，有助于培养学生的科学探究能力和科学素养。
Elshout[9]提出有关智力和学习关系的难度阈限理论（threshold of problematicity theory），认为随着任务复杂性的变化，智力对学习成绩的影响也有所改变，呈现倒U型曲线。与新手的关系曲线相比，领域高手的曲线会有一定位移。在个体的难度阈限之下，问题解决活动是流畅的、主观的和快速的，是相对自动化和符合规则的。在阈限之上，个体记忆中没有可利用的问题解决策略，必须在启发式和即兴模式下进行操作，组装一个策略。
智力、元认知技能和学习的关系存在三个模型：智力模型（intelligence model）、独立模型（independency model）和混合模型（mixed model）（Veenman,Wilhelm,& Beishuizen,2004）。
智力模型将元认知技能看作智力能力的一种表现，认为元认知技能与智力高相关，对学习进行预测时，元认知技能没有独立于智力之外的预测价值。如Sternberg智力三成份理论中的元成分，它的概念与元认知技能很接近。智力的PASS理论也将自我调节过程作为人类智力的一个重要成分。有关新手计算机模拟热量学习的研究也部分支持了智力模型[10]。
独立模型认为元认知技能和智力相关不显著，两者相互独立地对学习起作用。Swanson依据元认知能力的高低和一般认知能力的高低，将被试分为四组，并比较了四组的问题解决成绩，发现元认知可以弥补一般认知能力的不足，它作为与一般认知能力倾向相独立的一种因素起作用[11]。研究发现，技术大学学生在完成假想领域的科学发现学习以及模型建构任务时，元认知对学习的预测独立于智力[12]。
混合模型认为元认知技能和智力有一定程度相关，对学习进行预测时，两者共享一部分学习成绩的变异解释，同时元认知技能具有高于智力之外的额外价值。对学习不良的高、低智商被试及正常成绩被试的研究发现，智商能够调节元认知但是不能解释元认知[13]。有关文本学习[14－17]、各类计算机模拟实验[18－21]、数学问题解决[16，17，22]、热力学领域的做中学问题解决[23]等研究都支持了混合模型。
在对学习进行预测时，智力和元认知技能各自起着什么样的作用？他们之间的关系模式究竟如何，是互斥的，还是有其适用条件的？明确这些问题有助于有针对性地对不同认知能力和元认知能力的学生进行教育辅导。我们认为得到更多支持的混合模型更加符合智力、元认知技能和学习成绩三者之间的关系。智力模型和独立模型是混合模型在特殊条件下的特殊状态。一些研究者[24]根据以往研究结果和理论对难度阈限理论进行推论和扩展，在任务非常复杂时，个体没有现成的可供利用的解决流程或者策略，必须采用启发式寻找解决策略，不断进行问题定向，系统思考，监控、调整和评价自己的行为，元认知技能在其中可能起着非常重要的作用。而不再是智力。当学习者变得更加有经验，学习过程可能需要更多的与智力相关的认知成分参与。因此在中等难度时，智力、元认知技能与学习的关系模型应该符合混合模型。受此难度阈限扩展理论的启发，我们认为任务难度可能是影响智力、元认知技能和学习成绩三者关系的重要变量之一。因此，本研究重点探讨智力、元认知技能和发现学习成绩三者的关系，以及不同任务复杂性情况下三者的关系模式，以期进一步丰富和扩展难度阈限理论。
2 方法
2.1 被试
采用方便取样法，选取北京两所高校51名学生为被试，剔除2名不认真被试，有效被试49人，男生18人，女生31人。第一组被试先完成简单的植物生长任务，再完成复杂的儿童节目任务：第二组被试先完成简单的儿童节目任务，再完成复杂的植物生长任务。
2.2 材料
采用瑞文高级推理测验测查智力，满分36分。直接采用原始分数作为个体的智力分数。
借鉴前人研究[6，25]自编5个计算机模拟发现学习任务，学校任务（复杂模式，演示任务）、简单和复杂模式的植物生长任务及儿童节目任务。这些任务是让被试自行设计和运行实验，考察自变量对因变量的影响规律。
对任务的复杂性程度进行了严格匹配，模式和变量效应相同，以保证任务的同质性。以植物生长任务为例，复杂任务有四个自变量：（1）浇水，一周一次或两次；（2）是否用杀虫剂；（3）把植物放在阳台还是温室；（4）大花盆还是小花盆。因变量是植物生长的不同水平：0cm、1cm、2cm、3cm。变量1和4有交互作用，变量3是简单线性作用，变量2是无关变量。简单任务有3个自变量，是上述变量1、2、4。变量2是无关变量，其他两个变量是简单线性作用。因变量是植物生长的高度：0cm、1cm、2cm。
学校任务[25]的四个自变量分别为：（1）老师的课间休息地，操场或休息室；（2）班级环境，吵闹或安静；（3）班级规模，大班或小班；（4）是否有助教。因变量是学生的成绩水平：0、1、2、3。复杂儿童节目任务[22]的四个自变量为：（1）是否插播趣味广告；（2）节目是否幽默；（3）节目长度：1小时或半小时；（4）是否有背景音乐。简单任务的变量是上述变量1、2、3，变量2为无关变量，其他变量是简单线性作用。
对所有被试来说，任务内容取自日常生活，变量和问题都有生活原型，所以被试对任务的熟悉度是相近的；而任务形式很新颖，被试会有似是而非的感觉，先前知识背景差异的影响也不大。实验过程中，被试可自行设计实验，总结规律得出结论，也可进行查看前面实验、剩余时间等操作。软件可实时记录被试进行发现学习的详细过程，以便测查被试进行发现学习的表现及过程中的元认知技能。
2.3 元认知技能和发现学习成绩的指标
元认知技能采用返回查看前面实验的时间这一指标，返回表明被试想检查前面实验的配置，了解进展，进行检验、计划和调整，或者联系前后实验结果分析解释概括。由于元认知的各种技能高度相互依赖，这一指标能够代表元认知技能。
发现学习成绩采用结构访谈法进行测量，考察内容是自变量对因变量的影响。每个任务完成之后，让被试详细描述所有自变量的作用，根据被试的回答评定学习成绩。复杂任务有7种变量效应描述，以植物生长任务为例，两种主效应描述为：（1）植物在温室种植比在阳台种植长得高；（2）是否喷杀虫剂对植物的生长情况没有影响。五种交互作用描述是：（3）花盆大小和浇水次数相互影响；（4）大盆种植时，一周浇一次水和两次水没有差别；（5）小盆种植时，一周浇一次水比两次水长得高；（6）一周浇两次水时，种在大盆中比种在小盆中长得高；（7）一周浇一次水时，种在小盆中比种在大盆中长得高。简单任务有三种主效应描述，（1）在大盆中比在小盆中长得高；（2）一周浇一次水比两次水长得高；（3）是否用杀虫剂对植物的生长情况没有影响；交互作用的描述是：（4）没有相互影响的因素。被试描述正确一个，得2分；描述错误得0分；当被试所描述的效应正确但又不肯定时，得1分。效应描述的得分之和为学习成绩总分。复杂任务分数范围是0－14，简单任务得分范围为0－8。每个被试的实际得分与任务的满分之比为正确率。同时让被试对每个任务的复杂度进行0－10的评定，0为一点也不复杂，10为非常复杂，5为中等复杂。
2.4 程序
在安静的室内纸笔施测瑞文智力测验，限时40分钟。然后完成发现学习任务，提供纸笔。首先用演示任务—学校任务对被试进行辅导，让被试熟悉界面，了解程序用法，明了任务要求。正式实验时，第一组被试（25人）先完成简单的植物生长任务，再完成复杂的儿童节目任务；第二组被试（24人）先完成简单的儿童节目任务，再完成复杂的植物生长任务，进行了被试内任务间的处理。简单和复杂任务限时分别为15分钟和30分钟，可提前结束。对被试的解决过程和思路进行事后访谈并录音。
3 结果
3.1 数据整理
（1）被试同质性检验。两组被试的智力分数没有显著差异（t＝0.60，p＞0.05），在年龄及性别上也基本匹配，见表1。（2）任务同质性检验。对两个简单任务和两个复杂任务进行同质性检验，两组任务在任务得分、任务复杂度评定、完成时间、查看前面实验时间以及实验总个数上差异均不显著（见表2）。因此，将两个简单和两个复杂任务分别合并，分别看做一个任务进行分析处理。
3.2 描述统计
将任务合并后，平均任务得分上，简单任务为6.55（SD＝1.63），复杂任务为8.04（SD＝4.03）。返回查看前面实验的平均时间上，简单任务为219.44s（SD＝184.79），复杂任务为567.66s（SD＝426.37）。
通过分析事后访谈转录的文本发现，被试查看前面实验的目的主要是：（1）检查前面实验的配置，避免重复，并确定接下来的实验；（2）查看实验配置是否全面，是否有漏掉、重复、错误的，查缺补漏，保证实验的顺序性、完整性和唯一性；（3）意识到自己在实验配置或者思路方面犯了错误，返回查看是否确实犯错；（4）查看前面的实验情况，了解实验进展，哪些做了，哪些没做，并确定接下来的思路；（5）对实验界面中单次实验所得出的确定或者不确定的结论进行再验证，验证结论的正确性和普遍性；（6）出现矛盾结果或与预期不同时，返回查看实验条件和实验思路；（7）进行实验对比，得出结论，联系前后实验结果，进行概括；（8）检查和确认程序是否好用，是否确实可以把做过的实验记录下来。从被试查看实验的目的可以看出，查看前面实验能够反映被试的元认知技能。
3.3 智力、元认知技能和发现学习成绩的关系
用回归分析法探讨智力和元认知技能对发现学习成绩的影响模式，同时根据智力、元认知技能与发现学习成绩三者的相关系数，以及智力和元认知技能对发现学习成绩的独特解释率和共享解释率，来考察三者的关系模式。
简单任务上，智力与学习成绩正相关，相关显著（r＝0.30，p＜0.05），元认知技能与学习成绩呈负相关，相关显著（r＝－0.319，p＜0.05）；智力和元认知技能呈负相关，相关不显著（r＝－0.118，p＞0.05）。复杂任务上，智力和学习成绩有显著的正相关（r＝0.421，p＜0.01），而元认知技能和学习成绩（r＝0.123，p＞0.05）、元认知技能和智力（r＝0.171，p＞0.05）均呈正相关，但相关不显著。
分别以简单任务、复杂任务的学习成绩为因变量，以智力和元认知技能为自变量，进行多元线性回归分析，考察三者之间的关系，见表3。
由表3可知。在简单任务上，智力对学习成绩具有边缘显著的预测作用（p＝0.057），而元认知技能对学习成绩具有显著的预测作用（p＜0.05）。该回归方程可表示为：简单任务成绩＝4.663＋0.096智力－0.003元认知技能。由决定系数
可知，该回归方程（即智力和元认知技能共同）解释了学习成绩17.2％的变异。
部分相关（part correlation，也称半偏相关，semi-partial correlation）的平方反映了变量的独立解释率。计算智力和元认知技能的独立解释率，并将两者从方程所解释的变异率中减去，得到智力和元认知共享的变异解释率。可知，智力对发现学习成绩的独立解释率是7.02％，元认知技能的独立解释率是8.18％，智力和元认知技能共享的解释率为2.00％。
由此可知，在简单任务上，智力和元认知具有一定程度的相关，但相关并不显著。两者对学习进行预测时共享一部分变异解释，且元认知技能对学习的预测高于智力，基本符合混合模型的假设；同时说明在简单任务上进行过多的元认知活动并不能促进发现学习的成绩。
在复杂任务上，智力对学习成绩具有显著的预测作用（p＜0.01），而元认知技能对学习成绩的预测不显著（p＞0.05）。该回归方程可表示为：复杂任务成绩＝－2.019＋0.373智力＋0.001元认知技能。回归方程（即智力和元认知技能共同）可以解释学习成绩18％的变异。智力的独立解释率为16.48％，元认知的独立解释率为0.27％，两者共享的解释率为1.25％。
由此可知，在复杂任务上，智力和元认知技能具有一定程度相关，但是相关不显著；两者对学习进行预测时共享一部分变异解释，而且智力对学习成绩起着决定性的作用，元认知技能对学习的独立解释率非常低。这种关系模式不符合现有的智力模型、独立模型和混合模型。
3.4 难度阈限理论及其扩展
（1）难度阈限理论的验证。以平均分以外的一个标准差为界，将被试分为低、中、高三种智力水平，考察三种智力水平下个体的学习成绩及正确率差异，见表4。
由表4可知，对于三种智力水平个体的发现学习成绩，简单任务上差异不显著，复杂任务上差异显著。对复杂任务进行事后比较发现，智力中等和智力低的个体成绩差异不显著（MD＝1.697，p＞0.05），智力高的成绩显著高于智力中等（MD＝3.192，p＜0.05）和智力低（MD＝4.889，p＜0.05）的成绩，可见智力在复杂任务上比在简单任务上起的作用大。这符合难度阀限理论的假设，在曲线的左侧、随着任务复杂度的变大，智力对学习成绩的影响也变大。
比较三种智力水平个体在简单和复杂任务上的正确率，发现智力高的个体在简单和复杂任务上正确率都较高，且差异不显著（t＝1.12，p＞0.05），智力中等（t＝4.61，p＜0.001）和智力低（t＝3.90，p＜0.01）的个体在简单任务上的正确率显著高于复杂任务，可见不同智力水平个体的难度阈限也是不同的。这也表明智力和学习的关系符合难度阈限理论。
（2）难度阈限理论的扩展。将元认知技能加入到智力和学习的关系中时，由简单任务和复杂任务的两个回归模型所体现的三者关系可知，任务的复杂性不同时，智力、元认知技能和发现学习成绩之间的关系也不同，简单任务上三者关系符合混合模型，复杂任务上三者关系模式与简单任务的混合模型不同。任务复杂性不同时，智力对学习成绩的作用程度不同，智力在复杂任务上比在简单任务上所起的作用要大。任务复杂性不同时，元认知技能的作用方向也不同，在简单任务上元认知技能具有反向预测作用，在复杂任务上没有预测作用。这一定程度上符合了难度阈限扩展理论（加入元认知）的假设，三者的关系因任务复杂性的不同而不同。其中，复杂任务上，三者关系模式与现有的、智力模型、独立模型、混合模型均不同，其关系有待进一步研究和讨论。
4 讨论
4.1 智力、元认知技能和学习的关系
本研究发现，在简单任务上，智力、元认知技能与学习的关系基本符合混合模型，智力和元认知技能对学习成绩有其各自独立的预测价值，也有两者共享的预测价值；而在复杂任务上，智力和元认知技能的相关不显著，智力对学习成绩起主要预测作用，元认知技能没有独立于智力之外的预测价值，三者的关系不符合独立模型、智力模型和混合模型。即，被试在完成简单、复杂两种发现学习任务时，智力均起着实质性作用，而元认知技能在简单任务上起着负向预测作用，在复杂任务上没有显著预测作用。
首先，简单任务上智力和元认知都对学习成绩有显著预测作用，而复杂任务只有智力有显著预测作用。计算机模拟的发现学习任务对被试来说是一种非常新颖的学习方式，被试先完成简单任务再完成复杂任务。在完成简单任务时，这种任务模式对大部分被试来说是非常新颖和复杂的，他们需要对任务加以熟悉，摸索解决方法和思路，多方面考虑，谨慎下结论，所进行的元认知活动更多。而后在完成复杂任务时，两个任务模式很相似，简单任务上摸索总结出的策略和方法可以迁移到复杂任务，实际上复杂任务的新颖性和复杂性降低了，从而使得个体在复杂任务的解决中元认知活动的作用下降，只有智力起主要作用。有关4年级、6年级、8年级学生和大学生完成四个发现学习任务的研究也发现大学生群体中元认知技能对学习成绩的作用很小[6]。
其次，简单任务上元认知活动对学习成绩起着负向预测作用。由于被试不熟悉任务形式，因此比较严谨慎重，对该任务感觉没有把握的个体会花较多时间进行检验和验证，尤其是交互作用问题，所以看起来元认知活动越多，反而没有受益。这表明元认知活动并不总是对认知活动的效率具有促进作用，在一定情境下，如，在简单任务上，被试的心理预期较为复杂时，会导致被试谨慎小心的行为，即俗语所说的“想多了”，因此出现了元认知活动多认知活动效果反而差的现象，这说明认知和元认知在一定程度上是具有可分离性的。
有研究发现，课堂掌握目标定向下均比在课堂成绩目标定向下更多地运用元认知监控策略[26]。这一研究似乎可以部分印证上述结果，被试在简单任务上可能就是一种掌握目标定向，想要弄清楚这个问题应该怎样解决；在复杂任务上可能是一种成绩目标定向。
以往许多研究发现元认知对认知活动具有促进作用。元认知与认知之间可能并非简单的促进关系，其促进应该是有条件的。难度预期、动机、目标定向以及认知风格等其他因素也会影响两者之间的关系。因此在进行元认知训练以及教育教学中要考虑这些因素的作用，避免元认知活动在学生的学习以及问题解决中变为阻碍角色，同时对不同认知水平及个性特点的儿童要采取不同的元认知训练方式，对具有反省缺乏或者反省过度的学生也要进行一定调整，使其元认知能力具有一定灵活性和适应性，更好促进其认知活动。
4.2 难度阈限理论及其扩展
本研究结果表明，随着任务复杂性由简单变为复杂，即复杂度处于倒U型曲线的左侧时，智力对学习的影响变大，符合难度阈限理论的假设。任务的复杂性不同时，智力、元认知技能和发现学习成绩之间的关系也不同。简单任务上三者关系基本符合混合模型，复杂任务上与简单任务所表现出来的混合模型不同，这一结果在一定程度上支持了难度阈限扩展理论。
有关热力学领域的做中学研究也支持了难度阈限理论，该研究根据知识背景将被试分为新手和高手，要求被试解决简单、中等、复杂三种难度水平的热力学问题。结果发现，对于新手来说，在三个水平的任务难度上，智力对学习都有作用，且作用有所变化。而对于高手来说，简单和中等难度上智力对学习结果没有影响，而在复杂任务上智力才起到作用[23]。该结果符合难度阈限理论的假设，并且符合该理论提出的新手和高手关系曲线有所位移的情况。
有研究者在具有三个难度水平的计算机模拟透镜光学实验中考察了新手和高手的表现，发现新手和高手在不同难度水平上，智力、元认知技能和发现学习成绩三者的关系模式均不同，且新手在容易水平上表现出的关系模式与高手在中等水平上表现出的关系模式相同，符合难度阈限扩展理论的假设[24]。
因此，难度阈限及其扩展理论具有一定的合理性。在教育教学中，学习环境的设计和学习任务的选择需要考虑学生的难度阈限，尤其是发现学习活动，需要根据学生的难度阈限及学习目标来设定学习活动的复杂性，以保证学生具有良好的学习效果。问题解决过程中给予学生的指导和提示也要适当，不当的指导或者个体的动机、目标定向等因素可能会削弱或者过度激发元认知活动，从而影响认知活动过程及效果。
5 结论
（1）在简单任务上，智力对学习成绩有正向预测作用，元认知技能有反向预测作用，两者共享一部分变异解释率，元认知对学习的预测略微高于智力。三者关系基本符合混合模型，且进行过多的元认知活动，并不能促进学习的效果。（2）在复杂任务上，智力对学习成绩起着主要的预测作用，智力和元认知技能共享一部分变异解释率；元认知技能独立于智力之外预测价值非常小。三者的关系不符合现有的三个模型。（3）任务由简单变为复杂时，智力对学习的影响也变大，符合难度阈限理论的假设。任务的复杂度不同时，智力、元认知技能和发现学习成绩之间的关系也不同，一定程度上验证了难度阈限扩展理论。
收稿日期：2011－4－20