先前就有的知識
    人是被目標指揮的信息仲裁員， 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、 技巧、 信仰和概念。 先前就有的知識影響著人們對周圍事物的觀察， 也影響著他們怎樣組織理解這些信息。 當孩子們開始踏入正式的學習環(huán)境并繼續(xù)科學事業(yè)時， 這些原有的知識很明顯地影響著他們對教師所教內(nèi)容的理解 （Bransford et al.， 2000）。
    學生通過日常生活中與人物、 地點和事物的互動， 培養(yǎng)了關(guān)于世界如何運作的預想。 學生根據(jù)自己的生活經(jīng)歷， 就事物如何運作和為什么運作發(fā)展出邏輯理念。 先前的學習對后來的學習是強有力的支持； 但與此同時， 先前的學習也可能導致一些概念的形成， 而這些概念則可能成為學生后來學習的障礙 （Bransford et al.， 2000）。 關(guān)于學生先前的學習如何成為后來學習科學的障礙這一點， 在 “個人的宇宙” （Private Universe）研究項目中（Schneps & Sadler， 1987） 可以找到很有說服力的例子。 例如： 學生知道， 站得離篝火越近就感覺越熱。 然后， 學生就把這個邏輯強加于自己對每一種感覺更暖的情況之理解， 感覺更熱是因為我離熱源更近。 這是一種有邏輯性且可以接受的假設(shè)。 但是， 學生把這種天真的概念帶入課堂時， 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冬冷夏熱， 這時就會有問題出現(xiàn)。 根據(jù)學生所體驗過的生活經(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。 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。 學生已經(jīng)體驗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這一點做解釋， 學生很可能會出現(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習環(huán)境后，重新返回到自己親身感受過的生活經(jīng)驗所顯示的真理， 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)歷來形成一個不尋常的理論； ③永遠不能掌握教師解釋的概念。
    學生 （在學習之前的生活經(jīng)歷中所形成的） 預見 （preconceptions）， 也就是他們帶入課堂的那些天真的理論， 對理解正式的學科會形成嚴重的限制。 對教師來說， 改變學生的這些預見通常是很困難的， 因為它們在學生的日常真實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生在學習前形成的這種預見。 否則， 學生經(jīng)常會死記硬背課堂中的內(nèi)容， 但是在現(xiàn)實生活中他們依然會憑著自己在生活經(jīng)歷中形成的預見來行事（Bransford  et al.， 2000）。
為理解而教——事實性知識和概念性知識
    專家和新手思考的異同， 以及每個小組解決問題方式之間的異同， 讓我們對事實性知
識和概念性知識之間的關(guān)系有了更好的理解（Larkin， McDermott & Simon， 1980； Nathan，Koedinger & Alibali， 2001）。 計劃的能力、 觀察模式、 把其他學科的概念和觀點聯(lián)系起來的能力以及培養(yǎng)并分析觀點論據(jù)進行解釋的能力， 都是事實性知識很關(guān)鍵的組成部分。 雖然事實性知識在教授和學習這些能力中有至關(guān)重要的作用， 但是學生僅僅擁有大量零散而互不銜接的知識是不夠的。 要想讓事實性知識成為發(fā)揮作用的有用知識， 學生必須能夠?qū)⑹聦嵵糜诟拍钚钥蚣軆?nèi)（ Bransford et al.， 2000）。 為了讓學生能夠?qū)W會理解， 事實性知識必須在概念性框架內(nèi)得到平衡。
    讓學生學會理解， 這個原則置于兩個基礎(chǔ)性概念之內(nèi)： ①理解要求我們在概念性框架
內(nèi)暫停對事實性知識的探究； ②要通過豐富的事實性細節(jié)來展示多項表現(xiàn)形式， 概念才會有意義（Capraro & Yetkiner， 2008； Muzheve & Capraro， 2011； Parker et al.， 2007）。 學習目標，也就是學生在教學結(jié)束時應該知道而且能夠通過操作來表現(xiàn)的知識， 既不是單單基于事實性理解， 也不是僅僅建立于概念性的理解。 教育領(lǐng)域里長期以來爭論不休的一個論點， 而且在今后還會繼續(xù)成為爭論的主題， 就是有關(guān)到底是事實性知識還是概念性知識應該成為課程和教學的首要重點。 表面上來看， 這兩個要點似乎有點沖突， 但事實上， 事實性知識和概念性知識是互相支持的。 當我們用概念性知識來組織整理事實性知識時， 概念性知識變得更為清晰， 是概念性知識加強了我們對事實性知識的記憶。 任何STEM學科領(lǐng)域的專家都用一套核心概念為主線進行工作， 這些核心概念組織了事實性知識和概念性理解。 因此， 為理解而教， 會很明顯地傾向于強調(diào)組織這些同樣的核心概念， 從而幫助學生組織事實性知識和他們個人的概念建構(gòu) （Clement & Steinberg， 2002； Gilbert & Boulter， 2000； Lehrer & Schauble， 2000； Penner， Giles， Lehrer & Schauble， 1997） 。
元認知
    元認知被廣泛地定義為， 一個人意識到自己的思維并對之進行反思的知識和技巧（Brown， 1978； Flavell， 1979）。 學習科學領(lǐng)域的進步強調(diào)幫助人們控制自己學習的重要性。 因為理解應該是課程和教學的目標， 人們必須學會識別出自己什么時候理解了某個概念， 也要識別出自己在什么時候還需要更多的信息才能理解 （Koschmann， Kelson， Feltovich & Barrows， 1996）。 強調(diào)元認知過程的這種教與學是主動的。 學生不是在被動地接受信息， 等待著他人替他理解。 學生應該主動地投入到學習過程中， 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。 要想達到這種境界， 學生必須能夠意識到自己的思維， 而且會對自己的思維進行反思。
    有關(guān)實際目標和意向目標的話題， 是教育領(lǐng)域里經(jīng)常辯論的主題， 但是大多數(shù)人都會同意如下看法： 正規(guī)教學應該使學生成為自主的終身學習者， 應該讓學生在正規(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)展元認知的標準， 有了這個標準才能弄明白學生什么時候懂和什么時候不懂， 要培養(yǎng)評估能力來識別學生就具體的問題還需要學什么，也要有能力來識別并有效利用資源以提高自己的知識狀態(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）。 要想達到培養(yǎng)出自主的終身學習這個目標： ①必須明確教授學生元認知的策略； ②教師應該示范反思自己思維的例子； ③學習環(huán)境要融合使學生的思維具有可見性的機會。
    為了更好地理解在成功的學習環(huán)境里運用元認知的策略， 將元認知廣泛的定義濃縮為三個類型是很有用的， 即意識、 評估和調(diào)節(jié)。 元認知的意識涉及個人對以下內(nèi)容的理解：①個人在學習過程中所處的位置； ②事實性知識和概念性知識； ③個人學習策略； ④要達到認知目標， 已經(jīng)做了什么以及還需要做什么。 元認知的評估指的是就個人的認知能力和認知局限方面的評價判斷。 某人修改自己的思維時， 就是在進行元認知的調(diào)節(jié) （Schraw & Dennison， 1994）。 一定要讓學生很清楚地意識到自己的思維， 教會他們怎樣評估自己的理解， 然后給學生機會來調(diào)節(jié)或修改這些概念。正如布蘭斯福德等學者 （Bransford et al.， 2000） 所指出的， 常見的傾向是： 能清晰地意識自己的元認知學習過程且有機會表達自己思維的學生會學得更好。 很重要的一點是， 要把這一策略滲透到整個教學框架中， 而不是把它作為孤立而零散的技能來教授。 將元認知過程作為日常語言來開展討論， 會激勵學生更加清晰地關(guān)注自己的學習 （Pintrich， 2002）。 元認知經(jīng)常是一種自我內(nèi)心的對話， 那些沒有體驗過把這種內(nèi)心對話表達給別人聽的學生， 可能沒有意識到自己此類內(nèi)心對話的重要性（Vye， Schwartz， Bransford， Barron， Zech， & Cognition Group and Technology Group at Vanderbilt， 1998）。
    元認知已經(jīng)被用來預測學習表現(xiàn)（Pintrich & DeGroot， 1990）。 在解決問題的任務中， 具有較高元認知技巧的學生比那些技巧低的學生表現(xiàn)得更出色， 這一點與他們的整體能力傾向沒有關(guān)系。 一般能力傾向和元認知能力看起來各自獨立運作， 沒有相互作用（Swanson， 1990）。 將元認知融入到課程和教學中， 是為了理解而進行有效教學的組成部分。
反饋、 復習和反思
    有效教學必須融入一些機會給學生， 讓學生能夠?qū)ψ约旱乃季S過程進行反思， 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。 對于培養(yǎng)學生調(diào)整自學的能力來說， 元認知的這些特征是很關(guān)鍵的（Goldman et al.， 1999）。
    動手的活動通常不能讓學生深思， 因為這些活動沒有讓學生深入理解。 對這類活動的批判主要集中在學生在活動中缺少反思。 貝當古辯解： “除非將動手科學嵌入一個提問—反思—再提問的結(jié)構(gòu)， 否則學生很可能學不到什么” （Bettencourt， 1993， p.46）。 在傳統(tǒng)的課堂上， 很典型的情況是， 這些活動： ①不給學生適量的時間來理解新信息； ②傾向于孤立教授，相互間互不相干； ③注重對實物的使用和實踐， 沒有強調(diào)對現(xiàn)象的理解（Schauble， Glaser， Duschl， Schulze， & John， 1995）。 一旦學生對自己的思維進行了反思， 合乎邏輯的下一步就是將自己的內(nèi)心對話外置， 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， 學生需要和他人分享自己的想法和理解。 這允許學生的概念性理解得到反饋。 這些反饋經(jīng)常支持他們對某些方面的理解， 而使其他一些因素問題化， 結(jié)果引導學生主動改變自己的思維， 再也不是被動地接受這些信息。 高效率的教師讓學生重新修改他們的概念性理解， 把事實性知識置于概念性框架體系中， 而不是被動地記憶新信息。
    通過允許學生把新思維和舊知識聯(lián)系起來， 學生可以接觸到STEM的學習內(nèi)容。 有效的教學應該為學生提供機會， 讓學生能夠根據(jù)他們的個人理解來評估科學證據(jù)， 來闡述自己的理論和解釋， 來積極地參與到學習過程中。 期望在學習環(huán)境中給予參與者多次與別人溝通自己理解的機會， 經(jīng)常在項目或者問題背景下解決問題， 隨時能夠像該學科的專業(yè)人員那樣提出自己的理解。