基于SOLO理論的高考物理實(shí)驗(yàn)試題分析與啟示

摘 要：科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)課培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是教學(xué)的重難點(diǎn).高考對(duì)于教學(xué)具有導(dǎo)向性作用，對(duì)于高考試題的分析有助于一線教師把握教學(xué)方向.利用SOLO分類理論對(duì)2020年天津卷的實(shí)驗(yàn)試題進(jìn)行思維層次的劃分與分析，明確高考中對(duì)實(shí)驗(yàn)試題的考查趨勢(shì)，從中得到教學(xué)啟示.

關(guān)鍵詞：SOLO理論;高考;物理實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）03-0029-03

作者簡(jiǎn)介：李靜（1985-），女，天津人，博士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)研究.

1 前言

教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出，高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展.科學(xué)探究是物理學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一，課標(biāo)中明確指出科學(xué)探究是基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.

物理是一門基于觀察和實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生深入理解所學(xué)知識(shí)，形成物理觀念，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程本身也蘊(yùn)含了分析綜合、推理論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維，體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.因此，實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要途徑，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)課培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)是教學(xué)的重難點(diǎn)之一.

高考作為目前人才選拔的重要途徑，對(duì)于教師教學(xué)具有導(dǎo)向作用.實(shí)驗(yàn)探究能力是新高考考查的五大能力之一，要求學(xué)生能獨(dú)立地完成所要求的實(shí)驗(yàn)，能明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，能理解?shí)驗(yàn)原理和方法，能控制實(shí)驗(yàn)條件，會(huì)使用儀器，會(huì)觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論，能對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析和評(píng)價(jià);能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，并制訂解決方案;能運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題，包括簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).隨著新課標(biāo)的頒布和新教材的使用，學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也進(jìn)行了變化和調(diào)整，明確新課程改革背景下高考實(shí)驗(yàn)題“考什么”和“如何考”有助于一線教師更真切地把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方向，深入思考“教什么”和“如何教”，進(jìn)而使得課堂教學(xué)更有方向更高效.

2 SOLO分類理論

SOLO分類理論是教育心理學(xué)家比格斯及其同事在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論的基礎(chǔ)上提出的以等級(jí)描述為主要特征的質(zhì)性評(píng)價(jià)方法.SOLO分類理論基于學(xué)生對(duì)問(wèn)題的回答，以學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量為研究起點(diǎn)，將學(xué)生“可觀察的學(xué)習(xí)成果” 分為由淺入深的五個(gè)層次： 前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展抽象結(jié)構(gòu).比格斯借助圖像形象地呈現(xiàn)了上述五種層次的遞進(jìn)關(guān)系，并對(duì)不同層次學(xué)生的水平特征進(jìn)行了闡述.

處于前結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生，不能形成對(duì)問(wèn)題的理解，對(duì)問(wèn)題的回答邏輯混亂或同義反復(fù);處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生知識(shí)和思路單一，僅根據(jù)一個(gè)信息或線索得出結(jié)論;處于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生能處理多個(gè)信息，提供解決問(wèn)題的多種思路，但各個(gè)思路之間彼此獨(dú)立，不能融會(huì)貫通;處于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生能將各種可用的信息聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)整體，能夠處理綜合性的復(fù)雜問(wèn)題;處于拓展抽象結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生能夠綜合利用多個(gè)信息并在此基礎(chǔ)上對(duì)問(wèn)題進(jìn)行歸納，且得出的結(jié)論可能不唯一，并能對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用和遷移，使問(wèn)題本身的意義得到拓展.前三個(gè)層次主要體現(xiàn)“量”的積累，而后兩個(gè)層次追求“質(zhì)”的提升.SOLO分類理論能夠考查學(xué)生的能力層次，而高考作為選拔性考試，其試題也要體現(xiàn)合理的層次結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)層次存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系.因此利用SOLO分類理論對(duì)高考試題進(jìn)行研究，可以明確高考對(duì)學(xué)生思維能力評(píng)價(jià)的方向，為教師教學(xué)提供依據(jù)和啟示.

新課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)科學(xué)探究這一核心素養(yǎng)進(jìn)行了五個(gè)水平的劃分，表1給出了這五個(gè)水平與SOLO理論之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

3 試題分析

例題1 （2020年天津卷 9題）某實(shí)驗(yàn)小組利用圖2所示裝置測(cè)定平拋運(yùn)動(dòng)的初速度.把白紙和復(fù)寫紙疊放一起固定在豎直木板上，在桌面上固定一個(gè)斜面，斜面的底邊ab與桌子邊緣及木板均平行.每次改變木板和桌邊之間的距離，讓鋼球從斜面頂端同一位置滾下，通過(guò)碰撞復(fù)寫紙，在白紙上記錄鋼球的落點(diǎn).

（1）為了正確完成實(shí)驗(yàn)，以下做法必要的是.

A.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持桌面水平

B.每次應(yīng)使鋼球從靜止開(kāi)始釋放

C.使斜面的底邊ab與桌邊重合

D.選擇對(duì)鋼球摩擦力盡可能小的斜面

（2）實(shí)驗(yàn)小組每次將木板向遠(yuǎn)離桌子的方向移動(dòng)0.2m，在白紙上記錄了鋼球的4個(gè)落點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)之間的距離依次為15.0cm、25.0cm、35.0cm，示意如圖3.重力加速度g=10m/s2，鋼球平拋的初速度為m/s.

（3）圖2裝置中，木板上懸掛一條鉛垂線，其作用是.

本題（1）小問(wèn)主要考查學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理和步驟是否清楚，是否會(huì)使用儀器，所考查的選項(xiàng)均為分組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)的注意事項(xiàng).本小題從不同角度進(jìn)行考查，要求學(xué)生能將各個(gè)注意事項(xiàng)綜合起來(lái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)有整體把握，因此屬于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次.

第（2）小問(wèn)考查了平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法，但本題的實(shí)驗(yàn)過(guò)程與學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中所采用的方法不同.教材和學(xué)生實(shí)驗(yàn)中采用調(diào)整接球槽的豎直高度的方式記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)，而本實(shí)驗(yàn)則是采用調(diào)整木板與桌面間距離的方式.且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)球心的投影位置確定平拋運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法是利用水平和豎直位移計(jì)算初速度.而本題則需要學(xué)生在常規(guī)實(shí)驗(yàn)理解的基礎(chǔ)上，依賴于對(duì)材料的創(chuàng)造性解讀，對(duì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行創(chuàng)造性遷移與運(yùn)動(dòng)，因此本題屬于拓展抽象結(jié)構(gòu)層次.

第（3）小問(wèn)考查鉛垂線的作用，試題本身難度并不高，但由于需要學(xué)生進(jìn)行文字描述，這就對(duì)學(xué)生的文字理解和表達(dá)能力提出了一定的要求，因此本題屬于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次.

例題2 （2020年天津卷 10題）某實(shí)驗(yàn)小組選用以下器材測(cè)定電池組的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，要求測(cè)量結(jié)果盡量準(zhǔn)確.

電壓表（量程0-3V，內(nèi)阻約為3kΩ）

電流表（量程0-0.6A，內(nèi)阻約為1Ω）

滑動(dòng)變阻器（0-20Ω，額定電流1A）

待測(cè)電池組（電動(dòng)勢(shì)約為3V，內(nèi)阻約為1Ω）

開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干

（1）該小組連接的實(shí)物電路如圖4所示，經(jīng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)電路中有一條導(dǎo)線連接不當(dāng)，這條導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的編號(hào)是.

（2）改正這條導(dǎo)線的連接后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，閉合開(kāi)關(guān)前，滑動(dòng)變阻器的滑片P應(yīng)置于滑動(dòng)變阻器的端（填“a”或者“b”）.

（3）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器時(shí)，電流表讀數(shù)變化明顯但電壓表讀數(shù)變化不明顯.為了解決這個(gè)問(wèn)題，在電池組負(fù)極和開(kāi)關(guān)之間串聯(lián)一個(gè)阻值為5Ω的電阻，之后該小組得到了幾組電壓表讀數(shù)U和對(duì)應(yīng)的電流表讀數(shù)I，并作出U-I圖像，如圖4所示.根據(jù)圖像可知，電池組的電動(dòng)勢(shì)為V，內(nèi)阻為Ω（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）.

本題第（1）小問(wèn)考查測(cè)定電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中電流表“內(nèi)接法”和“外接法”的合理運(yùn)用.本小題的正確作答需要學(xué)生能識(shí)別實(shí)物圖，結(jié)合題中所給數(shù)據(jù)對(duì)兩種不同接法所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行比較分析，屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次.

第（2）小問(wèn)從操作層面考查了限流式接法中滑動(dòng)變阻器的使用方法，考查內(nèi)容單一，屬于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次.

第（3）小問(wèn)考查實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，本題中給出了問(wèn)題以及解決問(wèn)題的方案，要求學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路和原理，并結(jié)合電源的U-I圖像分析出斜率所對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻是電源內(nèi)阻和5Ω電阻串聯(lián)之和，進(jìn)而求出電源內(nèi)阻，并按要求保留有效位數(shù).學(xué)生正確作答需要處理綜合性的問(wèn)題，因此本題屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次.

通過(guò)上述分析可以看出，力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的思維水平較高，而電學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求相對(duì)較低，總體仍然以多點(diǎn)結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次的考查為主.

4 教學(xué)啟示

結(jié)合SOLO分類理論對(duì)高考試題的分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)題所考查的水平層次全面，對(duì)學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)思維能力要求較高.基于此，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂實(shí)施提出以下幾點(diǎn)思路.

4.1 單點(diǎn)和多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次試題：回歸教材，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程

教材是高考命題的重要參考依據(jù)，也是教師教學(xué)的重要載體.如2020年所考查的平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，教材在參考案例中給出了高考題所涉及的數(shù)據(jù)處理方法，教材中提示：“根據(jù)步驟1 得出的平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向分速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，設(shè)法確定“相等的時(shí)間間隔”.再看相等的時(shí)間內(nèi)水平分運(yùn)動(dòng)的位移，進(jìn)而確定水平分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.”這也體現(xiàn)了高考依據(jù)教材出題的思路，因此教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，一定研讀教材，深入學(xué)習(xí).

單點(diǎn)和多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次的習(xí)題通常從實(shí)驗(yàn)操作和注意事項(xiàng)的角度，以選擇題的形式呈現(xiàn)，學(xué)生的正確解答需建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解基礎(chǔ)上.讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷科學(xué)探究的一般過(guò)程，是促進(jìn)深度理解的有效手段，也有助于學(xué)生綜合能力的提升.

4.2 關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次試題：由點(diǎn)到面，開(kāi)展單元整合教學(xué)

學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的形成并不能靠知識(shí)的簡(jiǎn)單疊加，而是各種學(xué)習(xí)要素匯聚而成的有機(jī)整體.因而，從多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次過(guò)渡，靠傳統(tǒng)的單一實(shí)驗(yàn)講解是很難達(dá)到的，反而會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)缺乏全局性認(rèn)知，無(wú)法建立知識(shí)之間的系統(tǒng)聯(lián)系.基于單元整合開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是擺脫逐一落實(shí)知識(shí)點(diǎn)，轉(zhuǎn)向從整體觀念把握所學(xué)內(nèi)容的有效途徑.

如“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置，還可以用于研究哪些實(shí)驗(yàn)？在這些實(shí)驗(yàn)中，都需要用到天平嗎？都需要進(jìn)行“平衡摩擦力”的操作嗎？都要求滿足“所掛鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量”的條件嗎？這樣的教學(xué)可以引導(dǎo)學(xué)生跳出單一視角，從實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和原理出發(fā)，通過(guò)對(duì)比分析找出各實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)與差異，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)條件的深層次理解，從而使得學(xué)生的思維層次從多點(diǎn)結(jié)構(gòu)向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)展.

4.3 拓展抽象結(jié)構(gòu)層次試題：提煉方法，培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以通過(guò)以某一“思想方法”作為單元主題開(kāi)展教學(xué)，教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)“拓展遷移情境”，引導(dǎo)學(xué)生有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想.如在“測(cè)量做直線運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度”“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”“用單擺測(cè)量重力加速度的大小”以及“測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”等諸多實(shí)驗(yàn)中都采用了一次函數(shù)圖像法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.物理圖像是對(duì)事實(shí)進(jìn)行解釋的重要形式，利用一次函數(shù)方法的關(guān)鍵是將情境轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理過(guò)程，利用物理規(guī)律寫出橫縱坐標(biāo)所表示的物理量之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合圖像的斜率、面積等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

4.4 在作業(yè)設(shè)置上

可以基于SOLO分類理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)練習(xí)題，用于學(xué)生學(xué)習(xí)水平的診斷，有助于教師把握教學(xué)效果.

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（收稿日期：2020-12-01）