基于SOLO分類理論的高考物理實驗試題研究

史雨晴 孟繁偉

摘 要 研究旨在應(yīng)用SOLO分類理論，分析高考物理實驗題對學(xué)生思維能力層次的要求，根據(jù)該理論制定各層次界定標(biāo)準(zhǔn)，以2016—2020年高考全國Ⅱ卷物理實驗題為例，進(jìn)行實驗題的層次劃分與統(tǒng)計。研究結(jié)果表明，5套試卷中物理實驗題要求的SOLO層次多處于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平。經(jīng)對各層次水平問題所考察內(nèi)容的深入分析，提出具體教學(xué)建議，以期對廣大一線教師的教學(xué)工作有所啟迪，為物理實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新提供新方法、新思路。

關(guān)鍵詞 高中物理 SOLO分類理論 高考 實驗?zāi)芰?/p>

高考作為我國一項重要的人才選拔考試，其試題命制具有科學(xué)性、合理性以及代表性等特點。在對物理教學(xué)策略和方法進(jìn)行研究與探索的過程中，通過對高考試題進(jìn)行定性或定量的分析與評價，往往能夠得到更深的啟發(fā)與思考?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的出版，標(biāo)志著教學(xué)將更加注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。學(xué)生能否具備《課程標(biāo)準(zhǔn)》所要求的價值觀念、品格和關(guān)鍵能力，能否熟練地在復(fù)雜問題和生活情境中靈活運用知識和技能解決問題，成為當(dāng)前教育考核的重中之重。在同樣以核心素養(yǎng)為指向的物理學(xué)科教學(xué)中，物理實驗?zāi)芰?yīng)當(dāng)受到重視。為了強化實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，筆者以高考物理實驗試題作為研究對象，應(yīng)用SOLO分類理論，對2016—2020年高考全國Ⅱ卷的物理實驗題進(jìn)行逐題分析，針對其中所考察的實驗?zāi)芰M(jìn)行層級劃分與統(tǒng)計，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果加以歸納總結(jié)，提出物理學(xué)科改進(jìn)實驗教學(xué)的相關(guān)建議，為廣大一線教育工作者在教育教學(xué)實踐中更為全面、科學(xué)地進(jìn)行人才培養(yǎng)提供幫助。

一、SOLO分類理論簡介

SOLO分類理論（Structure of the Observed Learning Outcome），作為教育新視野背景下針對學(xué)業(yè)質(zhì)量水平提出的一種評價方法，最早由澳大利亞心理學(xué)教授彼格斯（Biggs）等人在著作《學(xué)習(xí)質(zhì)量評價——SOLO分類法》中創(chuàng)立。該理論是對皮亞杰兒童發(fā)展階段論的繼承和發(fā)展，表現(xiàn)為更注重學(xué)生在特定任務(wù)中的表現(xiàn)，即通過學(xué)生學(xué)習(xí)行為的認(rèn)知結(jié)果，分析所掌握知識的結(jié)構(gòu)以及概念理解的思維層次，使得學(xué)習(xí)水平能夠可觀地呈現(xiàn)。因此，該理論也可稱為：可觀察的學(xué)習(xí)結(jié)果的結(jié)構(gòu)[1]。

彼格斯等人認(rèn)為：傳統(tǒng)的教育評價模式僅僅將學(xué)生掌握知識的數(shù)量作為評價準(zhǔn)則，這與一門新學(xué)科的初始學(xué)習(xí)階段是相適應(yīng)的。但是，隨著學(xué)習(xí)過程的深入，原有的分離的、互不相關(guān)的知識將逐漸相互聯(lián)系，構(gòu)成一貫整體，從而產(chǎn)生質(zhì)的變化[2]。此時，傳統(tǒng)的評價模式將不再適用。因此，SOLO分類理論對復(fù)雜學(xué)習(xí)過程的層次進(jìn)行了通用框架的構(gòu)建，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)結(jié)果分為以下五個層次：

（1）前結(jié)構(gòu)水平（Pre-structural level，簡稱“P水平”）：不理解問題，不具備問題相關(guān)知識或知識概念混淆，思維邏輯混亂。常表現(xiàn)為拒絕作答、重復(fù)問題內(nèi)容、或是以不相關(guān)的內(nèi)容作答;

（2）單點結(jié)構(gòu)水平（Uni-structural level，簡稱“U水平”）：僅理解某一方面知識，能夠就其回答簡單問題，但思維水平局限，掌握線索單一，不能夠全面看待問題;

（3）多點結(jié)構(gòu)水平（Multi-structural level，簡稱“M水平”）：理解和掌握多個方面的知識，但是僅僅將其簡單羅列，知識彼此間相互獨立，不能建立聯(lián)系、解決實際問題;

（4）關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平（Relational level，簡稱“R水平”）：將掌握的知識相互聯(lián)系、構(gòu)成整體。表現(xiàn)為回答問題時能夠?qū)⒅R綜合運用，并用概括性、總結(jié)性的語言進(jìn)行回答;

（5）擴(kuò)展結(jié)構(gòu)水平（Extended abstract level，簡稱“E水平”）：不僅能夠?qū)⒅R關(guān)聯(lián)、概括，同時還具有抽象思維，能夠在復(fù)雜情景中處理問題，達(dá)到舉一反三、靈活應(yīng)用的效果。

二、基于SOLO分類理論的高考物理實驗題層次分析方法舉例

2020年高考課標(biāo)全國Ⅱ卷理綜物理部分的22、23題為物理實驗試題，卷面分值15分，占理綜物理部分試卷總分的13.7%，以填空形式分別從不同層次對學(xué)生的物理實驗?zāi)芰M(jìn)行考察。以下，筆者以上述兩題為例，基于SOLO分類理論分析實驗試題的能力層次要求及其特點。

例1：

22.（5分）一細(xì)繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖1所示，一實驗小組用此裝置測量小球B運動的加速度。

（1）令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時的高度h0 = 0.590 m，下降一段距離后的高度h = 0.100 m;由h0下降至h所用的時間T = 0.730 s。由此求得小球B加速度的大小為a =_______m/s2（保留3位有效數(shù)字）。

（2）從實驗室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0 g和150.0 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間 = 9.80 m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小為a′ =_______m/s2（保留3位有效數(shù)字）。

（3）可以看出，a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)果的原因：____________________。

第（1）問屬于多點結(jié)構(gòu)層次問題，考察運用勻加速直線運動公式求解加速度、有效數(shù)字的表達(dá)以及分析實驗現(xiàn)象、理解簡單實驗原理的能力。解答此題的關(guān)鍵在于實驗原理，即采用何種方式進(jìn)行加速度的測量。要求學(xué)生能夠根據(jù)題意正確判斷物體的運動狀態(tài)，掌握勻變速直線運動的概念、規(guī)律和特點，根據(jù)已知條件選擇公式計算物體加速度的大小。解題過程如下：

由勻變速直線運動規(guī)律可知[h-h0=12at2]，解得[a=1.84 m/s2]。

第（2）問屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次問題?？疾炫ｎD第二定律的應(yīng)用、整體法分析以及理解復(fù)雜實驗原理的能力。同樣是求解加速度問題，實驗原理卻與上一問有所不同[3]。這里要求學(xué)生能夠明確整體法分析的前提和條件，結(jié)合牛頓第二定律表達(dá)式求解，得到加速度的大小。該題目同樣考察了有效數(shù)字的表達(dá)。解題過程如下：

結(jié)合牛頓第二定律有[mBg-mAg = （mA+mB）a′]，解得[a′≈1.96 m/s2]。

第（3）問屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次問題?？疾炫ｎD第二定律、阻力、摩擦力等知識點以及對實驗結(jié)果進(jìn)行誤差分析的能力。學(xué)生普遍能分析出誤差產(chǎn)生的原因是由于實驗儀器結(jié)構(gòu)不夠完善或?qū)嶒炦^程中存在阻力等，而題中要求會分析本題中誤差產(chǎn)生的具體原因。因此，應(yīng)該以實際給出的具體實驗器材作為出發(fā)點，從而得出答案：可能是滑輪有質(zhì)量或者滑輪的軸不光滑。

例2：

23.（10分）某同學(xué)要研究一小燈泡L（3.6 V，0.30 A）的伏安特性。所用器材有：電流表A1（量程200 mA，內(nèi)阻Rg1 = 10.0 Ω）、電流表A2（量程500 mA，內(nèi)阻Rg2 = 1.0 Ω）、定值電阻R0（阻值R0 = 10.0 Ω）、滑動變阻器R1（最大阻值10 Ω）、電源E（電動勢4.5 V，內(nèi)阻很?。?、開關(guān)S和若干導(dǎo)線。該同學(xué)設(shè)計的電路如圖（a）所示。

（1）根據(jù)圖（a），在圖（b）的實物圖中畫出連線。

（2）若I1、I2分別為流過電流表A1和A2的電流，利用I1、I2、Rg1和R0寫出：小燈泡兩端的電壓U =_________，流過小燈泡的電流I =_______。為保證小燈泡的安全，I1不能超過_______mA。

（3）實驗時，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使開關(guān)閉合后兩電流表的示數(shù)為零。逐次改變滑動變阻器滑片位置并讀取相應(yīng)的I1和I2。所得實驗數(shù)據(jù)在下表中給出。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可算得，當(dāng)I1 = 173 mA時，燈絲電阻R =_______Ω（保留1位小數(shù)）。

（4）如果用另一個電阻替代定值電阻R0，其他不變，為了能夠測量完整的伏安特性曲線，所用電阻的阻值不能小于_______Ω（保留1位小數(shù)）。

第（1）問屬于單點結(jié)構(gòu)層次問題?？疾炷軌蚋鶕?jù)電路圖的要求正確連接實物圖，具體表現(xiàn)在學(xué)生連接電路時能夠注意各線不交叉，能夠正確連接電表的正、負(fù)接線柱。

第（2）問屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次問題。考察歐姆定律、串并聯(lián)電路的特點、電學(xué)單位的換算以及能夠理解實驗原理、解決實際問題的能力[4]。本題目的在于研究小燈泡的伏安特性，雖然涉及到了電表的改裝，但是由于題目中已經(jīng)給出具體的電路圖，故而作為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行研究。要求學(xué)生明確要達(dá)到實驗?zāi)康膶π襞輧啥穗妷旱囊笫鞘裁?，根?jù)歐姆定律、串并聯(lián)電路的特點得出改裝后電表各部分的電流和電壓的關(guān)系式，通過計算得出所求電流表的電流。解題過程如下：

由于電流表[A1]與定值電阻[R0]串聯(lián)充當(dāng)電壓表使用，

所以小燈泡兩端電壓[U=I1（Rg1+R0）]，流過小燈泡的電流[I=I2-I1]。

小燈泡兩端電壓不能超過其額定電壓[3.6 V]，

因此，流過電流表[A1]的電流為[I1=3.6 VRg1+R0=0.18 A≈180 mA]。

第（3）問屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次問題?？疾鞖W姆定律、串并聯(lián)電路的特點以及分析和處理實驗數(shù)據(jù)的能力。圖中給出的兩組數(shù)據(jù)是逐次改變滑動變阻器滑片位置得到的兩電流表的讀數(shù)，要求學(xué)生明確數(shù)據(jù)所代表的含義，同時能夠通過并聯(lián)電路特點、歐姆定律推導(dǎo)出求解小燈泡電阻的關(guān)系式，進(jìn)行具體數(shù)值的計算。解題過程如下：

小燈泡兩端電壓[U=I1? （Rg1+R0）]，流過小燈泡的電流為[I=I2-I1]，

當(dāng)[I=173 mA]時，小燈泡電阻[R=I1 （Rg1+R0）I2-I1≈11.6 Ω]。

第（4）問屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次問題。考查的是電壓表擴(kuò)充量程原理。解答該題主要應(yīng)注意兩個問題：一是要測量完整的伏安特性曲線，保證小燈泡兩端至少達(dá)到額定電壓;二是電流表不能超過最大量程。再根據(jù)歐姆定律得到電壓表擴(kuò)充量程的算式進(jìn)行計算。解題過程如下：

由題意可知，此時電流表[A1]與定值電阻[R0]串聯(lián)充當(dāng)電壓表使用，

因此，當(dāng)[A1]電流表達(dá)到其滿偏電壓，也就是200 mA時，電流表[A1]與定值電阻兩端的電壓不能小于[3.6 V]，所以[R0≥3.6 V200×10-3A-10 Ω=8 Ω]。

三、基于SOLO分類理論的高考物理實驗題分析統(tǒng)計和結(jié)論

按照上述試題分析方法，得到了2016—2020年高考全國Ⅱ卷的物理實驗題SOLO層次分析結(jié)果（見表2）。其中，SOLO層次用相應(yīng)水平的字母表示，每個“層次水平試題分?jǐn)?shù)占該卷物理實驗試題總分?jǐn)?shù)的百分比%”一項簡稱為“分?jǐn)?shù)百分比%”。

（一）根據(jù)各層次問題考察次數(shù)和分值占比分析所得到的結(jié)論

2016—2020年高考全國Ⅱ卷物理實驗題中，關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次試題數(shù)量最多，其分?jǐn)?shù)總和占實驗題總分的62.7%，并且每年的比例相對穩(wěn)定。這說明高考實驗題更注重考察較為高階的實驗?zāi)芰?，用以區(qū)分達(dá)到不同實驗?zāi)芰哟蔚膶W(xué)生，以達(dá)到高考選拔人才的目的[5]。其次，單點結(jié)構(gòu)層次試題的分?jǐn)?shù)占實驗題總分的18.6%，多點結(jié)構(gòu)層次試題的分?jǐn)?shù)占實驗題總分的16%，兩者考察的次數(shù)較為接近。這部分試題難度較低，考慮到學(xué)生答題規(guī)律和心理承受能力，多設(shè)置在實驗題的前兩個問，從而保證高考題具有一定的區(qū)分度，避免因試卷總體難度過高而導(dǎo)致的考察失衡等問題[6]。擴(kuò)展結(jié)構(gòu)層次試題數(shù)量最少，其分?jǐn)?shù)占實驗題總分的2%。由此可以看出高考對于擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的要求較低，具體表現(xiàn)在不需要學(xué)生自己設(shè)計實驗解決問題。以上是對高考物理實驗試題層級的整體分析，接下來筆者將進(jìn)一步針對出現(xiàn)次數(shù)較多的層次水平問題的考察內(nèi)容進(jìn)行深入分析并提出教學(xué)建議。

（二）根據(jù)各層次問題考察內(nèi)容分析所得到的結(jié)論

單點結(jié)構(gòu)層次問題：主要考察實驗器材的選擇和使用。學(xué)生只需要掌握相應(yīng)種類實驗器材的使用方法，就能夠?qū)⒃擃}做對。力學(xué)實驗題多考察物理測量工具，如2018年全國Ⅱ卷考察了彈簧測力計的使用。除此之外，教師還應(yīng)該讓學(xué)生加強刻度尺、螺旋測微器、游標(biāo)卡尺等其他力學(xué)測量工具的練習(xí)，并在教學(xué)過程中強調(diào)測量工具的量程、刻度值、估讀原則、處理方法等。電學(xué)實驗多考察電路的連接，尤其是實物圖和電路圖之間的轉(zhuǎn)換。這一部分雖然是高考物理實驗題中較為基礎(chǔ)的考察內(nèi)容，卻也容易被教師和學(xué)生忽視，很多學(xué)生到高三仍不能做到正確的估讀，教師可在高三復(fù)習(xí)課中將其作為單元模塊進(jìn)行集中練習(xí)，加強重視程度，避免在基礎(chǔ)環(huán)節(jié)失分情況的出現(xiàn)。

多點結(jié)構(gòu)層次問題：主要考察理解實驗原理、計算實驗數(shù)據(jù)、保留有效數(shù)字等實驗?zāi)芰Φ木C合運用。這一層次容易以選擇題形式考察，但是由于高考物理實驗題常以多種實驗?zāi)芰C合的形式進(jìn)行考察，選擇題型反而極少出現(xiàn)。如2016年全國Ⅱ卷物理實驗題要求學(xué)生對實驗操作的步驟進(jìn)行正確排序，考察學(xué)生是否明確實驗各個步驟、具有進(jìn)行獨立實驗的能力。有些學(xué)生對整體實驗流程掌握不夠熟練，習(xí)慣于跟隨題目的節(jié)奏進(jìn)行思考，因此，教師在教學(xué)中應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生對于物理實驗的整體把控能力，做到在明確實驗?zāi)康暮竽軌蜓杆賹φ麄€實驗流程了如指掌，從而更加自如地應(yīng)對問題的多種變式[7]。

關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次問題：主要考察處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗圖像以及誤差分析能力。這一層次要求所掌握的各種知識之間能夠相互聯(lián)系、融會貫通，如能夠明確實驗圖像的斜率、與坐標(biāo)軸交點的意義，得出實驗結(jié)論并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和評價。《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求在實驗探究過程中不能只關(guān)注與探究假設(shè)相符的物理事實，還需要觀察和收集與預(yù)期結(jié)果相矛盾的信息，因此，誤差分析能力也非常重要[8]。如力學(xué)實驗中的誤差多是由阻力以及實驗器材理想化所造成，電學(xué)實驗中的誤差主要由于電表內(nèi)阻導(dǎo)致。教師應(yīng)引領(lǐng)學(xué)生既能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析誤差的來源，又能夠提出多種減小誤差的措施。

四、教學(xué)總體建議

（一）根據(jù)學(xué)生實驗?zāi)芰哟危虿氖┙?/p>

通過以上分析可以看出，高考物理實驗題主要在單點、多點和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平層次考察學(xué)生的物理實驗?zāi)芰?，后一層次問題相較于前一層次對實驗?zāi)芰μ岢隽烁叩囊?。這提示我們開展實驗教學(xué)也應(yīng)合理設(shè)置教學(xué)梯度，按照該結(jié)構(gòu)水平層次的順序合理設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容，即確保在掌握物理概念和規(guī)律、理解實驗原理的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)行其他實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。在實驗教學(xué)過程中應(yīng)加強師生交流，及時判斷學(xué)生所處的實驗?zāi)芰哟危缒芊駵?zhǔn)確和深刻地理解實驗原理，能否使用規(guī)范正確的物理語言進(jìn)行表述等。針對不同思維層次的學(xué)生及時地進(jìn)行評價和指導(dǎo)，幫助學(xué)生順利完成向下一層次的躍遷。對于層次水平較低的學(xué)生，教師應(yīng)注重強調(diào)整個實驗的基本要點，數(shù)據(jù)處理、誤差分析等過程要逐一幫助學(xué)生厘清，再通過實際動手操作加深對實驗的理解[9]。對于層次水平較高的學(xué)生，教師可以鼓勵學(xué)生不拘泥于經(jīng)典實驗，進(jìn)行自制實驗儀器的開發(fā)、開放性實驗的設(shè)計等，以靈活應(yīng)對試題變式，實現(xiàn)由前結(jié)構(gòu)層次到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次甚至抽象擴(kuò)展結(jié)構(gòu)層次的過渡。

（二）立足物理學(xué)科特點，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成

物理實驗教學(xué)的最終目的是促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成，而應(yīng)用SOLO分類模式對高考實驗題進(jìn)行劃分則為該目標(biāo)的實現(xiàn)提供了一定的幫助?？v向來看，思維水平在由前結(jié)構(gòu)層次向擴(kuò)展結(jié)構(gòu)層次發(fā)展的過程中，學(xué)生逐漸具備了觀察實驗現(xiàn)象、提出問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制定方案、獲取和處理信息、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律、解決實際問題的能力，該過程也正是核心素養(yǎng)逐漸達(dá)成的過程。橫向來看，關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平問題要求學(xué)生具備數(shù)據(jù)處理、圖像分析能力。要達(dá)到這一目標(biāo)，教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生比較不同實驗數(shù)據(jù)處理和圖像分析的異同，促進(jìn)對同一層次問題的理解，幫助學(xué)生進(jìn)行交流反思和分析歸納[10]。擴(kuò)展結(jié)構(gòu)水平問題要求學(xué)生能夠改進(jìn)實驗方法，設(shè)計新實驗。要達(dá)成這一目的，教師可以鼓勵學(xué)生多質(zhì)疑、創(chuàng)新，借助生活中簡單的實驗器材和常見的電子設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，重視培養(yǎng)學(xué)生在實際生活中運用所學(xué)知識的能力，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對物理實驗的興趣，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度。

綜上，SOLO分類理論能夠較好地測量和定位高考題所考察的實驗?zāi)芰哟?，為物理教師制定總體、單元、課時教學(xué)計劃與教學(xué)目標(biāo)以及復(fù)習(xí)課的設(shè)計提供一定的幫助，有利于分階段、分層次地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，在夯實實驗基礎(chǔ)知識的同時，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?，以最終達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的目的。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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（責(zé)任編輯：趙曉梅）