SOLO分類理論在教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用*
——以“摩擦力”教學(xué)為例

張 靜 朱巧萍 葉巧婷

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 SOLO分類理論的起源及內(nèi)涵

SOLO分類理論是Structure of the Observed Learning Outcome的簡稱，意為“可觀察到的學(xué)習(xí)結(jié)果”.澳大利亞學(xué)者Biggs在《學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的個體差異以及學(xué)習(xí)的質(zhì)量》[1]一文中首先提出SOLO分類理論，該理論是在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段論的基礎(chǔ)上提出的，Biggs認(rèn)為青少年在學(xué)習(xí)過程中整體上呈現(xiàn)階段性，但是其思維水平存在個體差異.因此，教師在教學(xué)前應(yīng)了解學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的需求，制定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，合理安排教學(xué)內(nèi)容，從而宏觀調(diào)控整個教學(xué)過程.SOLO理論將學(xué)生的思維水平主要分為以下5個層次：前結(jié)構(gòu)水平、單點結(jié)構(gòu)水平、多點結(jié)構(gòu)水平、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平和抽象拓展結(jié)構(gòu)水平，各思維層次的特點如表1所示.

表1 SOLO理論

本文以SOLO分類理論為基礎(chǔ)，以高中物理“摩擦力”一節(jié)為例進行教學(xué)研究.

2 基于SOLO分類理論的教學(xué)目標(biāo)與學(xué)情分析

習(xí)主席在全國兩會上指出，“教育，無論學(xué)校教育還是家庭教育，都不能過于注重分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)是一時之得，沒有形成健康成熟的人格.”現(xiàn)階段我國教育的評價標(biāo)準(zhǔn)還停留在應(yīng)試教育，過于注重學(xué)生的分?jǐn)?shù)，而忽視學(xué)生終身發(fā)展所必備的知識技能.新一輪的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出，教育要注重發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與能力，從而實現(xiàn)從應(yīng)試教育向素質(zhì)教育的轉(zhuǎn)變.在新一輪高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中著重強調(diào)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，其主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面.課程標(biāo)準(zhǔn)中高中物理“摩擦力”的教學(xué)目標(biāo)為“認(rèn)識摩擦力，知道滑動摩擦和靜摩擦現(xiàn)象，能用動摩擦因數(shù)計算滑動摩擦力的大小”[2].本文將物理核心素養(yǎng)的4個方面與SOLO分類理論的5個層次相結(jié)合來設(shè)計教學(xué)目標(biāo).

2.1 分析學(xué)情確定教學(xué)任務(wù)

在確定教學(xué)目標(biāo)之前，首先要分析學(xué)生的學(xué)習(xí)需求.學(xué)生在初中已經(jīng)知道滑動摩擦力的概念及影響摩擦力大小的因素，但是對于摩擦力的理解不透徹，只是簡單了解摩擦力的概念，對于“運動”和“相對運動”的理解匱乏，受到前概念等因素的影響，認(rèn)為摩擦力就是阻礙物體運動的力，也就是阻力，學(xué)生認(rèn)知水平處于單點結(jié)構(gòu)水平[3].根據(jù)維果斯基的最近發(fā)展區(qū)理論，確定學(xué)生處于單點結(jié)構(gòu)水平以后，應(yīng)將發(fā)展學(xué)生的多點結(jié)構(gòu)水平作為本節(jié)課的教學(xué)重點，通過教學(xué)活動使學(xué)生了解摩擦力的概念及產(chǎn)生條件，并以此水平結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，確定下一個最近發(fā)展區(qū)[4].

2.2 結(jié)合理論設(shè)計教學(xué)目標(biāo)

“物理觀念”是物理概念在頭腦中的提煉與升華，教學(xué)目標(biāo)應(yīng)定位于提升思維處于單點結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生對摩擦力概念的理解；“科學(xué)思維”部分包括在教師引導(dǎo)下學(xué)生對摩擦力產(chǎn)生條件的科學(xué)推理、認(rèn)識摩擦力各個要素的相互關(guān)系；“科學(xué)探究”這一核心素養(yǎng)指學(xué)生基于探究實驗提出問題，進行實驗論證，充分整合知識提升思維結(jié)構(gòu)水平；學(xué)生掌握本節(jié)課所學(xué)知識后，鍛煉學(xué)生遷移知識，應(yīng)用于具體的物理現(xiàn)象，具體教學(xué)目標(biāo)如圖1所示.

圖1 “摩擦力”教學(xué)目標(biāo)

3 SOLO分類理論與教學(xué)過程

物理概念、物理規(guī)律是物理學(xué)的核心，大部分的物理概念及規(guī)律具有抽象性.物體間的力是無法直接看見的，教師用講授法進行授課時，學(xué)生很難建構(gòu)物理模型并深入理解，因此如何在教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生的思維發(fā)展，促進學(xué)生思維由單點結(jié)構(gòu)向多點結(jié)構(gòu)的過渡，是本節(jié)教學(xué)的重點；運用儀器設(shè)備進行科學(xué)探究，探索摩擦力的大小及方向，使學(xué)生思維由多點結(jié)構(gòu)水平提升到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，是本節(jié)教學(xué)的難點.SOLO理論認(rèn)為學(xué)習(xí)過程是一個由思維低水平向思維高水平遷移的過程，具體教學(xué)過程為以下幾個環(huán)節(jié).

3.1 創(chuàng)設(shè)情境奠定基礎(chǔ)----引入摩擦力的概念

SOLO理論的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，促進學(xué)生思維由單點結(jié)構(gòu)水平向多點結(jié)構(gòu)水平過渡.多數(shù)學(xué)生摩擦力的概念混淆不清,認(rèn)為靜止的物體不會受到摩擦力，運動的物體才有摩擦力的作用，處于單點結(jié)構(gòu)水平.教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗并解決問題，使學(xué)生能夠區(qū)分相對運動與相對運動趨勢，理解靜止的物體也可能受到摩擦力.

情境一：教師用兩個刷毛相互交叉的牙刷提起一瓶1 000 mL的水，如圖2所示.

圖2 “大力”牙刷

提出問題：(1)牙刷是否會分開？(2)牙刷不會分開的原因是什么？

情境二：教師演示一個環(huán)繞在兩根細(xì)線上的物體，如圖3所示，自然狀態(tài)下，物體靜止于細(xì)線底部，通過拉動兩根細(xì)線，物體向上移動.

圖3 爬繩運動

提出問題：靜摩擦力與滑動摩擦力的區(qū)別有哪些？

學(xué)生認(rèn)知活動：

(1)牙刷會分開,受到向下的重力所產(chǎn)生的拉力作用.(單點結(jié)構(gòu)水平)

(2)牙刷不會分開，受到摩擦力和重力共同作用.(多點結(jié)構(gòu)水平)

(3)靜止的物體所受的摩擦力為靜摩擦力，運動的物體所受摩擦力為動摩擦力.(單點結(jié)構(gòu)水平)

(4)相對靜止的物體所受的摩擦力為靜摩擦力，相對運動的物體所受的摩擦力為動摩擦力.(多點結(jié)構(gòu)水平)

3.2 演示實驗思維建構(gòu)----探討摩擦力的產(chǎn)生條件

SOLO理論的積累環(huán)節(jié)，促進思維在多點結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生知識產(chǎn)生量變.教師采用對比法進行演示實驗，引導(dǎo)學(xué)生分析摩擦力的產(chǎn)生條件.

(1)教師演示氣球提起水杯的實驗(有壓力作用)，如圖4所示.

圖4 隱形壓力

(2)教師請兩位學(xué)生用力拉相交的牙刷，引導(dǎo)學(xué)生觀察刷毛的變化(具有相對運動趨勢或者相對運動)，如圖5所示.

圖5 相交牙刷

(3)教師播放用肥皂水脫掉手腕上的鐲子的視頻(接觸面粗糙程度).

多點結(jié)構(gòu)水平是SOLO理論的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用.這一環(huán)節(jié)，學(xué)生在理解摩擦力概念的基礎(chǔ)上，進一步探究摩擦力的產(chǎn)生條件，進行知識拓展，鞏固多點思維結(jié)構(gòu)水平.

3.3 科學(xué)探究產(chǎn)生質(zhì)變----理解動摩擦因數(shù)及最大靜摩擦力

SOLO理論的提升環(huán)節(jié)，促進學(xué)生思維結(jié)構(gòu)由多點結(jié)構(gòu)水平向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平發(fā)展.聯(lián)系前面所學(xué)二力平衡知識，學(xué)生在教師引導(dǎo)下能夠判斷靜摩擦力的方向，但是，處于多點結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生缺乏對已掌握知識的整合能力，通過簡單的演示實驗學(xué)生無法理解“最大靜摩擦力”的概念.傳統(tǒng)的探究摩擦力大小的實驗也存在較大誤差，采用DIS實驗系統(tǒng)進行探究，可以直觀地觀察到摩擦力的數(shù)值變化及函數(shù)關(guān)系，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生操作能力的同時，更大程度上保證教學(xué)的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，使學(xué)生理解“最大靜摩擦力”及動摩擦因數(shù)的物理意義.

在實驗探究之前，教師提出問題：(1)靜摩擦力與動摩擦力可以相互轉(zhuǎn)化嗎？(2)如何計算摩擦力的大小？引導(dǎo)學(xué)生帶著問題進行實驗，有助于學(xué)生思維建構(gòu).

實驗器材：力傳感器(LW-F801)，摩擦力實驗器(LW-6341).實驗裝置如圖6所示.

(a)實物圖

(b)示意圖

實驗操作：進入“摩擦力”專用軟件，選擇質(zhì)量為100 g的摩擦塊，在摩擦力實驗器電動機牽引下，摩擦塊由靜止變?yōu)閯蛩龠\動狀態(tài)，單擊“停止記錄”，觀察實驗曲線，如圖7所示.在摩擦塊上加不同質(zhì)量的砝碼，多次重復(fù)實驗，記錄數(shù)據(jù)，單擊“摩擦力與正壓力圖像”，對數(shù)據(jù)進行“直線擬合”，如圖8所示.

減水劑和膨脹劑：經(jīng)過試驗選用武漢冶建生產(chǎn)的JG-2H型聚羧酸高性能減水劑，該減水劑具有高減水、高保塌、抗分離及提高混凝土早期強度等綜合功能；膨脹劑選用武漢三源生產(chǎn)的UEA-Ⅰ型膨脹劑。

圖8 摩擦力與正壓力函數(shù)圖像

學(xué)生認(rèn)為靜摩擦力與動摩擦力沒有必然聯(lián)系，在初中也僅僅學(xué)習(xí)過影響滑動摩擦力大小的幾個因素，缺乏定量研究，其思維處于多點結(jié)構(gòu)水平.通過DIS探究實驗，搭建動靜摩擦力之間的橋梁，使學(xué)生理解物體所受靜摩擦力突破一定臨界值就會轉(zhuǎn)化為滑動摩擦力，其數(shù)值等于物體即將開始運動的拉力大小.

分析實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)摩擦力大小與壓力大小成正比，其比值定義為動摩擦因數(shù)，用μ表示，公式為

教師引導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生實驗誤差的原因，促進學(xué)生思維由關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平向抽象拓展結(jié)構(gòu)水平過渡.實驗誤差原因可能為以下幾點：

(1)根據(jù)“摩擦粘附”理論，由于不存在絕對光滑的表面，兩個表面相互接觸時產(chǎn)生微小正壓力，進而產(chǎn)生摩擦力，所以“Ff-Fn”不過原點.

(2)砝碼受到拉力作用運動的過程中不能保證拉力方向與摩擦力方向正好為180°，所以收集的數(shù)據(jù)并不完全在“Ff-Fn”的函數(shù)圖像上.

(3)物體由靜止到運動的過程太快，導(dǎo)致“Ff-t”中滑動摩擦力一開始波動較大.

通過科學(xué)探究，學(xué)生知道了摩擦力的相關(guān)概念，能夠運用摩擦力相關(guān)知識解決具體問題，根據(jù)SOLO理論，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于生活實際，運用物理知識解決實際問題，并發(fā)散學(xué)生思維，改進生活中的儀器設(shè)備，促進學(xué)生思維水平向抽象拓展結(jié)構(gòu)水平轉(zhuǎn)變，使學(xué)生掌握策略性知識.

4 SOLO分類理論與教學(xué)評價

教學(xué)評價是對教學(xué)活動是否達到教學(xué)目標(biāo)要求的整體的評價，傳統(tǒng)的教學(xué)評價只注重教學(xué)結(jié)果，而忽視學(xué)生思維及認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展.以SOLO理論為基礎(chǔ)進行評價，遵循學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，促進學(xué)生知識按照陳述性知識—程序性知識—策略性知識的方向發(fā)展[5].SOLO理論注重學(xué)生學(xué)習(xí)的過程而非學(xué)習(xí)的結(jié)果，教師設(shè)置相應(yīng)習(xí)題引導(dǎo)學(xué)生作答，根據(jù)學(xué)生回答的內(nèi)容、內(nèi)容的邏輯體系，確定學(xué)生所處的思維層次，教師反思教學(xué)過程，并改進.

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生本節(jié)課必須掌握的知識，本文選取兩道覆蓋SOLO理論3個層次的摩擦力習(xí)題，分析學(xué)生的作答情況，對學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)水平進行評價.

【例1】如圖9所示，木箱重為10 kg,小孩用40 N的水平力推木箱，木箱不動，此時木箱受靜摩擦力大小為多少？小孩用至少55 N的水平力推木箱，木箱才能被推動，則木箱與地面的最大靜摩擦力為多少？小孩用70 N的水平力推動木箱做直線運動，若木箱與地面間的動摩擦因數(shù)為0.5，物體與地面的滑動摩擦力大小為多少？(g取10 m/s2)

圖9 例1題圖

學(xué)生的作答結(jié)果與思維層次的對應(yīng)關(guān)系如表2所示.

表2 例1分析

【例2】如圖10所示，水平放置的傳送帶以速度v=2 m/s向右運行，現(xiàn)將一小物體輕輕放在傳送帶A端，物體與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.2,若A端與B端相距4 m,則物體由A到B的時間和物體到B端時的速度是多少？

圖10 傳送帶示意圖

解題過程略.

學(xué)生的作答結(jié)果與思維層次的對應(yīng)關(guān)系如表3所示.

表3 例2分析

續(xù)表3

5 教學(xué)反思

SOLO理論是基于大量實驗總結(jié)出的思維結(jié)構(gòu)理論，在教學(xué)中應(yīng)用SOLO理論有助于因材施教.“摩擦力”一節(jié)內(nèi)容有其內(nèi)在的復(fù)雜性，以SOLO理論為導(dǎo)向進行教學(xué)設(shè)計能夠使本節(jié)教學(xué)內(nèi)容由簡單的摩擦力概念到復(fù)雜的動摩擦力計算，由具體的刷毛形變展現(xiàn)“相對運動趨勢”到抽象的DIS探究最大靜摩擦力，層層遞進.根據(jù)學(xué)生的作答情況，教師反思教學(xué)設(shè)計過程，以優(yōu)化整個教學(xué)活動，并給處于各個水平的學(xué)生有針對性地布置習(xí)題.但是SOLO理論并不完善，如各個思維結(jié)構(gòu)水平的定位標(biāo)準(zhǔn)不一，每個學(xué)生的思維層次都有各自的特點，而教學(xué)只能考慮大部分學(xué)生的思維水平.因此，教師應(yīng)在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中有選擇地利用SOLO理論，有效促進學(xué)生思維發(fā)展.