SOLO理論視域下的中美教材習(xí)題對(duì)比研究

張靜 朱巧萍

摘 ? 要：教材習(xí)題是教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)物理知識(shí)之后進(jìn)行的練習(xí)，基于SOLO分類理論對(duì)比中美教材關(guān)于機(jī)械能守恒定律一章習(xí)題，總結(jié)歸納出中美教材習(xí)題的優(yōu)點(diǎn)與不足。

關(guān)鍵詞：SOLO分類理論;習(xí)題對(duì)比;機(jī)械能守恒定律

新一輪的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中強(qiáng)調(diào)教學(xué)要著重發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，高中物理學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)是以學(xué)生發(fā)展為本、基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià)，其目的主要在于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和改進(jìn)教師教學(xué)[ 1 ]。教學(xué)評(píng)價(jià)的方式多種多樣，常用手段為習(xí)題檢測(cè)，其檢測(cè)的目的不在于總結(jié)分?jǐn)?shù)的高低，而注重評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展。

1 ?SOLO分類理論

SOLO分類理論是一種分析思維結(jié)構(gòu)的分類評(píng)價(jià)理論。SOLO是英文Structure of the Observed Learning Outcome的簡(jiǎn)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(guò)程中的個(gè)體差異以及學(xué)習(xí)的質(zhì)量》一文中首先提出SOLO分類理論[ 2 ]，SOLO理論將學(xué)生的思維水平主要分為以下五個(gè)層次，前結(jié)構(gòu)水平、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平、多點(diǎn)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，各個(gè)水平特點(diǎn)如下：

①前結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生對(duì)問(wèn)題完全不了解，物理概念、規(guī)律不清楚。

②單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生了解問(wèn)題中的某一個(gè)條件，運(yùn)用一方面知識(shí)就可以解決相應(yīng)的問(wèn)題，對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解較為模糊。

③多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生能夠理解問(wèn)題，掌握解決問(wèn)題所需的知識(shí)（2個(gè)或者2個(gè)以上），就可以解決問(wèn)題，但不能整合新舊知識(shí)，建立聯(lián)系。

④關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生知道解決問(wèn)題所需的條件，邏輯思維清晰，能夠組織各方面知識(shí)解決問(wèn)題。

⑤抽象擴(kuò)展結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生具有問(wèn)題探究意識(shí)，在解決問(wèn)題的基礎(chǔ)上提出新的問(wèn)題，能夠進(jìn)行知識(shí)遷移。

本文以SOLO理論為指導(dǎo)，選取機(jī)械能守恒定律一章習(xí)題，進(jìn)行對(duì)比研究，使教材習(xí)題更加科學(xué)化、質(zhì)量化、層次化、創(chuàng)新化。

2 ?教材習(xí)題對(duì)比

習(xí)題選自中國(guó)教材人教版高中物理必修2第八章機(jī)械能守恒定律，美國(guó)教材習(xí)題選自《原理與問(wèn)題》中冊(cè)第11章能量與能量守恒。本文分別從習(xí)題的結(jié)構(gòu)、類型、內(nèi)容三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比研究。由于習(xí)題是在學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)物理知識(shí)之后所進(jìn)行的練習(xí)，所以學(xué)生思維結(jié)構(gòu)中的前結(jié)構(gòu)水平已經(jīng)建構(gòu)。

2.1 ?習(xí)題結(jié)構(gòu)

SOLO分類理論的四個(gè)等級(jí)是一個(gè)思維由低級(jí)向高級(jí)過(guò)渡的過(guò)程，課堂教學(xué)與習(xí)題設(shè)置也應(yīng)遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生的思維建構(gòu)。經(jīng)過(guò)總結(jié)分析，中美教材習(xí)題結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）習(xí)題結(jié)構(gòu)相同點(diǎn)

中國(guó)教材的習(xí)題結(jié)構(gòu)在課堂教學(xué)部分與美國(guó)教材大致相同。美國(guó)教材系統(tǒng)呈現(xiàn)方式更加多樣化，在課堂教學(xué)中不僅設(shè)置例題和本節(jié)復(fù)習(xí)題、隨堂實(shí)踐“練一練”環(huán)節(jié)，還有發(fā)散學(xué)生思維的“挑戰(zhàn)性問(wèn)題”。處于中學(xué)時(shí)期的學(xué)生具有較強(qiáng)的好奇心和求知欲，“挑戰(zhàn)性問(wèn)題”通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境建立外部刺激，引起學(xué)生刺激--反應(yīng)聯(lián)結(jié)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)部學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。因此，在課堂教學(xué)中加入這一環(huán)節(jié)，具有一定的可行性。

（2）習(xí)題結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)

兩版教材習(xí)題章末部分差別較大，章末習(xí)題位于SOLO理論中各個(gè)結(jié)構(gòu)水平的題目數(shù)量如表1所示。

表1 ?章末習(xí)題SOLO結(jié)構(gòu)層次分布表

美國(guó)教材在章末設(shè)置的“測(cè)評(píng)”模塊層次分明，分為繪制概念圖、理解概念、應(yīng)用概念、問(wèn)題解決、復(fù)習(xí)提高、理性思維、科技寫作、日積月累8個(gè)環(huán)節(jié)，其中“繪制概念圖、理解概念、應(yīng)用概念、問(wèn)題解決”環(huán)節(jié)的習(xí)題共有83道，為單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平，“復(fù)習(xí)提高、理性思維、日積月累”的習(xí)題共有17道，為多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平，“科技寫作”的習(xí)題2道為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，沒(méi)有抽象拓展結(jié)構(gòu)水平習(xí)題?？偨Y(jié)分析其得出單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平題目較多，約占總數(shù)量的81%，多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平到抽象拓展結(jié)構(gòu)水平之間的習(xí)題較少僅為19%，不利于學(xué)生提升思維結(jié)構(gòu)水平。而中國(guó)教材章末習(xí)題多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平至抽象拓展結(jié)構(gòu)水平占84%，單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平習(xí)題約為15%，簡(jiǎn)單題目較少。

由此可見(jiàn)，美國(guó)教材習(xí)題設(shè)置具有一定的豐富性和基礎(chǔ)性，且各個(gè)習(xí)題所考察的內(nèi)容具體標(biāo)明，學(xué)生能夠選取相應(yīng)的習(xí)題進(jìn)行針對(duì)性練習(xí)，以便查缺補(bǔ)漏。中國(guó)教材習(xí)題設(shè)置便于促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展，但是基礎(chǔ)題目較少，且缺乏習(xí)題分類，對(duì)于物理學(xué)習(xí)困難的學(xué)生難以運(yùn)用教材習(xí)題進(jìn)行基礎(chǔ)性練習(xí)。

2.2 ?習(xí)題類型

中美教材“機(jī)械能守恒定律”一章習(xí)題類型分布情況如表2所示，對(duì)習(xí)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，采用每道題目的每一小問(wèn)為一題。

表2 ?習(xí)題類型

為了更直觀的顯示習(xí)題類型分布，將上述表格轉(zhuǎn)換為柱狀圖，如圖2所示。

中國(guó)教材與美國(guó)教材在習(xí)題類型設(shè)置方面大致相同。兩國(guó)教材中計(jì)算題所占比重最大，分別為63%和59，計(jì)算題究其根本為綜合題，考察學(xué)生對(duì)功、能量、機(jī)械能守恒定律等陳述性知識(shí)的掌握程度，對(duì)題干中有效條件提取的能力，對(duì)長(zhǎng)時(shí)記憶中的信息進(jìn)行加工和編碼的能力，聯(lián)系生活與社會(huì)的物理模型建構(gòu)能力，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)工具、機(jī)械運(yùn)動(dòng)守恒方法解決問(wèn)題的能力。因此，SOLO理論中的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)在計(jì)算題中呈現(xiàn)較多，這也與核心素養(yǎng)所提出的培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力相適應(yīng)，教學(xué)應(yīng)致力于使學(xué)生理解物理知識(shí)、促進(jìn)其思維發(fā)展。中美教材問(wèn)答題占比為23%和20%，證明題占比為10%和4%，問(wèn)答題及證明題多為單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平和多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)、結(jié)果論證，使學(xué)生理解動(dòng)能、勢(shì)能等相關(guān)概念，形成物理觀念。作圖題、選擇題、判斷題在本章應(yīng)用較少，運(yùn)用以上幾種題型難以促進(jìn)學(xué)生從能量守恒的角度逐層分析。

2.3 ?例題分析

為了詳細(xì)分析習(xí)題內(nèi)容，選取中美教材“機(jī)械能守恒定律”這一節(jié)的例題進(jìn)行對(duì)比。例題位于課堂教學(xué)之中，應(yīng)用例題學(xué)生可以鞏固、應(yīng)用教師剛才所講的知識(shí)點(diǎn)，教師通過(guò)例題確定學(xué)生所處思維結(jié)構(gòu)水平，因此例題應(yīng)難度適中，處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)之間。

（1）中國(guó)教材

【例題1】把一個(gè)小球用細(xì)線懸掛起來(lái)，就成為一個(gè)擺（如圖3），擺長(zhǎng)為l，最大偏角為θ。如果阻力可以忽略，小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)的速度大小是多少？

分析 在阻力可以忽略的情況下，小球擺動(dòng)過(guò)程中受重力和細(xì)線的拉力。細(xì)線的拉力與小球的運(yùn)動(dòng)方向垂直，不做功，所以這個(gè)過(guò)程中只有重力做功，機(jī)械能守恒。

小球在最高點(diǎn)只有重力勢(shì)能，動(dòng)能為0，計(jì)算小球在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)重力勢(shì)能的差值，根據(jù)機(jī)械能守恒定律就能得出它在最低點(diǎn)的動(dòng)能，從而算出它在最低點(diǎn)的速度。

解：以小球?yàn)檠芯繉?duì)象。設(shè)最低點(diǎn)的重力勢(shì)能為0，以小球在最高點(diǎn)的狀態(tài)作為初狀態(tài)，以小球在最低點(diǎn)的狀態(tài)作為末狀態(tài)。

在最高點(diǎn)的動(dòng)能Ek1=0，重力勢(shì)能是 Ep1=mg（l-lcosθ）

在最低點(diǎn)的重力勢(shì)能Ep2=0，而動(dòng)能可以表示為

Ek2=mv2

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只有重力做功，所以機(jī)械能守恒，即

Ek2+Ep2=Ek1+Ep1

把初末狀態(tài)下動(dòng)能、重力勢(shì)能的表達(dá)式代入，得

mv2=mg（l-lcosθ）

由此解出小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)的速度大小

v=。具體分析如表3。

（2）美國(guó)教材

【例題2】 在暴風(fēng)雨期間，一根質(zhì)量為22 kg，高出地面13.3 m的大樹(shù)枝下落到離地6.0 m的屋頂上。

a. 忽略空氣阻力，求出落到屋頂上時(shí)樹(shù)枝的動(dòng)能。

b. 落到屋頂時(shí)樹(shù)枝的速率是多少。

①分析概括問(wèn)題

概述最初和最終的狀態(tài)，選擇參考面，畫出圖4。

已知：m=22 kg ? g=9.8 m/s2 ? ?h枝條=13.3 m

v1=0.0 m/s ?Eki=0.0 J ? ? ?h屋頂=0.6 m

未知：Epi=？ ? ? Ekf=？ ? Epf=？ ? vi=？

②求解未知量

a.選定屋頂?shù)母叨茸鳛閰⒖济妗?/p>

求解樹(shù)枝相對(duì)于屋頂?shù)某跏几叨?，將h枝條=13.3 m， h屋頂=0.6 m代入，h=h枝條-h屋頂=13.3 m-0.6 m=7.3 m。

求解樹(shù)枝的初勢(shì)能，將m=22.0 kg，g=9.8 m/s2，h=7.3 m代入。

Epi=mgh=22.0 kg×9.8 m/s2×7.3 m=1.6×103 J，確定樹(shù)枝的初動(dòng)能Eki=0.0 J ， 樹(shù)枝最初是靜止的。因?yàn)槟芰渴睾悖缘竭_(dá)屋頂時(shí)樹(shù)枝的動(dòng)能等于它的初勢(shì)能。

Ekf=Epi=1.6×103 J。

因?yàn)樵趨⒖济嫔希琱=0.00 m，所以Epf=0.0 J

b.求解樹(shù)枝的速率。

將Ekf=1.6×103 J，m=22 kg代入。Ekf=mvf2

vf===12 m/s

③驗(yàn)證答案

單位是否正確？速度是以m/s量度的，能量是以1 kg·m2/s2=1 J量度的。符號(hào)是否有意義？Ek和速度的大小始終是正的。

具體分析如表4。

通過(guò)以上對(duì)比分析，兩個(gè)版本教材的例題均為計(jì)算題。中國(guó)教材的例題難度適中，既推動(dòng)學(xué)生熟悉物理知識(shí)，又便于定位學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)在SOLO理論中的各個(gè)層次，但是習(xí)題解析過(guò)程粗略，不能有效引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于題中信息進(jìn)行表征，題目與實(shí)際聯(lián)系較弱，不能很好的調(diào)動(dòng)學(xué)生的情感態(tài)度與責(zé)任感。美國(guó)教材的例題較為簡(jiǎn)單，適合考察學(xué)生對(duì)于當(dāng)節(jié)知識(shí)的掌握程度，解題過(guò)程詳細(xì)，步步引導(dǎo)，便于學(xué)生吸收、消化，題材更加生活化，缺點(diǎn)是例題沒(méi)有層次感，不能有效評(píng)價(jià)學(xué)生的思維發(fā)展和認(rèn)知過(guò)程。

中國(guó)教材每一節(jié)的課后習(xí)題和章節(jié)習(xí)題同樣注重深度，習(xí)題多為綜合類計(jì)算題，目的是培養(yǎng)學(xué)生縱向邏輯思維和橫向綜合知識(shí)的能力。如復(fù)習(xí)與提高A組的第6題，一個(gè)物體在彈簧的彈力作用下沿水平面滑上圓弧軌道運(yùn)動(dòng)的題，學(xué)生解決本題既要熟悉受力分析，知道物體由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過(guò)程中機(jī)械能守恒，又要結(jié)合物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的重力做功特點(diǎn)和動(dòng)能定理求出阻力做功大小。

美國(guó)教材課后練一練和測(cè)評(píng)部分習(xí)題側(cè)重于基礎(chǔ)性，鞏固、熟悉能量守恒等知識(shí)，與生活聯(lián)系十分密切，如第11章測(cè)評(píng)板塊的第31題，提問(wèn)手表發(fā)條不同狀態(tài)下所具有的能量，本題以手表發(fā)條的形式考察動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，直接將物理知識(shí)應(yīng)用于解決問(wèn)題。

3 ?習(xí)題改進(jìn)建議

3.1 ?注重創(chuàng)設(shè)情境，加強(qiáng)與社會(huì)的聯(lián)系

陶行知先生提出生活教育理論，認(rèn)為書本不能脫離生活實(shí)際。美國(guó)習(xí)題多以社會(huì)生活為基礎(chǔ)，如黑猩猩蕩樹(shù)藤計(jì)算其到達(dá)地面的速度，同樣應(yīng)用機(jī)械能守恒定律的知識(shí)，但是學(xué)生對(duì)此題會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的探究欲望，理解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在頭腦中逐漸構(gòu)建物理情境。中國(guó)習(xí)題應(yīng)適當(dāng)結(jié)合社會(huì)實(shí)際，從生活中選擇學(xué)生司空見(jiàn)慣的場(chǎng)景作為素材[ 3 ]，減少學(xué)生機(jī)械刷題的枯燥感，發(fā)散學(xué)生思維，促進(jìn)知識(shí)遷移。

3.2 ?注重習(xí)題梯度，便于因材施教

根據(jù)SOLO分類理論，中國(guó)教材章末習(xí)題缺乏針對(duì)性和基礎(chǔ)性，大致可分為鞏固與提升兩個(gè)模塊。習(xí)題設(shè)置應(yīng)面向全體學(xué)生，合理設(shè)計(jì)課后習(xí)題的認(rèn)知水平梯度[ 4 ]，如美國(guó)教材測(cè)評(píng)板塊分為等級(jí)不同的8個(gè)模塊，使學(xué)生通過(guò)習(xí)題進(jìn)行針對(duì)性練習(xí)，確定自己的思維水平，建立最近發(fā)展區(qū)，將下一個(gè)思維水平作為學(xué)習(xí)目標(biāo)。

3.3 ?注重思路引導(dǎo)，發(fā)展學(xué)生思維

中國(guó)學(xué)生在考試過(guò)程中遇到不會(huì)的習(xí)題，多采用套公式的方法，不能按部就班的分析物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，思維較為混亂。學(xué)生的物理認(rèn)知過(guò)程有賴于教師的引導(dǎo)，教師在習(xí)題教學(xué)前應(yīng)了解學(xué)生所處的思維結(jié)構(gòu)水平，在習(xí)題教學(xué)中步步引導(dǎo)，促進(jìn)其思維發(fā)展。習(xí)題解析應(yīng)分為“分析問(wèn)題—提取有效信息—建構(gòu)物理模型—求解未知量—解決問(wèn)題—驗(yàn)證答案”幾個(gè)環(huán)節(jié)，這樣編排有助于發(fā)展學(xué)生的邏輯思維。因此，對(duì)上述中國(guó)教材例題解析的改進(jìn)如下所示。

①分析概括問(wèn)題

概述最初狀態(tài)和最終狀態(tài)、選擇參考面

已知：秋千擺長(zhǎng)為l，最大擺角為θ，Ek最高=0，EP最低=0

未知： EP最高=？，Ek最低=？，v最低=？

②建構(gòu)物理模型

在阻力可以忽略的情況下，秋千擺動(dòng)過(guò)程中受重力和細(xì)線的拉力。秋千的拉力與秋千的運(yùn)動(dòng)方向垂直，不做功，所以這個(gè)過(guò)程中只有重力做功，機(jī)械能守恒。選取秋千最低點(diǎn)處為零勢(shì)能參考面，秋千在擺角最大處只有重力勢(shì)能，動(dòng)能為，在最低點(diǎn)處動(dòng)能最大，重力勢(shì)能為0。

③求解未知量

a.選取秋千最低點(diǎn)處為零勢(shì)能參考面

求解秋千相對(duì)于最低點(diǎn)的高度Δh=l-lcosθ

求解秋千最高點(diǎn)的重力勢(shì)能（設(shè)玲玲和秋千的總質(zhì)量為m）

EP最高=mgh=mgl（1-cosθ）

b.求解秋千最低點(diǎn)處的動(dòng)能

根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得

Ek最高+EP最高=Ek最低+EP最低

代入已知量，可得

Ek最低=EP最高=mgl（1-cosθ）

c.求解最低點(diǎn)的速度

根據(jù)動(dòng)能計(jì)算公式

Ek最低=mv2，得出v=

④驗(yàn)證答案

零勢(shì)能參考面的選取是否正確？決定著重力勢(shì)能的正負(fù)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

物理習(xí)題教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理觀念和科學(xué)思維必不可少的一部分，同時(shí)也是學(xué)生檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的重要通道，習(xí)題設(shè)置不僅僅是為了提高成績(jī)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生終身發(fā)展所必備的科學(xué)素養(yǎng)與學(xué)習(xí)技能，中國(guó)教材習(xí)題編排注重發(fā)展學(xué)生思維，并且覆蓋SOLO理論的各個(gè)層次，具有一定的合理性，但是題目結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、解析過(guò)程方面略有不足，本文提出一些建議以供參考。

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