基于SOLO理論的物理核心素養(yǎng)評測案例*

祝偉斌 吳維寧

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062)

自2017版物理新課標(biāo)頒布以來[1]，新出現(xiàn)的物理核心素養(yǎng)備受矚目，其中核心素養(yǎng)如何考察成為教師們最為關(guān)心的問題，這不僅涉及學(xué)生的升學(xué)和教師的績效，也對高中物理教學(xué)具有重要的導(dǎo)向作用.本文在分析新課標(biāo)物理核心素養(yǎng)基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，以SOLO分類理論的視角，介紹兩個(gè)相關(guān)的評測案例，旨在探討物理核心素養(yǎng)的測評方式問題.

1 SOLO分類理論與物理核心素養(yǎng)

SOLO是上個(gè)世紀(jì)末引入我國的教育目標(biāo)分類理論[2,3]，是一種不同于傳統(tǒng)方法的評測框架，可運(yùn)用于封閉性和開放性問題的評測. SOLO試題就是將SOLO運(yùn)用于封閉性問題評測的實(shí)例[4].SOLO試題由題干和4個(gè)不同層次的問題組成，不同層次的問題分別對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)水平.回答后面的問題要基于對前一個(gè)問題的正確解答，例如學(xué)生第二問回答正確，那么他第一問的回答必然是正確的.

下面通過表1來展示SOLO題的4個(gè)小問分別對應(yīng)的5個(gè)結(jié)構(gòu)層次以及所對應(yīng)的學(xué)生達(dá)到的水平.

表1 SOLO題4小問對應(yīng)的SOLO結(jié)構(gòu)層次與學(xué)生水平

2017版新課標(biāo)首次提出的物理核心素養(yǎng)，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(gè)維度.本文后續(xù)案例主要涉及前兩個(gè)維度，下面以表格的方式重點(diǎn)展示物理核心素養(yǎng)與本文案例相關(guān)部分的內(nèi)容框架.

表2 物理觀念和科學(xué)思維兩個(gè)維度的內(nèi)容框架

從表2中我們可以看出，在高中階段全面考查學(xué)生的物理觀念，應(yīng)當(dāng)從考查學(xué)生對于物質(zhì)的認(rèn)識、對于運(yùn)動(dòng)與相互作用的認(rèn)識以及對于能量問題的認(rèn)識等3個(gè)方面來實(shí)施.同樣地，要想全面考查學(xué)生的科學(xué)思維水平，就要具體考查學(xué)生的建模水平、科學(xué)推理的水平、科學(xué)論證的水平以及質(zhì)疑創(chuàng)新的水平.一道具體的考試試題也許不能夠覆蓋到所有的要素，因此試題命制者和選用者可以根據(jù)考察需要來選取符合具體要素要求的SOLO試題.

2 物理核心素養(yǎng)的評測案例

2.1 一道典型SOLO試題的評測案例

【例1】如圖1所示，已知人的質(zhì)量為M，冰球的質(zhì)量為m，都靜止在水平冰面上，在前方有一固定擋板，不計(jì)一切摩擦力.人將冰球以速度v擊出，冰球與擋板碰撞后返回.冰球與擋板碰撞過程中的能量損失可忽略不計(jì).

圖1 人擊打冰球

(1)冰球與擋板的碰撞屬于那種類型的碰撞？

(2)將冰球打出后，人的速度為多少？

(3)人將返回后的冰球接住后，再將冰球以速度v擊出，此時(shí)人的速度為多少？

該題的解答過程如下：

(1)該碰撞屬于完全彈性碰撞.

(2)設(shè)擊球的方向?yàn)檎较?，并設(shè)擊球后人的速度為v1.由于水平方向上動(dòng)量守恒，所以有

0=mv-Mv1

得

(3)設(shè)人將冰球接住后，人和球的共同速度為v′1.再由動(dòng)量守恒定律

-Mv1-mv=-(M+m)v′1

得

再設(shè)人第二次將冰球擊出后，人的速度為v2.又由動(dòng)量守恒

-(M+m)v′1=mv-Mv2

得

(4)設(shè)人第二次將接住球后，人和球的共同速度為v′2.仍由于動(dòng)量守恒

-Mv2-mv=-(M+m)v′2

得

再設(shè)人第三次將冰球擊出后，人的速度為v3.再由動(dòng)量守恒

-(M+m)v′2=mv-Mv3

得

綜上所述：

第一次將球擊出后，人的速度為

第二次將球擊出后，人的速度為

第三次將球擊出后，人的速度為

于是，第n次將球擊出后，人的速度應(yīng)為

若人不能再接球，則必有vn≥v，即

所以

即人在擊打冰球50次后將不再接到冰球.

2.2 一道非典型SOLO試題的評測案例

【例2】研究“蹦極”運(yùn)動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)員身上裝好傳感器，用于測量運(yùn)動(dòng)員在不同時(shí)刻下落的高度及速度.如圖2所示，運(yùn)動(dòng)員及所攜帶裝備的總質(zhì)量為60 kg，彈性繩原長為10 m.運(yùn)動(dòng)員從蹦極臺自由下落，根據(jù)傳感器測到的數(shù)據(jù)，得到如圖3所示的速度-位移圖像[7].

圖2 蹦極運(yùn)動(dòng)

圖3 速度-位移圖像

(1)運(yùn)動(dòng)員下落過程中在什么位置動(dòng)能最大？

(2)試從運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系討論運(yùn)動(dòng)員在該位置的受力特點(diǎn).

(3)運(yùn)動(dòng)員下落過程中動(dòng)能最大時(shí)和落到最低點(diǎn)時(shí)，繩的彈性勢能分別為多大?

(4)請陳述運(yùn)用相關(guān)定律解決問題的條件.

該題的解答過程如下：

(1)由圖3可知：運(yùn)動(dòng)員下落到15 m的位置時(shí)速度最大為15 m·s-1，因而動(dòng)能也最大.

(2)速度最大處運(yùn)動(dòng)員的加速度為零，由牛頓第二定律可知，此時(shí)運(yùn)動(dòng)員所受合外力亦為零，即運(yùn)動(dòng)員所受重力與彈力大小相等而方向相反.

(3)根據(jù)機(jī)械能守恒定律，運(yùn)動(dòng)員在起跳點(diǎn)所具有的重力勢能在下降的過程中轉(zhuǎn)化為其他形式的機(jī)械能.分兩種情況來討論.

1)求解到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)所具有的彈性勢能.當(dāng)運(yùn)動(dòng)員從起跳點(diǎn)下降到動(dòng)能最大處即平衡位置時(shí)，他在起跳點(diǎn)時(shí)的重力勢能(相對于平衡位置)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性勢能

E起跳點(diǎn)=mgh1=
60 kg×10 m·s-2×15 m=9 000 J

E平衡點(diǎn)=E動(dòng)+E彈E起跳點(diǎn)=E平衡點(diǎn)

E彈=E平衡點(diǎn)-E動(dòng)=9 000 J-6 750 J=2 250 J

2)當(dāng)運(yùn)動(dòng)員從起跳點(diǎn)下降到最低點(diǎn)時(shí)，他在起跳點(diǎn)時(shí)的重力勢能(相對于最低點(diǎn))全部轉(zhuǎn)化為彈性勢能.所以最低點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)所具有的彈性勢能就等于運(yùn)動(dòng)員在起跳點(diǎn)所具有的全部勢能.

E彈=E起跳點(diǎn)=mgh2=

60 kg×10 m·s-2×25.6 m=15 360 J

(4)第(3)小題用機(jī)械能守恒定律來求解的前提，是忽略空氣阻力的影響.而空氣阻力能否忽略呢？我們可以通過觀察圖3中的數(shù)據(jù)曲線，并進(jìn)行相關(guān)推理就能找到問題的答案.我們可以設(shè)想：如果在彈性細(xì)繩的原長范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)員的下落過程完全滿足或者十分接近自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則空氣阻力的影響就是可以忽略不計(jì)的.這只要我們檢驗(yàn)一下：運(yùn)用自由落體的公式，計(jì)算下降高度分別為5 m和10 m時(shí)，運(yùn)動(dòng)員所對應(yīng)的速度是否與曲線圖上的數(shù)據(jù)相吻合就可以了.

v5=10 m/s

v10=14 m/s

從圖3中不難看出，在高度分別為5米和10米處，運(yùn)動(dòng)員的下降速度正好是10 m/s和14 m/s.所以，空氣阻力可以忽略不計(jì).

以上介紹的兩例評測案例當(dāng)中的例1是一道典型的SOLO試題，它的4個(gè)小問嚴(yán)格地對應(yīng)了SOLO的層次結(jié)構(gòu)，因此在學(xué)生的成績評定，我們可以給出明確的等級成績或者百分制成績.而例2則是一道非典型的SOLO試題.它具有SOLO試題的4個(gè)小題，內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)，且具有遞增性，但不明顯，并且第四小題具有一定的開放性.該題來源于高中會(huì)考，在類似的目標(biāo)參照類考試中，開放性引起的評分誤差并不是首要考慮的問題，試題能夠在多大程度上引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，提升學(xué)生的探究意識和探究能力才是重點(diǎn).

關(guān)于兩道SOLO試題考查的物理核心素養(yǎng)的具體內(nèi)容，可以參照表3.

表3 兩道SOLO試題案例特征及其評測內(nèi)容分析表

3 結(jié)束語

引入SOLO試題來評測學(xué)生的物理核心素養(yǎng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，特別是它考查拓展抽象結(jié)構(gòu)的第四個(gè)小題本身所具有的特殊要求，能夠有效地激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，或者引導(dǎo)教師實(shí)施探究式教學(xué).比如例1的第四問，它要求學(xué)生總結(jié)每次冰球被擊打后人的速度，并從這些速度表示式中發(fā)現(xiàn)其一般規(guī)律.經(jīng)常解答這類問題的學(xué)生，會(huì)自覺形成深度學(xué)習(xí)的習(xí)慣，并逐步掌握從特殊到一般，從具體到抽象的科學(xué)思維方法.例2的第四問，則是要求學(xué)生收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行科學(xué)論證.經(jīng)常在課堂上討論這樣的問題，那么教師的教學(xué)方式必然帶有濃厚的探究式教學(xué)特征，這對于形成學(xué)生的科學(xué)思維無疑會(huì)產(chǎn)生重要的影響.所以，引入SOLO試題來評測學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，不僅能夠評測到核心素養(yǎng)，還能夠讓師生的課堂討論為學(xué)生核心素養(yǎng)的提升產(chǎn)生直接和積極的影響，能夠更好地發(fā)揮評測的教學(xué)引領(lǐng)作用.