基于SOLO理論的高考物理實驗試題分析與啟示

摘 要：科學探究是物理學科核心素養之一，如何通過實驗課培養學生的科學探究能力是教學的重難點.高考對于教學具有導向性作用，對于高考試題的分析有助于一線教師把握教學方向.利用SOLO分類理論對2020年天津卷的實驗試題進行思維層次的劃分與分析，明確高考中對實驗試題的考查趨勢，從中得到教學啟示.

關鍵詞：SOLO理論;高考;物理實驗;實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）03-0029-03

作者簡介：李靜（1985-），女，天津人，博士，中學一級教師，研究方向：物理教學研究.

1 前言

教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》中指出，高中物理課程應在義務教育的基礎上，進一步促進學生物理學科核心素養的養成和發展.科學探究是物理學科四大核心素養之一，課標中明確指出科學探究是基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.

物理是一門基于觀察和實驗的學科，實驗有助于學生深入理解所學知識，形成物理觀念，同時實驗過程本身也蘊含了分析綜合、推理論證和質疑創新等科學思維，體現了嚴謹認真、實事求是的科學態度.因此，實驗是培養學生綜合能力的重要途徑，如何通過實驗課培養學生的科學探究素養是教學的重難點之一.

高考作為目前人才選拔的重要途徑，對于教師教學具有導向作用.實驗探究能力是新高考考查的五大能力之一，要求學生能獨立地完成所要求的實驗，能明確實驗目的，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現象，會記錄、處理實驗數據，并得出結論，能對結論進行分析和評價;能發現問題、提出問題，并制訂解決方案;能運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，包括簡單的設計性實驗.隨著新課標的頒布和新教材的使用，學生必做實驗的內容也進行了變化和調整，明確新課程改革背景下高考實驗題“考什么”和“如何考”有助于一線教師更真切地把握實驗教學的方向，深入思考“教什么”和“如何教”，進而使得課堂教學更有方向更高效.

2 SOLO分類理論

SOLO分類理論是教育心理學家比格斯及其同事在皮亞杰認知發展理論的基礎上提出的以等級描述為主要特征的質性評價方法.SOLO分類理論基于學生對問題的回答，以學生學習質量為研究起點，將學生“可觀察的學習成果” 分為由淺入深的五個層次： 前結構、單點結構、多點結構、關聯結構和拓展抽象結構.比格斯借助圖像形象地呈現了上述五種層次的遞進關系，并對不同層次學生的水平特征進行了闡述.

處于前結構層次的學生，不能形成對問題的理解，對問題的回答邏輯混亂或同義反復;處于單點結構層次的學生知識和思路單一，僅根據一個信息或線索得出結論;處于多點結構層次的學生能處理多個信息，提供解決問題的多種思路，但各個思路之間彼此獨立，不能融會貫通;處于關聯結構層次的學生能將各種可用的信息聯系起來，形成一個整體，能夠處理綜合性的復雜問題;處于拓展抽象結構層次的學生能夠綜合利用多個信息并在此基礎上對問題進行歸納，且得出的結論可能不唯一，并能對相關知識進行應用和遷移，使問題本身的意義得到拓展.前三個層次主要體現“量”的積累，而后兩個層次追求“質”的提升.SOLO分類理論能夠考查學生的能力層次，而高考作為選拔性考試，其試題也要體現合理的層次結構，這兩個層次存在著對應關系.因此利用SOLO分類理論對高考試題進行研究，可以明確高考對學生思維能力評價的方向，為教師教學提供依據和啟示.

新課程標準中對科學探究這一核心素養進行了五個水平的劃分，表1給出了這五個水平與SOLO理論之間的對應關系.

3 試題分析

例題1 （2020年天津卷 9題）某實驗小組利用圖2所示裝置測定平拋運動的初速度.把白紙和復寫紙疊放一起固定在豎直木板上，在桌面上固定一個斜面，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，通過碰撞復寫紙，在白紙上記錄鋼球的落點.

（1）為了正確完成實驗，以下做法必要的是.

A.實驗時應保持桌面水平

B.每次應使鋼球從靜止開始釋放

C.使斜面的底邊ab與桌邊重合

D.選擇對鋼球摩擦力盡可能小的斜面

（2）實驗小組每次將木板向遠離桌子的方向移動0.2m，在白紙上記錄了鋼球的4個落點，相鄰兩點之間的距離依次為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）小問主要考查學生對于實驗原理和步驟是否清楚，是否會使用儀器，所考查的選項均為分組實驗過程中強調的注意事項.本小題從不同角度進行考查，要求學生能將各個注意事項綜合起來，對實驗有整體把握，因此屬于多點結構層次.

第（2）小問考查了平拋運動實驗的數據處理方法，但本題的實驗過程與學生在實際操作過程中所采用的方法不同.教材和學生實驗中采用調整接球槽的豎直高度的方式記錄數據點，而本實驗則是采用調整木板與桌面間距離的方式.且學生在實驗過程中通過球心的投影位置確定平拋運動的起點，常規的數據處理方法是利用水平和豎直位移計算初速度.而本題則需要學生在常規實驗理解的基礎上，依賴于對材料的創造性解讀，對實驗和數據處理方法進行創造性遷移與運動，因此本題屬于拓展抽象結構層次.

第（3）小問考查鉛垂線的作用，試題本身難度并不高，但由于需要學生進行文字描述，這就對學生的文字理解和表達能力提出了一定的要求，因此本題屬于多點結構層次.

例題2 （2020年天津卷 10題）某實驗小組選用以下器材測定電池組的電動勢和內阻，要求測量結果盡量準確.

電壓表（量程0-3V，內阻約為3kΩ）

電流表（量程0-0.6A，內阻約為1Ω）

滑動變阻器（0-20Ω，額定電流1A）

待測電池組（電動勢約為3V，內阻約為1Ω）

開關、導線若干

（1）該小組連接的實物電路如圖4所示，經仔細檢查，發現電路中有一條導線連接不當，這條導線對應的編號是.

（2）改正這條導線的連接后開始實驗，閉合開關前，滑動變阻器的滑片P應置于滑動變阻器的端（填“a”或者“b”）.

（3）實驗中發現調節滑動變阻器時，電流表讀數變化明顯但電壓表讀數變化不明顯.為了解決這個問題，在電池組負極和開關之間串聯一個阻值為5Ω的電阻，之后該小組得到了幾組電壓表讀數U和對應的電流表讀數I，并作出U-I圖像，如圖4所示.根據圖像可知，電池組的電動勢為V，內阻為Ω（結果均保留兩位有效數字）.

本題第（1）小問考查測定電源電動勢和內阻實驗中電流表“內接法”和“外接法”的合理運用.本小題的正確作答需要學生能識別實物圖，結合題中所給數據對兩種不同接法所對應的實驗誤差進行比較分析，屬于關聯結構層次.

第（2）小問從操作層面考查了限流式接法中滑動變阻器的使用方法，考查內容單一，屬于單點結構層次.

第（3）小問考查實驗的數據處理，本題中給出了問題以及解決問題的方案，要求學生能夠根據實驗電路和原理，并結合電源的U-I圖像分析出斜率所對應的內阻是電源內阻和5Ω電阻串聯之和，進而求出電源內阻，并按要求保留有效位數.學生正確作答需要處理綜合性的問題，因此本題屬于關聯結構層次.

通過上述分析可以看出，力學實驗要求的思維水平較高，而電學實驗的要求相對較低，總體仍然以多點結構和關聯結構層次的考查為主.

4 教學啟示

結合SOLO分類理論對高考試題的分析發現，實驗題所考查的水平層次全面，對學生科學探究和科學思維能力要求較高.基于此，筆者對實驗教學的課堂實施提出以下幾點思路.

4.1 單點和多點結構層次試題：回歸教材，經歷科學探究過程

教材是高考命題的重要參考依據，也是教師教學的重要載體.如2020年所考查的平拋運動實驗，教材在參考案例中給出了高考題所涉及的數據處理方法，教材中提示：“根據步驟1 得出的平拋運動在豎直方向分速度隨時間變化的規律，設法確定“相等的時間間隔”.再看相等的時間內水平分運動的位移，進而確定水平分運動的規律.”這也體現了高考依據教材出題的思路，因此教師在設計實驗課時，一定研讀教材，深入學習.

單點和多點結構層次的習題通常從實驗操作和注意事項的角度，以選擇題的形式呈現，學生的正確解答需建立在對實驗原理的理解基礎上.讓學生動手實驗，經歷科學探究的一般過程，是促進深度理解的有效手段，也有助于學生綜合能力的提升.

4.2 關聯結構層次試題：由點到面，開展單元整合教學

學生科學思維素養的形成并不能靠知識的簡單疊加，而是各種學習要素匯聚而成的有機整體.因而，從多點結構層次向關聯結構層次過渡，靠傳統的單一實驗講解是很難達到的，反而會導致學生對所學知識缺乏全局性認知，無法建立知識之間的系統聯系.基于單元整合開展實驗教學，是擺脫逐一落實知識點，轉向從整體觀念把握所學內容的有效途徑.

如“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”的實驗裝置，還可以用于研究哪些實驗？在這些實驗中，都需要用到天平嗎？都需要進行“平衡摩擦力”的操作嗎？都要求滿足“所掛鉤碼質量遠小于小車質量”的條件嗎？這樣的教學可以引導學生跳出單一視角，從實驗目標和原理出發，通過對比分析找出各實驗之間的關聯與差異，加深對實驗步驟和實驗條件的深層次理解，從而使得學生的思維層次從多點結構向關聯結構發展.

4.3 拓展抽象結構層次試題：提煉方法，培養科學探究素養

在實驗教學中，可以通過以某一“思想方法”作為單元主題開展教學，教師通過創設“拓展遷移情境”，引導學生有所發現、有所聯想.如在“測量做直線運動物體的瞬時速度”“探究彈簧彈力與形變量的關系”“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”“驗證機械能守恒定律”“用單擺測量重力加速度的大小”以及“測量電源的電動勢和內阻”等諸多實驗中都采用了一次函數圖像法進行數據處理.物理圖像是對事實進行解釋的重要形式，利用一次函數方法的關鍵是將情境轉化為相應的物理過程，利用物理規律寫出橫縱坐標所表示的物理量之間的函數關系，進而結合圖像的斜率、面積等參數進行數據處理.

4.4 在作業設置上

可以基于SOLO分類理論設計實驗練習題，用于學生學習水平的診斷，有助于教師把握教學效果.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]魏欣，高杰.基于SOLO 理論的學生實驗探究能力水平的分析與研究——以2017年高考天津卷物理實驗題為例[J].考試研究，2018（01）：12-21.

[3]鄒佳晨，李興華，孫永茂.基于SOLO分類理論的高考物理試題分析[J].物理通報，2016（12）：116-118+120.

（收稿日期：2020-12-01）