基于SOLO分類理論的試題分析與教學策略

董友軍 彭歡 皮飛鵬

摘 要：以“2021年廣東高考物理實驗試題”為例，探索基于SOLO分類理論的試題分析與教學策略.科學探究水平與SOLO層次對應：水平1對應單點結構;水平2和水平3對應多點結構;水平4對應關聯結構;水平5對應抽象拓展結構.基于SOLO分類理論的教學策略：用“器材發散”突破單點結構試題;用“原理中心”突破多點結構試題;用“知識整合”突破關聯結構試題;用“方法遷移”突破抽象拓展結構試題.

關鍵詞：SOLO分類理論;科學探究水平;試題分析;教學策略;實驗試題

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）21-0019-04

基金項目：廣州市黃埔區教育科學規劃課題“基于學習進階的中學物理教學設計研究”（項目編號：2020096）.

作者簡介：董友軍（1976-），男，湖南衡陽人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學;

彭歡（1987-），女，湖南衡陽人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學;

皮飛鵬（1965-），男，湖南邵陽人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：物理教育.

物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.科學探究是指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[1].高考物理試卷中，通過實驗試題考查學生的科學探究素養.筆者依據SOLO分類理論分析2021年廣東高考物理實驗試題，明確高考實驗試題“考什么”和“如何考”，有助于高中物理教師把握實驗教學的方向，深入思考“教什么”和“如何教”，使得課堂實驗教學更有方向、更有效率.

1 SOLO分類理論

SOLO分類理論是指教育心理學家約翰·彼格斯（John B.Biggs）提出的學習質量評價理論[2].SOLO是英文“structure of the observed learning outcome”的縮寫，意為“可觀察的學習成果結構”.SOLO分類理論是在皮亞杰發展階段論基礎上建立起來，體現了現代心理學的研究成果，具有嚴格的理論形態.SOLO分類理論認為，學生回答某個問題時所表現出來的思維結構是可以檢測的，而檢測焦點不是回答問題的“量”而是回答問題的“質”.SOLO分類理論根據學生回答問題的結果，把學生思維結構分為由淺到深五個層次：前結構層次、單點結構層次、多點結構層次、關聯結構層次、抽象拓展結構層次（如圖1）.

前結構層次是指學生用一些與問題不相關的素材進行回答;單點結構層次是指學生用一項與問題相關的素材進行回答;多點結構層次是指學生用多項與問題相關的素材進行回答，但多項素材彼此獨立，不能融會貫通;關聯結構層次是指學生將多項與問題相關的素材聯系起來，形成一個整體，能夠處理復雜問題;抽象拓展結構層次是指學生將多項與問題相關素材綜合分析，歸納抽象出新的假設，能對相關知識進行應用與遷移，促使問題的意義得到拓展，具有普遍意義.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分類理論能夠評價學生的思維結構層次，而高考物理試題需要保證適宜的區分度，因此它們之間存在著對應關系.我們可以用SOLO分類理論對高考試題進行研究，既可以明確高考試題的評價方向，也可以提高課堂的教學效率.

2 科學探究水平與SOLO層次

學業質量是學生在完成本學科課程學習后的學業成就表現.高中物理學業質量根據問題情境的復雜程度、知識和技能的結構化程度、思維方式或價值觀念的綜合程度等劃分為不同水平.每一級水平皆包含物理學科核心素養的四個方面，主要表現為學生在不同復雜程度情境中運用重要概念、思維、方法和觀念等解決問題的關鍵特征.高中物理學業質量分為五級水平，既是教師命題和評價的重要依據，也是高中學業水平考試命題的重要依據，其中學業質量水平2是用于“學考”的命題依據、學業質量水平4是用于“高考”的命題依據.新課程標準對科學探究進行了五個水平的劃分，表1給出了科學探究水平與SOLO層次之間的對應關系.

3 基于SOLO分類理論的實驗分析

高考實驗題設問，按照單點結構、多點結構、關聯結構、抽象拓展結構，循序漸進，呈現出從易到難趨勢.首問比較易，一般是單點結構或多點結構;末問比較難，一般是關聯結構或抽象拓展結構;且設問主要集中在多點結構，抽象拓展結構比較少，具體情況見表2.因此，高考實驗題難度中等偏易，有助于減輕學生學習負擔.同時引導教師帶領學生完成所有課標必做實驗，讓學生經歷實驗的完整過程，培養學生的實驗操作能力和創新能力.

例題1 （2021年廣東高考 11題）某興趣小組測量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數.緩沖裝置如圖2所示，固定在斜面上的透明有機玻璃管與水平面夾角為30°，彈簧固定在有機玻璃管底端.實驗過程如下：先沿管軸線方向固定1mm刻度尺，再將單個質量為200g的鋼球（直徑略小于玻璃管內徑）逐個從管口滑進，待彈簧靜止，記錄管內鋼球的個數n和彈簧上端對應的刻度尺示數Ln，數據見表3.實驗過程中彈簧始終處于彈性限度內.采用逐差法計算彈簧壓縮量，進而計算其勁度系數.

（1）利用ΔLi=Li+3-Li（i=1，2，3）計算彈簧的壓縮量：ΔL1=6.03cm，ΔL2=6.08cm，ΔL3=cm，壓縮量的平均值ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL33=cm;

（2）上述ΔL是管中增加個鋼球時產生的彈簧平均壓縮量;

（3）忽略摩擦，重力加速度g取9.80m/s2，該彈簧的勁度系數為N/m（結果保留3位有效數字）.

設問（1）是求ΔL3，把已知L6=18.09cm、L3=12.05cm代入公式ΔLi=Li+3-Li（i=1，2，3）即可求得ΔL3=6.04cm，本設問只是“對數據進行初步整理”，屬于單點結構層次.

設問（2）是求ΔL，把已知L1=8.04cm、L2=10.03cm、L3=12.05cm、L4=14.07cm、L5=16.11cm、L6=18.09cm代入公式ΔLi=Li+3-Li（i=1，2，3）、ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL33中，可以求得ΔL=6.05cm，本設問也是“對數據進行初步整理”，也屬于單點結構層次.

求ΔL表示增加幾個鋼球，根據公式ΔLi=Li+3-Li（i=1，2，3）、ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL33，可以判斷出ΔL表示增加3個鋼球，本設問需要“對數據進行整理，得到初步的結論”，屬于多點結構層次.

設問（3）是求彈簧的勁度系數，先對3個鋼球做受力分析：重力G=3mg、支持力F1、彈力F2=kΔL;再把重力G=3mg分解為平行斜面分力G1=3mgsin30°和垂直斜面分力G2=3mgcos30°;由于彈簧靜止，則3個鋼球靜止，即有G1=F2，解得勁度系數k約為48.595N/m;由于題目要求結果保留3位有效數字，即彈簧的勁度系數為48.6N/m.本設問既需要對3個小鋼球進行受力分析、記住重力和彈力公式、對重力進行正交分解、應用二力平衡規律，還需要對3個鋼球質量和彈簧壓縮量進行單位換算、記住三角函數規律、保留3位有效數字，才可以得到彈簧勁度系數的正確結論，即表示“能用多種方法分析數據，發現規律，形成合理的結論，用已有的物理知識進行科學解釋”，屬于抽象拓展結構層次.

例題2 （廣東高考 12題）某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律.根據實驗需要已選用了規格和量程合適的器材.

（1）先用多用電表預判熱敏電阻阻值隨溫度的變化趨勢.選擇適當倍率的歐姆檔，將兩表筆，調節歐姆調零旋鈕，使指針指向右邊“0Ω”處.測量時觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉角度越大，由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而.

（2）再按圖連接好電路進行測量.

①閉合開關S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到端 （選填“a”或“b”）.

將溫控室的溫度設置為T，電阻箱R0調為某一阻值R01.閉合開關S，調節滑動變阻器R1，使電壓表和電流表的指針偏轉到某一位置，記錄此時電壓表和電流表的示數、T和R01.斷開開關S.

再將電壓表與熱敏電阻C端間的導線改接到D端，閉合開關S.反復調節R0和R1，使電壓表和電流表的示數與上述記錄的示數相同，記錄此時電阻箱的阻值R02，斷開開關S.

②實驗中記錄的阻值R01R02（選填“大于”“小于”或“等于”），此時熱敏電阻阻值RT=.

（3）改變溫控室的溫度，測量不同溫度時的熱敏電阻阻值，可以得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律.

設問（1）是文字填空“將兩表筆”，本設問的前面“選擇適當的歐姆檔”與后面“調節歐姆調零旋鈕”之間的邏輯性本不強，需要學生親自做過這個實驗，并記住了該關鍵的實驗步驟，才能夠填出正確結果為“短接”，即“能根據已有的科學探究方案，使用基本的器材獲得數據”，屬于多點結構層次.

設問（2）也是文字填空“由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而”，要正確回答本設問，需要知道多用電表的指針開始停在表盤最左邊，表示電阻為無窮大，當指針向右邊偏轉時，表示電阻減小.由于“觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉角度越大”，即 “由此可以判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而減小”.要能正確回答本設問，同樣需要學生親自做過這個實驗，并記住了多用電表刻度盤數據與指針偏轉規律，才可以填出正確結果為“減小”，即“能根據已有的科學探究方案，使用基本的器材獲得數據”，屬于多點結構層次.

設問（2）的①二選一的選擇填空“閉合開關S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到端（選填“a”或“b”）”，要正確選擇b，就需要看懂滑動變阻器的連接結構，才能保證在閉合開關S前，讓滑動變阻器接入電路的電阻值最大，即“能根據已有的科學探究方案，使用基本的器材獲得數據”，屬于多點結構層次.

設問（2）的②是三選一的選擇填空、設問（3）是求出熱敏電阻阻值RT的表達式，要正確選擇設問（2）的②，就要先求得設問（3）.這就需要知道電壓表、電流表、電阻箱的測量原理，還要記住部分電路歐姆定律及電阻串聯并聯規律，并理解電路結構，才能夠得出：u=I（RA+R01），u=I（RA+R02+RT），從而求得設問（3）是RT=R01-R02，進而得出設問（2）的②正確選擇是大于.即“能分析數據，發現其中規律，形成合理的結論，用已有的物理知識進行解釋”，屬于關聯結構層次.

4 基于SOLO分類理論的教學策略

教學策略是指在教學過程中，為了完成教學目標，依據教學的主客觀條件，特別是學生的實際情況，對所用的教學順序、活動程序、組織形式、教學方法和教學媒體等的總體考慮.通俗地說，教學策略就是教學各個環節遵循的思想和方法.根據實驗題分析，筆者對實驗教學提出以下四點教學策略.

4.1 策略1——用“器材發散”突破單點結構試題

器材是物理實驗的基礎，沒有器材就沒有實驗.做實驗離不開器材的選取與使用，測量同一個物理量，可以采用發散思維，選用不同的器材.例如，測量長度，可以用傳統器材——米尺、卷尺等測量，也可以用現代器材——螺旋測微器、游標卡尺、位移傳感器、聲納、雷達等測量.通過運用不同的測量工具，既可以熟悉各種器材的操作規范，也可以拓寬學生視野，從而突破單點結構試題.

4.2 策略2——用“原理中心”突破多點結構試題

原理是指實驗所用到的規律或公式，原理是實驗的出發點.在實驗教學時，對于一個物理量要創設多種不同的公式去解決.如求加速度，可以直接用公式a=v2-v1t12測量，也可以間接用原理v22-v21=2ax、x=v0t+12at2、x2-x1=at2、a=v2r、F=ma等測量.原理也是解決問題的歸宿點，一旦確定了實驗原理，即解決實驗問題都要從原理去思考.高考實驗題設計，都是以原理為中心，依據原理選取器材、組合裝置、確定步驟、處理數據、分析誤差等.如用Δx=x2-x1=at2測量加速度，就可以圍繞該公式去分析問題和解決問題.學生抓住了實驗原理，就抓住了實驗本質，無論怎么考查，只要從原理上去思考，就找到了解題方向，突破了多點結構試題.

4.3 策略3——用“知識整合”突破關聯結構試題

知識整合也叫知識系統化，即把有關聯的知識組合成網狀結構.其作用是既有利于已有知識的理解深化，也有利于頭腦中的新舊知識發生相互作用.系統化后的知識也是理解新知識的有力工具，還有利于擴大認識潛力，用深入聯系的眼光看待事物.知識之間總是相互聯系，通過知識整合，讓知識之間的聯系清晰化，有助于學生靈活應用物理知識，突破關聯結構試題.如測量燈泡的伏安特性曲線，可以整合相關的電壓、電流、電阻、電熱、電功率知識，見表4.

4.4 策略4——用“方法遷移”突破抽象拓展結構試題

實驗教學要以科學方法中心論為指導，構建知識邏輯結構，如圖4所示.由圖可知，從科學現象出發，必須經過科學方法的加工整理才能獲得科學知識，科學方法是科學現象通達科學知識的必經之路，學生只有掌握了科學方法，才能快捷地獲取科學知識.科學方法可以分為思維方法和學科方法.學科方法包括獲得知識的方法和應用知識的方法，屬于強認知方法，體現學科特點，可遷移性弱;思維方法包括邏輯思維方法和非邏輯思維方法，屬于弱認知方法，貫穿各門學科，可遷移性強.高考實驗題，源于教材也高于教材，都能從教材的實驗，得到解題啟發，找到解題方法，所以教師在教學中，要認真完成教材的所有實驗，包括學生實驗和演示實驗，既要向學生講清實驗本身的原理，也要向學生介紹實驗器材的原理;既要要求學生動手操作實驗過程，也要要求學生掌握數據處理方法.如用逐差法求彈簧壓縮量，用正交分解法、二力平衡法求彈簧彈力.通過方法的總結歸納，讓學生掌握方法的一般性規律，實現方法遷移，突破抽象拓展結構試題.

5 結束語

SOLO分類理論的層次與科學探究的水平對應，用SOLO分類理論分析高考實驗試題，不但可以把握高考命題的特點與趨勢，還可以指導高考實驗教學的難度與方向，從而達到理順教考關系，實現“以考促教、以考促學”的目的[3]，并促進立德樹人根本任務的落實，發展學生物理學科核心素養.

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]John B.Biggs等著，高凌飚等譯.學習質量評價：SOLO分類理論（可觀察的學習成果結構）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]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.

[4]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.

[5]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.

[3]教育部考試中心.中國高考評價體系[M].北京：人民教育出版社，2019.

（收稿日期：2021-06-30）