SOLO理論視域下的中美教材習題對比研究

張靜 朱巧萍

摘 ? 要：教材習題是教師教學和學生學習相應物理知識之后進行的練習，基于SOLO分類理論對比中美教材關于機械能守恒定律一章習題，總結歸納出中美教材習題的優點與不足。

關鍵詞：SOLO分類理論;習題對比;機械能守恒定律

新一輪的《普通高中物理課程標準》中強調教學要著重發展學生的物理核心素養，高中物理學習評價是以學生發展為本、基于物理學科核心素養的評價，其目的主要在于促進學生學習和改進教師教學[ 1 ]。教學評價的方式多種多樣，常用手段為習題檢測，其檢測的目的不在于總結分數的高低，而注重評價學生的科學思維發展。

1 ?SOLO分類理論

SOLO分類理論是一種分析思維結構的分類評價理論。SOLO是英文Structure of the Observed Learning Outcome的簡稱，意為“可觀察到的學習結果”，澳大利亞學者Biggs在《學生學習過程中的個體差異以及學習的質量》一文中首先提出SOLO分類理論[ 2 ]，SOLO理論將學生的思維水平主要分為以下五個層次，前結構水平、單點結構水平、多點結構水平、關聯結構水平和抽象拓展結構水平，各個水平特點如下：

①前結構水平：學生對問題完全不了解，物理概念、規律不清楚。

②單點結構水平：學生了解問題中的某一個條件，運用一方面知識就可以解決相應的問題，對相關知識的理解較為模糊。

③多點結構水平：學生能夠理解問題，掌握解決問題所需的知識（2個或者2個以上），就可以解決問題，但不能整合新舊知識，建立聯系。

④關聯結構水平：學生知道解決問題所需的條件，邏輯思維清晰，能夠組織各方面知識解決問題。

⑤抽象擴展結構水平：學生具有問題探究意識，在解決問題的基礎上提出新的問題，能夠進行知識遷移。

本文以SOLO理論為指導，選取機械能守恒定律一章習題，進行對比研究，使教材習題更加科學化、質量化、層次化、創新化。

2 ?教材習題對比

習題選自中國教材人教版高中物理必修2第八章機械能守恒定律，美國教材習題選自《原理與問題》中冊第11章能量與能量守恒。本文分別從習題的結構、類型、內容三個方面進行對比研究。由于習題是在學生學習相應物理知識之后所進行的練習，所以學生思維結構中的前結構水平已經建構。

2.1 ?習題結構

SOLO分類理論的四個等級是一個思維由低級向高級過渡的過程，課堂教學與習題設置也應遵循學生的認知規律，促進學生的思維建構。經過總結分析，中美教材習題結構如圖1所示。

（1）習題結構相同點

中國教材的習題結構在課堂教學部分與美國教材大致相同。美國教材系統呈現方式更加多樣化，在課堂教學中不僅設置例題和本節復習題、隨堂實踐“練一練”環節，還有發散學生思維的“挑戰性問題”。處于中學時期的學生具有較強的好奇心和求知欲，“挑戰性問題”通過創設情境建立外部刺激，引起學生刺激--反應聯結，從而調動學生的內部學習動機。因此，在課堂教學中加入這一環節，具有一定的可行性。

（2）習題結構不同點

兩版教材習題章末部分差別較大，章末習題位于SOLO理論中各個結構水平的題目數量如表1所示。

表1 ?章末習題SOLO結構層次分布表

美國教材在章末設置的“測評”模塊層次分明，分為繪制概念圖、理解概念、應用概念、問題解決、復習提高、理性思維、科技寫作、日積月累8個環節，其中“繪制概念圖、理解概念、應用概念、問題解決”環節的習題共有83道，為單點結構水平，“復習提高、理性思維、日積月累”的習題共有17道，為多點結構水平，“科技寫作”的習題2道為關聯結構水平，沒有抽象拓展結構水平習題?？偨Y分析其得出單點結構水平題目較多，約占總數量的81%，多點結構水平到抽象拓展結構水平之間的習題較少僅為19%，不利于學生提升思維結構水平。而中國教材章末習題多點結構水平至抽象拓展結構水平占84%，單點結構水平習題約為15%，簡單題目較少。

由此可見，美國教材習題設置具有一定的豐富性和基礎性，且各個習題所考察的內容具體標明，學生能夠選取相應的習題進行針對性練習，以便查缺補漏。中國教材習題設置便于促進學生思維發展，但是基礎題目較少，且缺乏習題分類，對于物理學習困難的學生難以運用教材習題進行基礎性練習。

2.2 ?習題類型

中美教材“機械能守恒定律”一章習題類型分布情況如表2所示，對習題進行統計時，采用每道題目的每一小問為一題。

表2 ?習題類型

為了更直觀的顯示習題類型分布，將上述表格轉換為柱狀圖，如圖2所示。

中國教材與美國教材在習題類型設置方面大致相同。兩國教材中計算題所占比重最大，分別為63%和59，計算題究其根本為綜合題，考察學生對功、能量、機械能守恒定律等陳述性知識的掌握程度，對題干中有效條件提取的能力，對長時記憶中的信息進行加工和編碼的能力，聯系生活與社會的物理模型建構能力，綜合運用數學工具、機械運動守恒方法解決問題的能力。因此，SOLO理論中的多點結構及關聯結構在計算題中呈現較多，這也與核心素養所提出的培養學生的科學思維能力相適應，教學應致力于使學生理解物理知識、促進其思維發展。中美教材問答題占比為23%和20%，證明題占比為10%和4%，問答題及證明題多為單點結構水平和多點結構水平，通過問題引導、結果論證，使學生理解動能、勢能等相關概念，形成物理觀念。作圖題、選擇題、判斷題在本章應用較少，運用以上幾種題型難以促進學生從能量守恒的角度逐層分析。

2.3 ?例題分析

為了詳細分析習題內容，選取中美教材“機械能守恒定律”這一節的例題進行對比。例題位于課堂教學之中，應用例題學生可以鞏固、應用教師剛才所講的知識點，教師通過例題確定學生所處思維結構水平，因此例題應難度適中，處于單點結構到關聯結構之間。

（1）中國教材

【例題1】把一個小球用細線懸掛起來，就成為一個擺（如圖3），擺長為l，最大偏角為θ。如果阻力可以忽略，小球運動到最低點時的速度大小是多少？

分析 在阻力可以忽略的情況下，小球擺動過程中受重力和細線的拉力。細線的拉力與小球的運動方向垂直，不做功，所以這個過程中只有重力做功，機械能守恒。

小球在最高點只有重力勢能，動能為0，計算小球在最高點和最低點重力勢能的差值，根據機械能守恒定律就能得出它在最低點的動能，從而算出它在最低點的速度。

解：以小球為研究對象。設最低點的重力勢能為0，以小球在最高點的狀態作為初狀態，以小球在最低點的狀態作為末狀態。

在最高點的動能Ek1=0，重力勢能是 Ep1=mg（l-lcosθ）

在最低點的重力勢能Ep2=0，而動能可以表示為

Ek2=mv2

運動過程中只有重力做功，所以機械能守恒，即

Ek2+Ep2=Ek1+Ep1

把初末狀態下動能、重力勢能的表達式代入，得

mv2=mg（l-lcosθ）

由此解出小球運動到最低點時的速度大小

v=。具體分析如表3。

（2）美國教材

【例題2】 在暴風雨期間，一根質量為22 kg，高出地面13.3 m的大樹枝下落到離地6.0 m的屋頂上。

a. 忽略空氣阻力，求出落到屋頂上時樹枝的動能。

b. 落到屋頂時樹枝的速率是多少。

①分析概括問題

概述最初和最終的狀態，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.選定屋頂的高度作為參考面。

求解樹枝相對于屋頂的初始高度，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。

求解樹枝的初勢能，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，確定樹枝的初動能Eki=0.0 J ， 樹枝最初是靜止的。因為能量守恒，所以到達屋頂時樹枝的動能等于它的初勢能。

Ekf=Epi=1.6×103 J。

因為在參考面上，h=0.00 m，所以Epf=0.0 J

b.求解樹枝的速率。

將Ekf=1.6×103 J，m=22 kg代入。Ekf=mvf2

vf===12 m/s

③驗證答案

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。

通過以上對比分析，兩個版本教材的例題均為計算題。中國教材的例題難度適中，既推動學生熟悉物理知識，又便于定位學生的思維結構在SOLO理論中的各個層次，但是習題解析過程粗略，不能有效引導學生對于題中信息進行表征，題目與實際聯系較弱，不能很好的調動學生的情感態度與責任感。美國教材的例題較為簡單，適合考察學生對于當節知識的掌握程度，解題過程詳細，步步引導，便于學生吸收、消化，題材更加生活化，缺點是例題沒有層次感，不能有效評價學生的思維發展和認知過程。

中國教材每一節的課后習題和章節習題同樣注重深度，習題多為綜合類計算題，目的是培養學生縱向邏輯思維和橫向綜合知識的能力。如復習與提高A組的第6題，一個物體在彈簧的彈力作用下沿水平面滑上圓弧軌道運動的題，學生解決本題既要熟悉受力分析，知道物體由A點運動到B點的過程中機械能守恒，又要結合物體做圓周運動時的重力做功特點和動能定理求出阻力做功大小。

美國教材課后練一練和測評部分習題側重于基礎性，鞏固、熟悉能量守恒等知識，與生活聯系十分密切，如第11章測評板塊的第31題，提問手表發條不同狀態下所具有的能量，本題以手表發條的形式考察動能與勢能的轉化，直接將物理知識應用于解決問題。

3 ?習題改進建議

3.1 ?注重創設情境，加強與社會的聯系

陶行知先生提出生活教育理論，認為書本不能脫離生活實際。美國習題多以社會生活為基礎，如黑猩猩蕩樹藤計算其到達地面的速度，同樣應用機械能守恒定律的知識，但是學生對此題會產生強烈的探究欲望，理解物體的運動狀態，在頭腦中逐漸構建物理情境。中國習題應適當結合社會實際，從生活中選擇學生司空見慣的場景作為素材[ 3 ]，減少學生機械刷題的枯燥感，發散學生思維，促進知識遷移。

3.2 ?注重習題梯度，便于因材施教

根據SOLO分類理論，中國教材章末習題缺乏針對性和基礎性，大致可分為鞏固與提升兩個模塊。習題設置應面向全體學生，合理設計課后習題的認知水平梯度[ 4 ]，如美國教材測評板塊分為等級不同的8個模塊，使學生通過習題進行針對性練習，確定自己的思維水平，建立最近發展區，將下一個思維水平作為學習目標。

3.3 ?注重思路引導，發展學生思維

中國學生在考試過程中遇到不會的習題，多采用套公式的方法，不能按部就班的分析物體運動的過程，思維較為混亂。學生的物理認知過程有賴于教師的引導，教師在習題教學前應了解學生所處的思維結構水平，在習題教學中步步引導，促進其思維發展。習題解析應分為“分析問題—提取有效信息—建構物理模型—求解未知量—解決問題—驗證答案”幾個環節，這樣編排有助于發展學生的邏輯思維。因此，對上述中國教材例題解析的改進如下所示。

①分析概括問題

概述最初狀態和最終狀態、選擇參考面

已知：秋千擺長為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建構物理模型

在阻力可以忽略的情況下，秋千擺動過程中受重力和細線的拉力。秋千的拉力與秋千的運動方向垂直，不做功，所以這個過程中只有重力做功，機械能守恒。選取秋千最低點處為零勢能參考面，秋千在擺角最大處只有重力勢能，動能為，在最低點處動能最大，重力勢能為0。

③求解未知量

a.選取秋千最低點處為零勢能參考面

求解秋千相對于最低點的高度Δh=l-lcosθ

求解秋千最高點的重力勢能（設玲玲和秋千的總質量為m）

EP最高=mgh=mgl（1-cosθ）

b.求解秋千最低點處的動能

根據機械能守恒定律可得

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.求解最低點的速度

根據動能計算公式

Ek最低=mv2，得出v=

④驗證答案

零勢能參考面的選取是否正確？決定著重力勢能的正負。

4 ?結語

物理習題教學是培養學生物理觀念和科學思維必不可少的一部分，同時也是學生檢驗學習效果的重要通道，習題設置不僅僅是為了提高成績，更重要的是培養學生終身發展所必備的科學素養與學習技能，中國教材習題編排注重發展學生思維，并且覆蓋SOLO理論的各個層次，具有一定的合理性，但是題目結構、內容、解析過程方面略有不足，本文提出一些建議以供參考。

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）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] JOHN BIGGS. Individual differences in study processes and the Quality of Learning Outcomes[J]. Higher Education，1979，8（4）.

[3] 李旭偉，吳慶林.基于高考評價體系的物理習題情境“再情境化”的探討[J].物理通報，2021（5）：126-128.

[4] 葉德偉，肖龍海.高中物理教材課后習題與課程標準的一致性研究——以“人教版”新教材為例[J].物理教師，2020，41（12）：20-24.