基于SOLO 分類理論的實驗試題分析與教學啟示

SOLO 分類理論（Structureofthe ObservedLearningOutcome）又稱可觀察的學習成果結構，是一種質性評價研究方法．在認知發展階段論的基礎上，SOLO 分類理論從學習結果在結構上的復雜程度出發來評價學業質量．基于學生回答某一問題展現出來的不同思維水平，SOLO 分類理論將學生“可觀察的學習成果”分為五級水平：前結構（Prestuctural）、單點結構（Unistructural）、多點結構（Multistructural）、關聯結構（Relational）和拓展抽象結構（Extendedabstract）．五個層級遵循從簡單到復雜的認知發展遞進關系（如圖１）．

能力處于前結構水平的學生，缺少解決問題的知識基礎，只能提供簡單重復的答案，答案甚至邏輯混亂或錯誤;處于單點結構水平的學生根據一個信息或線索就得出結論，解法單一或論據不足;處于多點結構水平的學生關注更多已知要素，但不能整合這些要素，論據缺乏關聯性．前三個層級主要體現“量”的積累．處于關聯結構水平的學生能關聯整合多個事實來處理復雜問題;處于拓展抽象結構水平的學生能夠站在理論的高度分析問題，抽象概括相關知識，拓展問題本意，完成跨學科遷移，體現出更強的創新意識．后兩個層級追求“質”的提升．

１ 科學探究水平與SOLO 層級對應關系

?普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修改）?（以下簡稱課程標準）明確指出：“物理實驗是實踐體驗性最強的物理學習方式，通過實驗設計與動手操作、觀察現象與記錄數據、分析歸納得出結論等環節，全方位地培養學生的科學探究能力．”課程標準將科學探究能力劃分為五級水平，并描述學生運用學科概念、思維和方法解決問題的具體表現，明確了可以測量和評價的學生表現．

SOLO 分類層級內在邏輯上與課程標準中科學探究能力劃分水平高度一致，科學探究能力與SOLO分類層級對應關系如表１所示．

２ 基于SOLO 分類理論的高考物理實驗試題分析

高考物理實驗試題以教材中常規實驗為藍本，夯實儀器基本操作，創新設計實驗方法，遷移應用實驗原理，體現了高考實驗試題考查的基礎性、綜合性、應用性和創新性特點，引導實驗教學讓學生經歷科學探究過程，使學生獲得感性認識，幫助學生理解物理概念和規律，發展學生物理學科核心素養．基于SOLO分類理論分析２０２４年全國新課標卷物理實驗題，分類統計試題設問的SOLO 層級，厘清高考實驗試題對學生科學探究能力的考查水平，以使物理實驗教學更有針對性和實效性．

例１ （２０２４年新課標卷，２２題）某同學用如圖２所示的裝置驗證動量守恒定律．將斜槽軌道固定在水平桌面上，軌道末段水平，右側端點在水平木板上的垂直投影為O，木板上疊放著白紙和復寫紙．實驗時先將小球a 從斜槽軌道上Q 處由靜止釋放，a 從軌道右端水平飛出后落在木板上;重復多次，測出落點的平均位置P 與O 點的距離．將與a 半徑相等的小球b 置于軌道右側端點，再將小球a 從Q 處由靜止釋放，兩球碰撞后均落在木板上;重復多次，分別測出a、b 兩球落點的平均位置M 、N 與O 點的距離xM 、xN ．

完成下列填空：

（１）記a、b 兩球的質量分別為ma 、mb，實驗中須滿足條件ma______mb（填“＞”或“＜”）．

（２）如果測得的xP 、xM 、xN 、ma 和mb 在實驗誤差范圍內滿足關系式______，則驗證了兩小球在碰撞中滿足動量守恒定律．實驗中，用小球落點與O 點的距離來代替小球水平飛出時的速度，依據是______．

解析

設問１，因為要保證碰撞后a 球不反彈，入射小球的質量應比被碰小球的質量大，即ma ＞mb．學生只需依據兩球碰撞的結果，使用基本的器材獲得數據，即可正確解答本設問．本問屬于單點結構層級．

設問２．１，要驗證兩小球在碰撞中滿足動量守恒定律，即驗證mava ＝mav′a ＋mbv′b．小球離開軌道后做平拋運動，因為兩球拋出點高度相同，則平拋運動時間t 相等，因為vat＝xP ，v′at＝xM ，v′bt＝xN ，則在實驗誤差允許范圍內滿足關系式maxP ＝maxM ＋mbxN ，即可驗證兩小球在碰撞中滿足動量守恒定律．要正確解答本問，學生需掌握碰撞中的動量守恒定律和平拋運動的相關規律，用已有的物理知識進行釋疑，用物理術語表征探究結果．本問屬于多點結構層級．

設問２．２，驗證動量守恒定律，需要測量質量和速度，由于入射小球、被碰小球離開軌道后的運動都是平拋運動，且平拋的豎直位移相同，故由x＝v０ 根號下２H/g可知，小球的水平位移x ∝v０，故可用小球落點與O點的水平距離來代替小球水平飛出時的速度，小球平拋運動的高度H 、入射小球開始的釋放高度h 只要保持不變，并不需要測量出來．要正確解答本設問，學生要深入思考實驗設計原理，洞悉實驗中物理量的相關性．本問屬于關聯結構層級．

例２ （２０２４年新課標卷，２３題）學生實驗小組要測量量程為３V 的電壓表V 的內阻RV，可選用的器材有：多用電表，電源E （電動勢５V），電壓表V１（量程５V，內阻約３kΩ），滑動變阻器R１（最大阻值５０Ω），滑動變阻器R２（最大阻值５kΩ），定值電阻R０（阻值為８００Ω），開關S，導線若干．

完成下列填空：

（１）利用多用電表粗測待測電壓表的內阻．首先應______（把下列實驗步驟前的字母按正確操作順序排列）.

A．將紅、黑表筆短接

B．調節歐姆調零旋鈕，使指針指向零歐姆

C．將多用電表選擇開關置于歐姆擋“×１０”位置

再將多用電表的紅、黑表筆分別與待測電壓表的______（填“正極、負極”或“負極、正極”）相連，歐姆表的指針位置如圖３Ｇ甲中虛線Ⅰ所示．為了減少測量誤差，應將選擇開關旋轉到歐姆擋______（填“×１”“×１００”或“×１k”）位置，重新調節后，測量得到指針位置如圖３Ｇ甲中實線Ⅱ所示，則粗測得到的該電壓表內阻為______kΩ（結果保留１位小數）．

（２）為了提高測量精度，他們設計了如圖３Ｇ乙所示的電路，其中滑動變阻器應選______（填“R１”或“R２”）．閉合開關S 前，滑動變阻器的滑片應置于______（填“a”或“b”）端．

（３）閉合開關S，滑動變阻器滑片滑到某一位置時，電壓表V１、待測電壓表的示數分別為U１、U ，則待測電壓表內阻RV＝______（用U１、U 和R１ 表示）．

（４）測量得到U１＝４２０V、U ＝２７８V，則待測電壓表內阻RV＝______kΩ（結果保留３位有效數字）．

解析

設問１.１，利用多用電表測電壓表內阻，將選擇開關置于歐姆擋位置后先進行機械調零，再將紅、黑表筆短接進行歐姆調零，實驗操作步驟為CAB．本問考查實驗儀器的基本操作，屬于單點結構層級．

設問１．２，歐姆表內置電源，電流從黑表筆流出歐姆表．根據電壓表使用原則“電流從正接線柱流入，負接線柱流出”，可知應將歐姆表的黑表筆與待測電壓表的正極相連，歐姆表紅表筆與待測電壓表負極相連．本問考查電學儀器的基本結構和多儀器聯合使用，屬于多點結構層級．

設問１．３，多用電表選擇開關撥到“×１０”位置，指針偏轉角度很小，則指針所指表盤刻度很大，說明待測電阻值大，而擋位選擇太小，應換用“×１００”的歐姆擋重新調零后測量．本問當歐姆表的指針指在表盤中間位置附近時，測量值較為準確，屬于單點結構層級．

設問１.４，歐姆表的讀數為指針刻度值乘以歐姆擋倍率，即１６×１００Ω＝１．６kΩ，結果保留１位小數．屬于多點結構層級．

設問２.１，滑動變阻器采用分壓接法，實驗中應選擇滑動變阻器阻值較小的R１．根據已有的實驗方案，選擇正確的器材測量數據，屬于多點結構層級．

設問２.２，閉合開關前應將滑片移至使測量電路短路的位置，滑動變阻器的滑片應置于“a”端．本問考查分壓式電路結構特點和電學實驗操作素養，屬于多點結構層級．

設問３，根據并聯電路特點可知電壓表V１ 兩端電壓U１ 與電壓表V 和R０ 所在支路兩端電壓相等，即R０ 兩端電壓表示為U１－U ，根據串聯電路特點可知通過電壓表V 和R０ 的電流相等．由歐姆定律得U１－U/R０ ＝U/RV，整理得RV＝ （U/U１－U）R０．此問制訂新穎的探究方案，靈活選用器材測量，分析數據，用物理知識釋疑，形成結論，屬于拓展抽象結構層級．

設問４，需在設問３ 的基礎上作答，將U１ ＝４２０V、U ＝２７８V 代入RV＝（ U/U１－U）R０，得RV ＝１.５７kΩ．本問結果保留３位有效數字，屬于關聯結構層級．

２０２４年全國高考新課標卷物理實驗題有２個，總計１１個設問：單點結構層級設問３個，多點結構層級設問５個，關聯結構層級設問２個，拓展抽象層級設問１個（見表２），合計分值１８分．設問層級以多點結構為主，單點結構與關聯結構并重，拓展抽象結構最少．多點結構層級試題強調考查基本概念的理解、用物理專業術語對實驗結果進行表達和物理規律的推導，占實驗題總分的４４.４％．關聯結構層級試題重視將實際問題情境轉換成物理模型和物理原理應用的考查，占實驗題總分的２２.２％．抽象拓展結構試題突出了通過科學探究獲得結論解決實際問題的考查，占實驗題總分的１１.１％．

基于SOLO 分類理論劃分的設問層次，前知識結構層級設問在高考試題中沒有出現，其余四個設問層級對科學探究能力的要求是遞進的．此處將單點結構對應學業質量水平２，多點結構對應學業質量水平３，關聯結構對應學業質量水平４，拓展抽象結構對應學業質量水平５．以學業質量水平為權重，對兩道題的樣本求加權平均數，學業質量水平最大值５，最小值２，此處稱為“學業質量水平系數”，可在一定程度上反映樣本試題對科學探究能力的要求．根據表２知單點結構層級設問３個，多點結構層級設問５個，關聯結構層級設問２個，拓展抽象結構層級設問１個，則樣本試題學業質量水平系數為

３×２＋５×３＋２×４＋１×５/３＋５＋２＋１ ＝３.０９．

２０２４年新課標卷物理實驗試題對科學探究能力要求難度適中，引導教師在教學過程中既要注重最基礎的實驗操作，也要對學生處理復雜問題的科學探究能力有所培養．

３ 教學啟示

３.１ 重視實驗操作，引導學生真做實驗

高考實驗命題突出實踐性，強調對過程的考查，鑒別考生實驗探究能力的高低．針對新課標所要求掌握的２１個基本實驗，教學中要重視實驗操作，引導學生真做實驗，掌握基本實驗儀器操作規范與讀數，會收集和分析實驗數據得出正確結論．從２０２４年高考新課標卷物理實驗題來看，考查多用電表粗測電壓表內阻的操作步驟順序，學生真做實驗之后能深入理解實驗步驟，多用電表的使用由難變易，一表多量的測量用途會得心應手;對于實驗結果有效數字的考查出現兩次，這也是實驗教學過程中極易忽視的知識點，讓學生獨立撰寫實驗報告，了解誤差和有效數字的概念，使學生親歷實驗探究，才能有效規避實驗考查中的易錯點．

３.２ 建構知識網絡，深入理解實驗原理

理解實驗原理是進行實驗設計和推進操作的關鍵點，讓人信服的實驗設計背后蘊含著精辟的方法原理．物理實驗試題圍繞實驗原理，考查實驗器材的選擇、數據測量和收集、實驗結果表征和成果交流．實驗教學要引導學生建構知識網絡，由點到面，發散思維，找到解決問題的方向．例如在“驗證動量守恒定律”實驗中，沒有掌握小球碰撞后平拋運動的規律，學生就容易困惑：為何用水平位移來代替碰撞后的瞬時速度？ 從２０２４年高考新課標卷物理實驗題來看，注重考查學生實驗遷移能力和實驗基本探究能力，這就要求教學中要注重基礎實驗操作，更要拓展遷移實驗設計，建構以核心知識點為主的知識網絡，讓學生站在全局的高度深入理解實驗原理．電學實驗的核心原理是歐姆定律，教學中可以以“電阻的測量”為點建構知識網絡，以點帶面，發散思維，拓展歸納測量電阻的實驗原理（見表３），實現實驗教學效果的最大化．

３.３ 提煉科學方法，培養科學探究素養

拓展抽象層級試題以真實問題為情境，要求學生創造性地對教材實驗進行設計，實現方法遷移，借助數學工具處理實驗數據，多重方法表征實驗結果．學生在具體實驗的探究中，提煉科學方法，能夠獨立思考去解決生產生活中的原始問題，是實驗教學追求的應然境界．實驗教學以科學方法為中心建構整個知識體系，邢紅軍教授依據認知心理學對物理科學方法做了進一步細致分類（見圖４）．思維方法屬于一種弱認知方法，以分析、綜合、抽象、概括為基礎，貫穿各學科，可遷移性強，主觀上通過一定的訓練，可被學生理解和掌握．學科方法屬于一種客觀的強認知方法，包含具有學科特點的實驗方法、理想化方法等，可遷移性弱．在物理實驗教學中，教師應引導學生回味實驗提煉科學方法，實現知識遷移拓展，突破抽象拓展結構層級試題，落實“四翼”之創新性．

基于SOLO分類理論分析高考實驗試題，精準把握高考實驗試題命題特點，提出高中物理實驗教學啟示，高效指導實驗教學的方向，適應新時代實驗教學的新理念，結合物理學科核心素養要求，開展好科學探究活動的實驗教學，培養新時代發展需要的新型人才．

（完）