基于SOLO理論的實驗試題的評價與教學思考

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

“科學探究”是物理學科核心素養之一，主要包括“問題”“證據”“解釋\"和“交流\"等要素。在高考試題中，“科學探究”主要考查“證據\"和“解釋”要素。如何利用高考物理實驗試題全面培養學生的“問題”“證據”“解釋\"和“交流\"素養，一直是課堂教學的難點。本文嘗試利用SOLO分類評價理論構建“科學探究\"素養的評價標準，并對2024年湖北高考力學實驗題進行分析和評價，同時提出全面培養學生“科學探究\"素養的策略，以期解決教學難點，提高高中物理實驗試題教學的效果。

文章編號：1003-6148（2025）6-0047-5

1 “科學探究”的評價標準

“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。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》從“問題”“證據”“解釋”“交流”四個方面制訂了五級水平劃分標準。

結合SOLO分類評價理論的思維能力四層次和科學探究的五級水平劃分，得到科學探究的評價標準（表1）。

基金項目：2024年湖北省人文社科重點研究基地農村教育與文化發展研究中心/市教育科學研究院基礎教育聯合課題“雙減背景下基于SOLO理論的高中物理分層習題設計的實踐研究\"（2024NJJC007）。

作者簡介：沈文炳（1973-），男，中學高級教師，湖北省“楚天名師”，湖北省名師工作室主持人，主要從事中學物理教學及研究。

其中，“問題”主要關注學生對信息的提取數量和質量，提出問題的質量，猜想和假設的合理程度。“證據”主要表現為實驗方案的自我設計程度，實驗器材操作的熟練程度，獲取數據的準確程度。“解釋”主要重視對數據的處理過程，結論的合理性和解釋的質量。“交流”主要關注學生撰寫報告的規范程度、交流和反思的學科深度。

受測試條件限制，在高考試題中，主要考查“證據”“解釋”以及“交流\"中的“反思”。試題中的“證據\"考查主要表現為實驗方案的選擇和設計，器材的選擇和操作，實驗現象的觀察和儀器讀數。“解釋\"考查主要表現在實驗數據的整理與分析，形成結論和科學解釋。“反思\"考查主要表現為實驗錯誤的分析、實驗誤差的分析、實驗方案的完善、實驗器材的選擇、數據處理的優化。

2 高考試題的分析和評價

分析和評價2024年湖北省高考力學實驗試題的能力層次要求及特點

【高考真題】某同學設計了一個測量重力加速度大小 g 的實驗方案，所用器材有： 2g 砝碼若干、托盤1個、輕質彈簧1根、米尺1把、光電門1個、數字計時器1臺等。

具體步驟如下：

① 將彈簧豎直懸掛在固定支架上，彈簧下面掛上裝有遮光片的托盤，在托盤內放入一個砝碼，如圖1（a）所示。

② 用米尺測量平衡時彈簧的長度l，并安裝光電門。

③ 將彈簧在彈性限度內拉伸一定長度后釋放，使其在豎直方向振動。

④ 用數字計時器記錄30次全振動所用時間to

⑤ 逐次增加托盤內砝碼的數量，重復 ②③④ 的操作。

該同學將振動系統理想化為彈簧振子。已知彈簧振子的振動周期 M，其中k為彈簧的勁度系數， M 為振子的質量。

（1）由步驟 ④ ，可知振動周期 T=

（2）設彈簧的原長為 l₀ ，則 l 與 g，l₀，T 的關系式為 l= 。

（3）由實驗數據作出的 l-T² 圖線如圖1（b）所示，可得 保留三位有效數字，π² 取9.87）。

（4）本實驗的誤差來源包括 （雙選，填標號）。

A.空氣阻力

B.彈簧質量不為零

C.光電門的位置稍微偏離托盤的平衡位置

試題分析：第（1）小題主要考查“解釋”中的“初步整理數據”，屬于單點結構能力層次問題。本小題具體考查學生對全振動概念的理解。可以算出振動周期為T=-t

第（2）小題主要考查“解釋\"中的“分析數據，形成結論”，屬于弱關聯結構能力層次問題。本小題具體考查胡克定律、二力平衡和彈簧振子的振動周期的綜合應用。首先，學生需要清楚振子平衡時彈簧的彈力和重力大小相等，知道通過胡克定律表達彈簧的伸長量和彈力的關系，即振子平衡時滿足 Mg=k（l-l₀） 。其次，要知道可以通過題目給定的彈簧振子的振動周期 M建立振子周期和質量的關系。最后，需要通過聯立上述兩式，解方程得到l=lo+gT2

第（3）小題主要考查“解釋\"中的“分析數據，形成結論”，屬于弱關聯結構能力層次問題。本小題需要通過第（2）小題的表達式理解圖1（b）中圖線的斜率 ;同時，還需要從圖1（b）中取兩個相隔較遠的點，讀出兩個點的坐標值，計算出斜率 k 的大小，然后通過運算得到重力加速度 g 的大小。可以選擇點（0.58，0.542）和點（0.30，0.474），通過關系式-g，= ，求得 。

第（4）小題主要考查“交流\"中的“反思”，屬于強關聯結構能力層次問題。學生需要通過分析和綜合進行判斷。正確答案為A和B選項。空氣阻力的存在會使振子的振幅越來越小，在光電門固定的情況下會導致振子的測量周期變化，故A選項正確。根據彈簧振子周期公式可知，振子的質量影響振子的周期，通過光電門測量出的周期T 為振子的真實周期。而根據第（3）小題求出的l-T² 的關系是不考慮彈簧質量的關系式。這二者中的 T 是不相等的，故B選項正確。根據簡諧運動的規律可知，只要從開始計時起，振子的速度第二次與開始計時的速度相等即為一個周期，與振子是否在平衡位置無關，故C選項錯誤。

總之，2024年湖北高考物理力學實驗試題主要考查了科學探究中的“解釋”和“交流”兩個要素。其中，“解釋\"部分主要考查多角度處理數據的能力，要求學生達到弱關聯思維能力層次；“交流\"部分主要考查學生對誤差的分析能力，要求學生達到強關聯思維能力層次。

3 “科學探究\"的教學策略

3.1 設置“提問表格”，提高自我提問能力

李政道認為，我們學習知識，目的是要做“學問”。學習，就是學習問問題，學習怎樣問問題。

觀察是提問的前提。教師在設置觀察情境時，要把抽象的、不可見的現象轉換為清晰的、可見的物理現象，要使多過程、多變量情境中的關鍵物理現象凸顯出來，要引導學生觀察研究對象的外部形態、內部結構和動態關系。在圖1（a）中，學生應該觀察到如下信息：彈簧放置在水平桌面和豎直懸掛時的長度不相同，托盤在短時間內是振幅幾乎不變的周期性運動，遮光片每半個周期計時一次，放入不同砝碼彈簧的長度不同，放人不同砝碼托盤運動的周期不同。

聚焦是提問的關鍵。提問焦點，就是教師根據實驗教學目的的需要，呈現可供學生觀察的具有簡潔提示探究主題的圖片、錄像、視頻等物理情境，促進學生傾向性地提問。圖1（a）的提問焦點應該是托盤、砝碼和彈簧系統的受力以及運動的周期、能量轉化等方面。學生在思考和選擇“提問焦點\"的過程中，可以利用“提問表格”2誘發學生思考提問。

“表格”是提問的保障。“提問表格”就是用水平表格表示物理情境的相關物理量，用豎直表格表示研究對象的運動形式或狀態，橫和豎對應的交點表格為可能的提問焦點。表2為圖1（a）物理情境對應的提問表格。實際教學過程中，學生可能會根據提問表格提出表2中的問題。其中，問題1為多點結構能力層次，問題4為弱關聯結構能力層次，問題3、5、6為強關聯結構能力層次。

3.2 運用PTA量表，提升證據收集能力

趙凱華說，科學是建筑在證據和理性思維（邏輯思維）基礎之上的。

PTA（PrimaryTraitAnalysis）即基本要素分析法[3]，是分析具體任務中的基本要素，并對學生在這些基本要素上的行為表現進行評價。

把PTA量表嵌入證據收集過程，使方案設計和實驗操作更具體、清晰，提高了設計的科學性和操作的準確性，也有利于學生在自評和互評中更客觀，提升了學生的證據收集能力。

實驗方案的基本評價要素主要有“變量設置與控制”“實驗儀器的選擇”“實驗步驟的設計”“數據記錄表的設計”；實驗操作主要評價要素有“實驗器材組裝”“操作和數據記錄”“整理實驗器材”。

表3為2024年湖北高考物理力學實驗試題的方案設計和實驗操作的PTA量表。如果分數少于7分，思維能力處于多點結構，學生更習慣根據已有實驗方案和常用的基本器材進行實驗；如果分數介于7和9之間，思維能力處于弱關聯結構，學生在老師和成員的指導下利用常見器材可以完成實驗；如果分數介于10和12之間，思維能力處于強關聯結構，學生可以自己完成方案設計，并選用合適的器材完成實驗；如果分數處于13和14，思維能力處于拓展抽象，學生可以設計具有創意的科學方案，靈活選用器材完成實驗。

3.3 搭建PTDR框架，訓練科學解釋能力

探究教學中的“解釋”是指在獲得實證的基礎上，將探究結果與學生原有的知識聯系起來，運用分析、綜合、歸納、演繹等科學思維進行科學論證，形成超越學生原有知識和當前觀察結果的新的理解，是學習者進行規律構建和概念內化的過程[4]。

PTDR框架可以促進科學解釋的顯性化[5]。科學解釋的PTDR框架包括四個要素：待解釋現象/預測（Phenomenon/Prediction）、理論（Theory）、資料（Data）推理（Reasoning）。其中，現象為實驗過程中觀察到的具有本質特征的物理現象；資料包括直接測量的第一手數據和經數據處理后的第二手數據；理論是分析實驗現象涉及的物理原理和規律；推理為通過對數據的演繹推理，形成結論。利用PTDR框架，對2024年湖北高考物理力學實驗試題的科學解釋過程如下。

（1）現象：托盤放置砝碼時彈簧伸長，向下拉 托盤后放手，托盤上下振動。

（2）資料：第一手數據主要有“彈簧的原長l₀ 、放置不同砝碼后的長度 l 以及運動30次的全振動時間 t^′′ ，第二手數據為“振動周期 T_ν 彈簧長度 l 和周期平方 T² 的關系圖像中的斜率大小和縱軸截距大小”。

（3）理論：二力平衡、胡克定律、簡諧運動周期公式。

（4）推理：通過二力平衡、胡克定律和簡諧運動的周期公式確定出彈簧長度 l 和周期平方 T² 的表達式，然后對比 l-T² 圖像，確定縱軸截距和斜率的表達式及其物理意義，并求解出重力加速度的值。

科學解釋：在托盤中放置砝碼，彈簧的伸長量與托盤和砝碼的總重力成正比。當把托盤下拉到某位置自由釋放后，托盤和砝碼在豎直方向做簡諧運動。簡諧運動的周期和彈簧的勁度系數、托盤和砝碼的總質量有關。托盤和砝碼的質量越大，彈簧越長，振動周期越大，從而通過托盤和砝碼的重力把彈簧的長度和振動周期建立聯系。通過推理可以建立重力加速度和圖像斜率的關系。

3.4 深度“延伸拓展”，培養交流對話能力

不同學生的生活環境和經歷不同，學生可以在交流中多角度認識科學探究過程[6。交流的內容為師生間信息的多向交流，主要集中在失敗的教訓和成功的經驗上。在交流過程中，要求學生大膽發言，積極參與；要求學生學會傾聽，聽清他人與自己的不同之處，聽懂與眾不同的見解，聽好自己疑惑的地方；學會質疑，要求學生善于提出自己的問題，運用知識和經驗去反駁；要求學生學會接受別人的意見，養成實事求是和善于納諫的優秀品質。

通過交流，可以發現實驗探究中的不足，優化實驗方案，培養學生的批判性思維。交流的具體內容主要為實驗結果、實驗方案、實驗操作。實驗結果主要關注結果的合理性和系統誤差分析。實驗方案主要關注設計的合理性和器材的簡易化。實驗操作主要關注實驗條件的控制和讀數的準確性[4]。

2024年湖北高考物理力學實驗試題的交流反思可以從以下角度開展

（1）通過二力平衡和簡諧運動求重力加速度的優勢在哪里？

（2）還有哪些方法可以測量簡諧運動的周期？哪種方法操作最簡單？

（3）利用彈簧測量重力加速度，是否一定需要簡諧運動，能不能簡化測量原理？

（4）如果空氣阻力不能忽略，與當地的真實值相比，測量結果偏大還是偏小？

（5）如果彈簧質量不能忽略，與當地的真實值相比，測量結果偏大還是偏小？

上述5個問題都屬于拓展抽象能力層次。這些問題的深度解決有助于學生深刻理解力、運動、能量的物理觀念，提升學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新的科學思維能力。

參考文獻：

[1]沈文炳.基于SOLO理論的物理教學設計的思考——以“力的合成\"教學為例[J].物理教學，2020，42（1）：10-13.

[2]何文明.高中物理課堂教學中學生提問能力的培養[J]學科教育，2002（5）：34-38.

[3]丁晴，劉聞川.例談運用PTA量表評價高中生物設計及實施實驗方案能力[J].中學生物學，2018，34（11）：42-44.

[4]諸慧玲.基于課程標準的科學探究評價初探[J].物理教學，2018，41（6）：49-51，48.

[5]童大振.基于科學解釋的教學設計—以“牛頓第三定律”為例[J].中學物理，2020，38（23）：2-5.

[6]王樹軍.落實實驗探究中的交流評估[J].新課程（中旬），2013（8）：64-65.

（欄目編輯 陳潔）