基于SOLO理論的逆向教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）7-0030-6

美國學者格蘭特·威金斯（GrantWiggins）和杰伊·麥克泰格（JayMcTighe）在《追求理解的教學設計》中提出基于理解的三階段教學設計模式：確定預期結果、確定合適的評估證據和設計學習體驗和教學。該教學模式注重學習過程中的過程評價，強調教學過程中“教、學、評”一致性。逆向教學設計思想有助于學生學科核心素養的培養和評價，受到研究者和一線老師的關注。逆向教學設計如何和新課程標準相融合，在實際學習和教學過程中高質量提升學生的學科核心素養是面臨的難題。本文以“超重和失重\"為例，嘗試利用SOLO分類評價理論為工具，構建基于SOLO理論的逆向教學設計框架，把逆向教學與新課程標準、教材相融合，提升學生的物理核心素養。

1基于SOLO理論的逆向教學設計框架

SOLO分類評價理論將學生的學習結果按思維認知水平從低到高分為前結構、單點結構、多點結構、關聯結構和拓展抽象5個層次。其中，單點結構、多點結構、弱關聯結構、強關聯結構和拓展抽象與新課程標準中的學業水平5級劃分具有良好的一致對應性。

把SOLO分類評價理論和逆向教學三個因素相結合，可以讓逆向教學設計中的預期目標層次化、評價過程可視化、學習和教學進階化。兩者具體融合的框架如圖1所示。“目標”“證據”“學習”表示逆向教學設計的三個階段，雙向箭頭表達了三者的相互關系。“SOLO\"位于中心，通過“分層·核心概念\"\"可視·學業水平\"和\"進階·過程評價”三個階段全面介人逆向教學設計。

圖1基于SOLO的逆向教學框架

（1）預期目標層次化。

學習目標的確定是課堂教學設計的關鍵。學習目標主要是綜合考慮學情、新課程標準和教材內容等因素后制訂的。學習目標中的重難點問題往往就是核心概念，也稱為“大概念”。核心概念類似于“概念魔術貼”，有助于把各個知識點聯系起來，有助于學生理解學科重要知識框架和科學思維。

調查學情有助于了解學生當前的SOLO思維認知層次，有利于確定學生的最近發展區。

熟悉新課程標準有助于理解學生應該達到的最基本的SOLO思維能力層次，有利于確定學生學習目標的最低層級。

分析教材內容有助于清楚學生應該達到的最高的SOLO思維能力層次，方便確定學生學習目標的最高層級。

分析核心概念能幫助學生把握學習的中心和重點，幫助教師設計評價證據和學習過程

（2）評價證據可視化。

評價證據是評價學生學習達到預期結果的主要手段，評價證據主要有表現性任務和其他證據。

如何對不同的學習目標設計不同思維層次的評價證據？根據SOLO分類評價理論，評價證據的思維認知層次應該和學習目標的思維認知層次一致。

如何通過評價證據直觀了解學習達到預期結果的程度？利用SOLO分類評價理論對新課程標準中的學業質量標準進行比較，并結合學生對評價證據的完成情況，有助于直觀確定學生處于哪一個思維認知層次，也就清楚了學生通過學習任務后達到學習目標的程度。

（3）學習過程進階化。

學習設計是保證預期目標能夠完成的重要過程。學習過程應該創設各種情境作為學習活動。學習過程中，學生的認知負荷和思維能力應該遵循逐級深化、依次進階的規律。

學習任務的選擇由學習目標確定。沒有目標指導下的學習任務容易偏離學習的重點。

學習任務應該包含在物理情境中。物理情境通常包括經驗情境、科學歷史情境、科學探究情境和對話交流情境等。物理情境的復雜性應該和相應的學習目標一致，隨著學習目標層次的進階而不斷復雜化。

學習結果用對應的評價量表進行評定。根據不同的學習任務和學習目標，把“評價證據\"轉化為具有SOLO思維層次的評價量表，根據學習結果和評價量表進行自評和互評，確定學生對相應

學習目標的掌握程度。

2 “超重和失重\"的逆向教學設計

2.1 預期學習目標

2.1.1 教學分析

學生對超重和失重的接觸和理解主要來源于三個方面。一是字面理解：認為超重就是變重了，失重就是變輕了。二是生活中的體驗：部分學生在游樂園玩過過山車、海盜船等娛樂設施，有關于超重和失重的體驗，超重表現為壓迫感，失重表現為輕浮感。三是新聞和媒體的介紹：學生從各種新聞和媒體中獲得的關于航天器發射、太空授課中的視頻現象，比如航天員楊利偉在升空過程中臉部發生變形，王亞平等在太空授課時的漂浮狀態。

教材中“體重計\"實驗的認知負荷過高。教材通過“人站在體重計上向下蹲的過程\"得到超重和失重的概念，并通過人對傳感器的力和時間的關系進行驗證。這部分內容的內在認知負荷很高。一是人下蹲時間極短，不足一秒，學生很難獨立判斷人經歷加速、減速和靜止三個階段。二是傳感器采集的力和時間的關系圖像很復雜，根本不是簡單的“示數先變小，后變大，再變小，最后保持某一數值不變的全過程”。

2.1.2 學習目標

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中關于“超重和失重\"的“內容要求\"為“通過實驗，認識超重和失重現象”。在“活動建議”中要求“通過各種活動，例如乘坐電梯、到游樂場參與有關游樂活動等，體驗失重與超重”。

結合課程標準和人教版高中物理教材內容，制訂基于SOLO分類評價理論2的學科核心素養目標如表1所示。本節內容的核心概念為“力和運動的關系”，具體表現為力和加速度的關系、力和速度的關系。

2.2 評估證據設置

結合學習目標，設置相對應的評估證據如表2所示。

3 學習和教學過程

3.1 創設前結構情境，懸念引入創設懸疑情境—“香城重禮”。

如圖2所示，“香城重禮\"里面主要是彈簧懸掛鉤碼，還有控制開關。當倒立時，開關打開，音樂和燈光開啟，同時“鉤碼”上下振動。

表1“超重和失重”學習目標

表2“超重和失重”評估證據

3.2 回顧多點結構舊知，理解視重

任務一：復習重力的測量，理解實重和視重。

問題1：如何測量一個“鉤碼\"的重力大小？

圖2“香城重禮\"裝置

有兩種常見的測量方案：利用天平或者臺秤測量鉤碼的質量，然后利用 G=mg 就可以計算出“鉤碼\"的重力大小；利用彈簧測力計直接測量。

評價1：如果學生能回答一種方案，思維處于單點結構能力層次；能回答兩種方案，思維處于多點結構能力層次。

“香城重禮\"正向放置，顯示重量為 480g ；反向放置后，伴隨著電子臺秤示數不停變化，嵌在圓筒上的LED燈閃爍，湖北省市（因桂花得名“香城”市歌《江南桂花香》響起。引導學生思考電子臺秤示數變化的原因，激發學生興趣，引入課題。

設計意圖：精彩的前結構情境引入，既能調動學生的學習積極性，又能迅速激活學生的認知沖突，讓學生產生學習新知識的需求，順其自然地以最佳的學習狀態投人到課堂學習中。“香城重禮\"結合地方鄉土文化，隱藏懸掛的彈簧，呈現跳躍的示數，增強了情境的真實性、趣味性、感染力、懸念性。

教師呈現提前在電梯外面和里面拍攝的用電子臺秤測量體重的圖片，在電梯外測得的體重為 72.60kg ，在電梯內測得的體重為 80.60kg 。

教師通過圖片情境引入實重和視重。物體的實際重力 mg 就是實重，測力計上顯示的示數就是視重。

問題2：物體處于不同的運動狀態時，視重和實重的大小關系怎樣？

當物體靜止或者做勻速直線運動時，視重等于實重；當物體速度變化時，兩者不相等。

評價2：如果學生能回答一種情境，思維處于單點結構能力層次；能回答兩種或三種情境，思維處于多點結構能力層次。

設計意圖：理解實重和視重，有利于學生理解超重和失重現象。

3.3 體驗弱關聯結構探究情境，引入概念

任務二：生成超重和失重的概念。

【探究實驗1】鋸條振動實驗

一個“鉤碼\"通過細繩懸掛在鋸條一端，學生手握鋸條另一端（用紙包裹），上下抖動重物。

問題3：“鉤碼”上下振動時，手感受到的細繩對鋸條的拉力大小如何變化？

鋸條的拉力忽大忽小。

評價3：能順利完成體驗實驗屬于多點結構能力層次，還能進一步回答問題3屬于弱關聯結構能力層次。

【探究實驗2】數字體重計實驗。

一個學生在數字體重計上做下蹲和起立，另一個學生觀察數字體重計示數的變化。

問題4：在數字體重計上下蹲和起立時，示數如何變化？

有時大于靜止時的示數，有時小于靜止時的示數。

評價4：能順利完成體驗活動并觀察到數據屬于多點結構能力層次，還能進一步回答問題4屬于弱關聯結構能力層次。

通過兩個實驗，教師引人失重現象和超重現象。物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）小于物體所受重力的現象，叫做失重現象。物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）大于物體所受重力的現象，叫做超重現象。

設計意圖：通過定性實驗體驗引入超重和失重現象，和教材相比，有利于降低學生的認知負荷。

3.4 設置強關聯結構探究情境，發現條件

任務三：探究超重和失重的發生條件。

猜想：超重和失重現象與物體速度的方向和大小、加速度的方向和大小之間的關系怎樣？

學生：超重和失重現象的判斷主要是比較彈力和重力的大小，應該與速度的大小和加速度的大小無關。

學生：超重和失重現象應該和速度的方向和加速度的方向有關。

【探究實驗3】數字體重計實驗。

學生分組，再次在數字體重計上做下蹲和起立實驗。要求仔細觀察超重、失重現象，記錄實驗者速度方向、速度變化、加速度方向和超重、失重的關系（表3）。

表3數字體重計實驗記錄表

問題5：超重和失重與速度方向、速度變化、加速度方向之間的關系怎樣？

超重和失重與速度方向、速度變化沒有關系。加速度向上是超重現象，加速度向下是失重現象。

評價5：能正確記錄表格數據屬于弱關聯結構能力層次，能正確回答問題5屬于強關聯結構能力層次。

【探究實驗4】模擬下蹲和起立實驗。

自制實驗裝置如圖3所示，研究對象為重錘，模擬人在體重計上下蹲和起立的過程。重錘受到的拉力通過力傳感器測量，重錘的加速度通過地板上的加速度傳感器測量。木板的作用有兩個，一是反射加速度傳感器的信號，二是在運動過程中擱置木板上方兩個配重。模擬下蹲時：將配重1、配重2置于木板上，去掉配重4。懸掛配重1、配重2的輕繩松弛時，滑輪左側質量大，實現重錘加速下降；懸掛配重1、配重2的輕繩拉直后，滑輪右側質量大，實現重錘減速下降。模擬起立時：將配重4懸掛在配重3下方，去掉配重1、配重2。滑輪左側質量小于配重3、配重4的總質量時，實現重錘加速上升；配重4落地后，滑輪左側質量大，實現重錘減速上升。

圖3模擬下蹲和起立裝置示意圖

利用圖3裝置獲得重錘向下運動過程的某次實時數據如圖4所示。

從圖4可以看出：重錘靜止時，加速度為0，拉力等于重力；重錘加速下降階段，加速度為負，方向向下，拉力小于重力；重錘減速下降階段，加速度為正，方向向上，拉力大于重力。

圖4模擬下蹲數據

利用圖3裝置獲得重錘向上運動過程的某次實時數據如圖5所示。

從圖5可以看出：重錘靜止時，加速度為0，拉力等于重力；重錘加速上升階段，加速度為正，方向向上，拉力大于重力；重錘減速上升階段，加速度為負，方向向下，拉力小于重力。

圖5模擬起立數據

再把圖4和圖5的數據信息填到表4中。其中， F 為重錘受到的拉力大小， G 為重錘的重力大小。

表4模擬下蹲和起立實驗記錄表

問題6：通過模擬實驗，你發現超重和失重現象與加速度方向的關系怎樣？

超重時，加速度方向向上；失重時，加速度方向向下。

評價6：能正確記錄表格數據屬于弱關聯結構能力層次，能正確回答問題6屬于強關聯結構能力層次。

問題7：超重時，物體做加速運動嗎？失重時，物體做減速運動嗎？

超重時，物體可以向上做加速運動，也可以向下做減速運動；失重時，物體可以向下做加速運動，也可以向上做減速運動。

評價7：能回答問題7的部分情境屬于弱關聯結構能力層次，能完整回答問題7屬于強關聯結構能力層次。

設計意圖：數字體重計實驗主要是增強學生對超重和失重的具身體驗，并進行半定量探究，初步確定超重和失重與速度方向、速度變化、加速度的關系。其缺點是加速度大小和方向不能直觀呈現，需要通過速度的變化進一步推理判斷。另外，體重計示數變化快，需要認真、快速觀察。模擬下蹲和起立實驗可以同步在屏幕上看到拉力和加速度隨時間變化的曲線，直觀呈現出超重、失重和加速度的實時對應關系。

3.5 進行強關聯結構推理，認識本質

任務四：用牛頓第二定律分析超重和失重，認識完全失重現象。

問題8：在超重和失重現象中，質量為 ?_m 的物體受到的支持力（拉力） F 和加速度 Ψ_a 之間的定量關系怎樣？

超重時， ；失重時， F=m（g-a） 。

評價8：如果學生能夠正確表達出 F 和 Ψ_a 的關系，則認知處于弱關聯結構能力層次。

【探究實驗5】完全失重指示燈（圖6）。

教師：桌上的瓶子是一個玩具，里面裝有LED燈，燈座底部裝有壓力開關。當壓力開關與水瓶底部沒有壓力時，LED燈就會熄滅。這個玩具不怕摔，大家可以通過不同方式讓它運動起來，目的是要讓燈熄滅。活動過程中大家要注意安全。

圖6完全失重指示燈

瓶子由靜止釋放后、向上拋出后、向下拋出后燈都會熄滅。提著瓶子在豎直方向運動過程中看到燈有時會熄滅。瓶子斜向拋出后、水平拋出后燈也會熄滅。提著瓶子在豎直面內旋轉時也會看到燈有時熄滅。

問題9：瓶子自由釋放后，里面的LED燈處于失重狀態嗎？

此時，LED燈受到的支持力為零，LED燈的加速度為重力加速度。

評價9：學生能夠發現一種指示燈熄滅的情境，認知為單點結構能力層次；能夠發現多種指示燈熄滅的情境，認知為多點結構能力層次；能正確回答問題9，認知為弱關聯結構能力層次。

如果物體在加速下降過程中加速度為重力加速度，物體對支持物（或懸掛物）完全沒有作用力，這種現象叫做完全失重狀態。

問題10：物體速度為零時，可以處于超重、失重和完全失重狀態嗎？

物體向下速度減小到零、向上開始加速時處于超重，物體向上減速到零、向下開始加速時處于失重，處于自由下落瞬間或豎直上拋到最高點時為完全失重。

評價10：學生不能回答問題10，認知為前結構能力層次；能回答一種情境，認知為弱關聯結構能力層次；能完整回答，認知為強關聯結構能力層次。

設計意圖：問題9指向明確，能降低學生的認知負荷。完全失重指示燈實驗比常見的水瓶漏水實驗要好，學生很直觀地“看見”水瓶和LED燈之間沒有壓力。作為一個開放性的探究實驗，學生會放手去嘗試，發現很多“規定”之外的情境，這些情境為后續對平拋運動、斜拋運動和圓周運動中超重和失重現象的認識埋下了伏筆。問題10進一步讓學生理解了物體的運動和超重、失重的關系。

3.6 引入拓展抽象問題，揭秘創新

任務五：超重和失重現象的應用。

問題11：你在電視上、生活中見過或者體驗過哪些超重和失重現象？

學生：蹦極、跳樓機、坐電梯、過山車、太空中的航天員等。

介紹火箭發射中的超重現象，播放航天員在天宮一號目標飛行器上展示水球的實驗視頻。

【探究實驗6】完全失重指示燈揭秘“香城重禮”。

揭秘引人情境實驗“香城重禮”，展示其內部結構為一個小球通過彈簧懸掛在圓筒里面，再次觀察小球振動時電子臺秤示數的變化。

問題12：如何解釋小球振動時電子臺秤示數的變化？

小球向下運動過程類似于人在臺秤上的下蹲過程，小球向上運動過程類似于人在臺秤上的起立過程。

評價11：學生能解釋小球運動過程中哪個階段臺秤示數變大，哪個階段示數變小，認知為強關聯結構能力層次；如果能和人在臺秤上的起立過程進行類比，認知為拓展抽象能力層次。

【探究實驗7】設計加速度計。

問題13：利用一個 50g 的“鉤碼\"和一個彈簧測力計，如何直接讀出加速上升電梯的加速度大小？

利用牛頓第二定律近似確定“鉤碼”加速度Ω_a 和彈簧拉力 F 的關系為 a=20F-10 。可以在彈簧測力計的面板上直接標注加速度的大小，如0.5N 對應0，1N對應 10m/s²。

評價12：學生能夠根據牛頓第二定律發現 F 和 Ψ_a 的關系，認知為強關聯結構能力層次；能在彈簧秤上正確標注相對應的加速度的數值，認知為拓展抽象能力層次。

設計意圖：問題11、問題12和問題13從思維能力的角度是進階的。問題11主要是要學生把超重、失重和現實生活中的現象建立聯系，和國家的科學技術發展建立聯系。問題12主要是要求學生能夠把不同的情境進行歸一化，理解不同情境對應的物理本質相同。問題13要求學生具有創新思維，能夠深度應用牛頓第二定律解決實際問題。

4 結束語

SOLO分類評價理論與逆向教學設計相結合，有利于逆向教學設計三個環節的設計保持高度的邏輯一致性。利用SOLO分類評價理論確定學習目標，有利于學習目標的直觀化和層次化，有利于教師充分把握教學的核心概念。SOLO分類評價理論與物理學科核心素養5級水平劃分具有天然的一致性，兩者相結合，有利于通過評估證據精準評價學生的認知水平層次。學習過程的進階式設計符合循序漸進的理念。SOLO分類評價理論有助于教師在學習設計過程中把握教學的臺階，根據不同臺階的高度設計問題支架，幫助學生一步一步掌握好精心設計的學習任務，思維認知層次逐步提升，物理學科素養逐步養成。

參考文獻：

[1]謝永豪，皮飛鵬.結合SOLO分類理論的逆向教學模式研究——以高中物理“楞次定律\"為例[J].理科考試研究，2022，29（17）：42-45.

[2]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.

（欄目編輯 劉榮）