基于SOLO分类理论的高考物理实验试题研究

    史雨晴 孟繁伟

    

    

    

    摘 要 研究旨在应用SOLO分类理论，分析高考物理实验题对学生思维能力层次的要求，根据该理论制定各层次界定标准，以2016—2020年高考全国Ⅱ卷物理实验题为例，进行实验题的层次划分与统计。研究结果表明，5套试卷中物理实验题要求的SOLO层次多处于关联结构水平。经对各层次水平问题所考察内容的深入分析，提出具体教学建议，以期对广大一线教师的教学工作有所启迪，为物理实验教学的改革与创新提供新方法、新思路。

    关键词 高中物理 SOLO分类理论 高考 实验能力

    高考作为我国一项重要的人才选拔考试，其试题命制具有科学性、合理性以及代表性等特点。在对物理教学策略和方法进行研究与探索的过程中，通过对高考试题进行定性或定量的分析与评价，往往能够得到更深的启发与思考。《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）的出版，标志着教学将更加注重学生核心素养的培养。学生能否具备《课程标准》所要求的价值观念、品格和关键能力，能否熟练地在复杂问题和生活情境中灵活运用知识和技能解决问题，成为当前教育考核的重中之重。在同样以核心素养为指向的物理学科教学中，物理实验能力应当受到重视。为了强化实验能力的培养，笔者以高考物理实验试题作为研究对象，应用SOLO分类理论，对2016—2020年高考全国Ⅱ卷的物理实验题进行逐题分析，针对其中所考察的实验能力进行层级划分与统计，并根据统计结果加以归纳总结，提出物理学科改进实验教学的相关建议，为广大一线教育工作者在教育教学实践中更为全面、科学地进行人才培养提供帮助。

    一、SOLO分类理论简介

    SOLO分类理论（Structure of the Observed Learning Outcome），作为教育新视野背景下针对学业质量水平提出的一种评价方法，最早由澳大利亚心理学教授彼格斯（Biggs）等人在著作《学习质量评价——SOLO分类法》中创立。该理论是对皮亚杰儿童发展阶段论的继承和发展，表现为更注重学生在特定任务中的表现，即通过学生学习行为的认知结果，分析所掌握知识的结构以及概念理解的思维层次，使得学习水平能够可观地呈现。因此，该理论也可称为：可观察的学习结果的结构[1]。

    彼格斯等人认为：传统的教育评价模式仅仅将学生掌握知识的数量作为评价准则，这与一门新学科的初始学习阶段是相适应的。但是，随着学习过程的深入，原有的分离的、互不相关的知识将逐渐相互联系，构成一贯整体，从而产生质的变化[2]。此时，传统的评价模式将不再适用。因此，SOLO分类理论对复杂学习过程的层次进行了通用框架的构建，并根据学习者的学习结果分为以下五个层次：

    （1）前结构水平（Pre-structural level，简称“P水平”）：不理解问题，不具备问题相关知识或知识概念混淆，思维逻辑混乱。常表现为拒绝作答、重复问题内容、或是以不相关的内容作答;

    （2）单点结构水平（Uni-structural level，简称“U水平”）：仅理解某一方面知识，能够就其回答简单问题，但思维水平局限，掌握线索单一，不能够全面看待问题;

    （3）多点结构水平（Multi-structural level，简称“M水平”）：理解和掌握多个方面的知识，但是仅仅将其简单罗列，知识彼此间相互独立，不能建立联系、解决实际问题;

    （4）关联结构水平（Relational level，简称“R水平”）：将掌握的知识相互联系、构成整体。表现为回答问题时能够将知识综合运用，并用概括性、总结性的语言进行回答;

    （5）扩展結构水平（Extended abstract level，简称“E水平”）：不仅能够将知识关联、概括，同时还具有抽象思维，能够在复杂情景中处理问题，达到举一反三、灵活应用的效果。

    二、基于SOLO分类理论的高考物理实验题层次分析方法举例

    2020年高考课标全国Ⅱ卷理综物理部分的22、23题为物理实验试题，卷面分值15分，占理综物理部分试卷总分的13.7%，以填空形式分别从不同层次对学生的物理实验能力进行考察。以下，笔者以上述两题为例，基于SOLO分类理论分析实验试题的能力层次要求及其特点。

    例1：

    22.（5分）一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图1所示，一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。

    （1）令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0 = 0.590 m，下降一段距离后的高度h = 0.100 m;由h0下降至h所用的时间T = 0.730 s。由此求得小球B加速度的大小为a =_______m/s2（保留3位有效数字）。

    （2）从实验室提供的数据得知，小球A、B的质量分别为100.0 g和150.0 g，当地重力加速度大小为g = 9.80 m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小为a′ =_______m/s2（保留3位有效数字）。

    （3）可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：____________________。

    第（1）问属于多点结构层次问题，考察运用匀加速直线运动公式求解加速度、有效数字的表达以及分析实验现象、理解简单实验原理的能力。解答此题的关键在于实验原理，即采用何种方式进行加速度的测量。要求学生能够根据题意正确判断物体的运动状态，掌握匀变速直线运动的概念、规律和特点，根据已知条件选择公式计算物体加速度的大小。解题过程如下：

    由匀变速直线运动规律可知[h-h0=12at2]，解得[a=1.84 m/s2]。

    第（2）问属于关联结构层次问题。考察牛顿第二定律的应用、整体法分析以及理解复杂实验原理的能力。同样是求解加速度问题，实验原理却与上一问有所不同[3]。这里要求学生能够明确整体法分析的前提和条件，结合牛顿第二定律表达式求解，得到加速度的大小。该题目同样考察了有效数字的表达。解题过程如下：

    结合牛顿第二定律有[mBg-mAg = （mA+mB）a′]，解得[a′≈1.96 m/s2]。

    第（3）问属于关联结构层次问题。考察牛顿第二定律、阻力、摩擦力等知识点以及对实验结果进行误差分析的能力。学生普遍能分析出误差产生的原因是由于实验仪器结构不够完善或实验过程中存在阻力等，而题中要求会分析本题中误差产生的具体原因。因此，应该以实际给出的具体实验器材作为出发点，从而得出答案：可能是滑轮有质量或者滑轮的轴不光滑。

    例2：

    23.（10分）某同学要研究一小灯泡L（3.6 V，0.30 A）的伏安特性。所用器材有：电流表A1（量程200 mA，内阻Rg1 = 10.0 Ω）、电流表A2（量程500 mA，内阻Rg2 = 1.0 Ω）、定值电阻R0（阻值R0 = 10.0 Ω）、滑动变阻器R1（最大阻值10 Ω）、电源E（电动势4.5 V，内阻很小）、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图（a）所示。

    （1）根据图（a），在图（b）的实物图中画出连线。

    

    （2）若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流，利用I1、I2、Rg1和R0写出：小灯泡两端的电压U =_________，流过小灯泡的电流I =_______。为保证小灯泡的安全，I1不能超过_______mA。

    （3）实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2。所得实验数据在下表中给出。

    

    根据实验数据可算得，当I1 = 173 mA时，灯丝电阻R =_______Ω（保留1位小数）。

    （4）如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值不能小于_______Ω（保留1位小数）。

    第（1）问属于单点结构层次问题。考察能够根据电路图的要求正确连接实物图，具体表现在学生连接电路时能够注意各线不交叉，能够正确连接电表的正、负接线柱。

    第（2）问属于关联结构层次问题。考察欧姆定律、串并联电路的特点、电学单位的换算以及能够理解实验原理、解决实际问题的能力[4]。本题目的在于研究小灯泡的伏安特性，虽然涉及到了电表的改装，但是由于题目中已经给出具体的电路图，故而作为关联结构问题进行研究。要求学生明确要达到实验目的对小灯泡两端电压的要求是什么，根据欧姆定律、串并联电路的特点得出改装后电表各部分的电流和电压的关系式，通过计算得出所求电流表的电流。解题过程如下：

    由于电流表[A1]与定值电阻[R0]串联充当电压表使用，

    所以小灯泡两端电压[U=I1（Rg1+R0）]，流过小灯泡的电流[I=I2-I1]。

    小灯泡两端电压不能超过其额定电压[3.6 V]，

    因此，流过电流表[A1]的电流为[I1=3.6 VRg1+R0=0.18 A≈180 mA]。

    第（3）问属于关联结构层次问题。考察欧姆定律、串并联电路的特点以及分析和处理实验数据的能力。图中给出的两组数据是逐次改变滑动变阻器滑片位置得到的两电流表的读数，要求学生明确数据所代表的含义，同时能够通过并联电路特点、欧姆定律推导出求解小灯泡电阻的关系式，进行具体数值的计算。解题过程如下：

    小灯泡两端电压[U=I1? （Rg1+R0）]，流过小灯泡的电流为[I=I2-I1]，

    当[I=173 mA]时，小灯泡电阻[R=I1 （Rg1+R0）I2-I1≈11.6 Ω]。

    第（4）问属于关联结构层次问题。考查的是电压表扩充量程原理。解答该题主要应注意两个问题：一是要测量完整的伏安特性曲线，保证小灯泡两端至少达到额定电压;二是电流表不能超过最大量程。再根据欧姆定律得到电压表扩充量程的算式进行计算。解题过程如下：

    由题意可知，此时电流表[A1]与定值电阻[R0]串联充当电压表使用，

    因此，当[A1]电流表达到其满偏电压，也就是200 mA时，电流表[A1]与定值电阻两端的电压不能小于[3.6 V]，所以[R0≥3.6 V200×10-3A-10 Ω=8 Ω]。

    三、基于SOLO分类理论的高考物理实验题分析统计和结论

    按照上述试题分析方法，得到了2016—2020年高考全国Ⅱ卷的物理实验题SOLO层次分析结果（见表2）。其中，SOLO层次用相应水平的字母表示，每个“层次水平试题分数占该卷物理实验试题总分數的百分比%”一项简称为“分数百分比%”。

    

    （一）根据各层次问题考察次数和分值占比分析所得到的结论

    2016—2020年高考全国Ⅱ卷物理实验题中，关联结构层次试题数量最多，其分数总和占实验题总分的62.7%，并且每年的比例相对稳定。这说明高考实验题更注重考察较为高阶的实验能力，用以区分达到不同实验能力层次的学生，以达到高考选拔人才的目的[5]。其次，单点结构层次试题的分数占实验题总分的18.6%，多点结构层次试题的分数占实验题总分的16%，两者考察的次数较为接近。这部分试题难度较低，考虑到学生答题规律和心理承受能力，多设置在实验题的前两个问，从而保证高考题具有一定的区分度，避免因试卷总体难度过高而导致的考察失衡等问题[6]。扩展结构层次试题数量最少，其分数占实验题总分的2%。由此可以看出高考对于扩展结构的要求较低，具体表现在不需要学生自己设计实验解决问题。以上是对高考物理实验试题层级的整体分析，接下来笔者将进一步针对出现次数较多的层次水平问题的考察内容进行深入分析并提出教学建议。

    （二）根据各层次问题考察内容分析所得到的结论

    单点结构层次问题：主要考察实验器材的选择和使用。学生只需要掌握相应种类实验器材的使用方法，就能够将该题做对。力学实验题多考察物理测量工具，如2018年全国Ⅱ卷考察了弹簧测力计的使用。除此之外，教师还应该让学生加强刻度尺、螺旋测微器、游标卡尺等其他力学测量工具的练习，并在教学过程中强调测量工具的量程、刻度值、估读原则、处理方法等。电学实验多考察电路的连接，尤其是实物图和电路图之间的转换。这一部分虽然是高考物理实验题中较为基础的考察内容，却也容易被教师和学生忽视，很多学生到高三仍不能做到正确的估读，教师可在高三复习课中将其作为单元模块进行集中练习，加强重视程度，避免在基础环节失分情况的出现。

    多点结构层次问题：主要考察理解实验原理、计算实验数据、保留有效数字等实验能力的综合运用。这一层次容易以選择题形式考察，但是由于高考物理实验题常以多种实验能力综合的形式进行考察，选择题型反而极少出现。如2016年全国Ⅱ卷物理实验题要求学生对实验操作的步骤进行正确排序，考察学生是否明确实验各个步骤、具有进行独立实验的能力。有些学生对整体实验流程掌握不够熟练，习惯于跟随题目的节奏进行思考，因此，教师在教学中应该注意培养学生对于物理实验的整体把控能力，做到在明确实验目的后能够迅速对整个实验流程了如指掌，从而更加自如地应对问题的多种变式[7]。

    关联结构层次问题：主要考察处理实验数据、分析实验图像以及误差分析能力。这一层次要求所掌握的各种知识之间能够相互联系、融会贯通，如能够明确实验图像的斜率、与坐标轴交点的意义，得出实验结论并对实验结果进行分析和评价。《课程标准》要求在实验探究过程中不能只关注与探究假设相符的物理事实，还需要观察和收集与预期结果相矛盾的信息，因此，误差分析能力也非常重要[8]。如力学实验中的误差多是由阻力以及实验器材理想化所造成，电学实验中的误差主要由于电表内阻导致。教师应引领学生既能够根据实验数据分析误差的来源，又能够提出多种减小误差的措施。

    四、教学总体建议

    （一）根据学生实验能力层次，因材施教

    通过以上分析可以看出，高考物理实验题主要在单点、多点和关联结构水平层次考察学生的物理实验能力，后一层次问题相较于前一层次对实验能力提出了更高的要求。这提示我们开展实验教学也应合理设置教学梯度，按照该结构水平层次的顺序合理设计教学环节和内容，即确保在掌握物理概念和规律、理解实验原理的基础上逐步进行其他实验能力的培养。在实验教学过程中应加强师生交流，及时判断学生所处的实验能力层次，如能否准确和深刻地理解实验原理，能否使用规范正确的物理语言进行表述等。针对不同思维层次的学生及时地进行评价和指导，帮助学生顺利完成向下一层次的跃迁。对于层次水平较低的学生，教师应注重强调整个实验的基本要点，数据处理、误差分析等过程要逐一帮助学生厘清，再通过实际动手操作加深对实验的理解[9]。对于层次水平较高的学生，教师可以鼓励学生不拘泥于经典实验，进行自制实验仪器的开发、开放性实验的设计等，以灵活应对试题变式，实现由前结构层次到关联结构层次甚至抽象扩展结构层次的过渡。

    （二）立足物理学科特点，促进物理学科核心素养的达成

    物理实验教学的最终目的是促进学生物理学科核心素养的达成，而应用SOLO分类模式对高考实验题进行划分则为该目标的实现提供了一定的帮助。纵向来看，思维水平在由前结构层次向扩展结构层次发展的过程中，学生逐渐具备了观察实验现象、提出问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、发现物理规律、解决实际问题的能力，该过程也正是核心素养逐渐达成的过程。横向来看，关联结构水平问题要求学生具备数据处理、图像分析能力。要达到这一目标，教师可以通过引导学生比较不同实验数据处理和图像分析的异同，促进对同一层次问题的理解，帮助学生进行交流反思和分析归纳[10]。扩展结构水平问题要求学生能够改进实验方法，设计新实验。要达成这一目的，教师可以鼓励学生多质疑、创新，借助生活中简单的实验器材和常见的电子设备进行设计，重视培养学生在实际生活中运用所学知识的能力，进一步激发学生对物理实验的兴趣，养成严谨认真、实事求是的科学态度。

    综上，SOLO分类理论能够较好地测量和定位高考题所考察的实验能力层次，为物理教师制定总体、单元、课时教学计划与教学目标以及复习课的设计提供一定的帮助，有利于分阶段、分层次地进行教学设计，在夯实实验基础知识的同时，培养学生的综合实验能力，以最终达成培养学生物理学科素养的目的。

    [参 考 文 献]

    [1]彼格斯，科利斯.学习质量评价：SOLO分类理论（可观察的学习成果结构）[M].高凌飚，张洪岩，译.北京：人民教育出版社，2010：18-35.

    [2]吴维宁.教育评价新概念：SOLO分类法评介[J].学科教育，1998（5）：44-45.

    [3]刘君昊.SOLO理论对高考物理试卷考察能力分析[J].湖南中学物理，2015（11）：64-65;75.

    [4]程柱建.SOLO理论视域下的高考实验能力分析[J].物理教学，2014（12）：16-19.

    [5]王振超，李建彬，胡象岭.基于SOLO分类理论的高考物理试题能力层次分析[J].物理教师，2018：86-91.

    [6]郭晨跃，王宏博，罗莹.SOLO理论在高考物理试题比较研究中的应用[J].物理教师，2012（1）：1-3.

    [7]王较过，赵欢苗.SOLO分类理论在物理教学设计中的应用[J].当代教师教育，2012（1）：57-62.

    [8]张丁荣.高中生物理实验能力测量与分析[D].武汉：华中师范大学，2018.

    [9]孟繁伟.孟繁伟谈：高三备考策略指导·物理篇[M].大连：辽宁师范大学出版社，2018：111-120.

    [10]李健，孟繁伟.SOLO分类法在物理教学过程性评价中的应用[J].辽宁教育，2018（7）：25-28.

    （责任编辑：赵晓梅）