基于SOLO理论的高考物理实验试题分析与启示

摘 要：科学探究是物理学科核心素养之一，如何通过实验课培养学生的科学探究能力是教学的重难点.高考对于教学具有导向性作用，对于高考试题的分析有助于一线教师把握教学方向.利用SOLO分类理论对2020年天津卷的实验试题进行思维层次的划分与分析，明确高考中对实验试题的考查趋势，从中得到教学启示.

关键词：SOLO理论;高考;物理实验;实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）03-0029-03

作者简介：李静（1985-），女，天津人，博士，中学一级教师，研究方向：物理教学研究.

1 前言

教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》中指出，高中物理课程应在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展.科学探究是物理学科四大核心素养之一，课标中明确指出科学探究是基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.

物理是一门基于观察和实验的学科，实验有助于学生深入理解所学知识，形成物理观念，同时实验过程本身也蕴含了分析综合、推理论证和质疑创新等科学思维，体现了严谨认真、实事求是的科学态度.因此，实验是培养学生综合能力的重要途径，如何通过实验课培养学生的科学探究素养是教学的重难点之一.

高考作为目前人才选拔的重要途径，对于教师教学具有导向作用.实验探究能力是新高考考查的五大能力之一，要求学生能独立地完成所要求的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论，能对结论进行分析和评价;能发现问题、提出问题，并制订解决方案;能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，包括简单的设计性实验.随着新课标的颁布和新教材的使用，学生必做实验的内容也进行了变化和调整，明确新课程改革背景下高考实验题“考什么”和“如何考”有助于一线教师更真切地把握实验教学的方向，深入思考“教什么”和“如何教”，进而使得课堂教学更有方向更高效.

2 SOLO分类理论

SOLO分类理论是教育心理学家比格斯及其同事在皮亚杰认知发展理论的基础上提出的以等级描述为主要特征的质性评价方法.SOLO分类理论基于学生对问题的回答，以学生学习质量为研究起点，将学生“可观察的学习成果” 分为由浅入深的五个层次： 前结构、单点结构、多点结构、关联结构和拓展抽象结构.比格斯借助图像形象地呈现了上述五种层次的递进关系，并对不同层次学生的水平特征进行了阐述.

处于前结构层次的学生，不能形成对问题的理解，对问题的回答逻辑混乱或同义反复;处于单点结构层次的学生知识和思路单一，仅根据一个信息或线索得出结论;处于多点结构层次的学生能处理多个信息，提供解决问题的多种思路，但各个思路之间彼此独立，不能融会贯通;处于关联结构层次的学生能将各种可用的信息联系起来，形成一个整体，能够处理综合性的复杂问题;处于拓展抽象结构层次的学生能够综合利用多个信息并在此基础上对问题进行归纳，且得出的结论可能不唯一，并能对相关知识进行应用和迁移，使问题本身的意义得到拓展.前三个层次主要体现“量”的积累，而后两个层次追求“质”的提升.SOLO分类理论能够考查学生的能力层次，而高考作为选拔性考试，其试题也要体现合理的层次结构，这两个层次存在着对应关系.因此利用SOLO分类理论对高考试题进行研究，可以明确高考对学生思维能力评价的方向，为教师教学提供依据和启示.

新课程标准中对科学探究这一核心素养进行了五个水平的划分，表1给出了这五个水平与SOLO理论之间的对应关系.

3 试题分析

例题1 （2020年天津卷 9题）某实验小组利用图2所示装置测定平抛运动的初速度.把白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行.每次改变木板和桌边之间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点.

（1）为了正确完成实验，以下做法必要的是.

A.实验时应保持桌面水平

B.每次应使钢球从静止开始释放

C.使斜面的底边ab与桌边重合

D.选择对钢球摩擦力盡可能小的斜面

（2）实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动0.2m，在白纸上记录了钢球的4个落点，相邻两点之间的距离依次为15.0cm、25.0cm、35.0cm，示意如图3.重力加速度g=10m/s2，钢球平抛的初速度为m/s.

（3）图2装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是.

本题（1）小问主要考查学生对于实验原理和步骤是否清楚，是否会使用仪器，所考查的选项均为分组实验过程中强调的注意事项.本小题从不同角度进行考查，要求学生能将各个注意事项综合起来，对实验有整体把握，因此属于多点结构层次.

第（2）小问考查了平抛运动实验的数据处理方法，但本题的实验过程与学生在实际操作过程中所采用的方法不同.教材和学生实验中采用调整接球槽的竖直高度的方式记录数据点，而本实验则是采用调整木板与桌面间距离的方式.且学生在实验过程中通过球心的投影位置确定平抛运动的起点，常规的数据处理方法是利用水平和竖直位移计算初速度.而本题则需要学生在常规实验理解的基础上，依赖于对材料的创造性解读，对实验和数据处理方法进行创造性迁移与运动，因此本题属于拓展抽象结构层次.

第（3）小问考查铅垂线的作用，试题本身难度并不高，但由于需要学生进行文字描述，这就对学生的文字理解和表达能力提出了一定的要求，因此本题属于多点结构层次.

例题2 （2020年天津卷 10题）某实验小组选用以下器材测定电池组的电动势和内阻，要求测量结果尽量准确.

电压表（量程0-3V，内阻约为3kΩ）

电流表（量程0-0.6A，内阻约为1Ω）

滑动变阻器（0-20Ω，额定电流1A）

待测电池组（电动势约为3V，内阻约为1Ω）

开关、导线若干

（1）该小组连接的实物电路如图4所示，经仔细检查，发现电路中有一条导线连接不当，这条导线对应的编号是.

（2）改正这条导线的连接后开始实验，闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的端（填“a”或者“b”）.

（3）实验中发现调节滑动变阻器时，电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显.为了解决这个问题，在电池组负极和开关之间串联一个阻值为5Ω的电阻，之后该小组得到了几组电压表读数U和对应的电流表读数I，并作出U-I图像，如图4所示.根据图像可知，电池组的电动势为V，内阻为Ω（结果均保留两位有效数字）.

本题第（1）小问考查测定电源电动势和内阻实验中电流表“内接法”和“外接法”的合理运用.本小题的正确作答需要学生能识别实物图，结合题中所给数据对两种不同接法所对应的实验误差进行比较分析，属于关联结构层次.

第（2）小问从操作层面考查了限流式接法中滑动变阻器的使用方法，考查内容单一，属于单点结构层次.

第（3）小问考查实验的数据处理，本题中给出了问题以及解决问题的方案，要求学生能够根据实验电路和原理，并结合电源的U-I图像分析出斜率所对应的内阻是电源内阻和5Ω电阻串联之和，进而求出电源内阻，并按要求保留有效位数.学生正确作答需要处理综合性的问题，因此本题属于关联结构层次.

通过上述分析可以看出，力学实验要求的思维水平较高，而电学实验的要求相对较低，总体仍然以多点结构和关联结构层次的考查为主.

4 教学启示

结合SOLO分类理论对高考试题的分析发现，实验题所考查的水平层次全面，对学生科学探究和科学思维能力要求较高.基于此，笔者对实验教学的课堂实施提出以下几点思路.

4.1 单点和多点结构层次试题：回归教材，经历科学探究过程

教材是高考命题的重要参考依据，也是教师教学的重要载体.如2020年所考查的平抛运动实验，教材在参考案例中给出了高考题所涉及的数据处理方法，教材中提示：“根据步骤1 得出的平抛运动在竖直方向分速度随时间变化的规律，设法确定“相等的时间间隔”.再看相等的时间内水平分运动的位移，进而确定水平分运动的规律.”这也体现了高考依据教材出题的思路，因此教师在设计实验课时，一定研读教材，深入学习.

单点和多点结构层次的习题通常从实验操作和注意事项的角度，以选择题的形式呈现，学生的正确解答需建立在对实验原理的理解基础上.让学生动手实验，经历科学探究的一般过程，是促进深度理解的有效手段，也有助于学生综合能力的提升.

4.2 关联结构层次试题：由点到面，开展单元整合教学

学生科学思维素养的形成并不能靠知识的简单叠加，而是各种学习要素汇聚而成的有机整体.因而，从多点结构层次向关联结构层次过渡，靠传统的单一实验讲解是很难达到的，反而会导致学生对所学知识缺乏全局性认知，无法建立知识之间的系统联系.基于单元整合开展实验教学，是摆脱逐一落实知识点，转向从整体观念把握所学内容的有效途径.

如“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”的实验装置，还可以用于研究哪些实验？在这些实验中，都需要用到天平吗？都需要进行“平衡摩擦力”的操作吗？都要求满足“所挂钩码质量远小于小车质量”的条件吗？这样的教学可以引导学生跳出单一视角，从实验目标和原理出发，通过对比分析找出各实验之间的关联与差异，加深对实验步骤和实验条件的深层次理解，从而使得学生的思维层次从多点结构向关联结构发展.

4.3 拓展抽象结构层次试题：提炼方法，培养科学探究素养

在实验教学中，可以通过以某一“思想方法”作为单元主题开展教学，教师通过创设“拓展迁移情境”，引导學生有所发现、有所联想.如在“测量做直线运动物体的瞬时速度”“探究弹簧弹力与形变量的关系”“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”“验证机械能守恒定律”“用单摆测量重力加速度的大小”以及“测量电源的电动势和内阻”等诸多实验中都采用了一次函数图像法进行数据处理.物理图像是对事实进行解释的重要形式，利用一次函数方法的关键是将情境转化为相应的物理过程，利用物理规律写出横纵坐标所表示的物理量之间的函数关系，进而结合图像的斜率、面积等参数进行数据处理.

4.4 在作业设置上

可以基于SOLO分类理论设计实验练习题，用于学生学习水平的诊断，有助于教师把握教学效果.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]魏欣，高杰.基于SOLO 理论的学生实验探究能力水平的分析与研究——以2017年高考天津卷物理实验题为例[J].考试研究，2018（01）：12-21.

[3]邹佳晨，李兴华，孙永茂.基于SOLO分类理论的高考物理试题分析[J].物理通报，2016（12）：116-118+120.

（收稿日期：2020-12-01）