基于SOLO分類理論的試題分析與教學策略
——以“2021年廣東高考物理實驗試題”為例

董友軍，彭 歡，皮飛鵬

(1.北京師范大學廣州實驗學校，廣東 廣州 510700;2.廣東番禺中學，廣東 廣州 511483；3.廣州大學 物理與材料科學學院，廣東 廣州 510006)

物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面. 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，基于數據、信息得出結論并作出解釋，并在科學探究過程中對結果進行交流、評估和反思[1]. 在高考物理試卷中，主要通過實驗試題的方式考查學生的科學探究能力. 本文依據SOLO分類理論分析了2021年廣東高考物理實驗試題，明確了高考實驗試題“考什么”和“如何考”等問題，這有助于高中物理教師把握實驗教學的方向，深入思考“教什么”和“如何教”，從而使課堂實驗教學更有方向、更有效率.

1 SOLO分類理論

可觀察的學習成果結構(Structure of the observed learning outcome，SOLO)，是教育心理學家John B.Biggs提出的學習質量評價理論[2]. SOLO分類理論是在皮亞杰發展階段論基礎上建立起來的，體現了現代心理學的研究成果，具有嚴格的理論形態. SOLO分類理論認為，學生回答某個問題時所表現出來的思維結構是可以檢測的，而檢測焦點不是回答問題的“量”，而是回答問題的“質”. SOLO分類理論根據學生回答問題的結果，把學生的思維結構分為由淺到深5個層次：前結構層次、單點結構層次、多點結構層次、關聯結構層次、抽象擴展結構層次，如圖1所示.

圖1 SOLO分類理論5個層次

前結構層次是指學生用一些與問題不相關的素材進行回答；單點結構層次是指學生用一項與問題相關的素材進行回答；多點結構層次是指學生用多項與問題相關的素材進行回答，但這些素材沒有關聯、彼此獨立；關聯結構層次是指學生將多項與問題相關的素材聯系起來，形成一個整體，能夠處理復雜問題；抽象擴展結構層次是指學生將多項與問題相關素材綜合分析，歸納抽象出新的假設，能對相關知識進行應用與遷移，促使問題的意義得到擴展. 前3個層次主要體現“量”的積累，而后2個層次追求“質”的提升.

SOLO分類理論能夠評價學生的思維結構層次，而高中物理試題需要保證適宜的區分度，因此它們之間存在一定的對應關系. 本文通過SOLO分類理論對高考物理實驗試題進行研究，既可以明確高考試題的評價方向，也可以提高課堂教學效率.

2 學業質量水平、科學探究水平與SOLO層次

學業質量是學生在完成本學科課程學習后的學業成就表現. 高中物理學業質量根據問題情境的復雜程度、知識和技能的結構化程度、思維方式或價值觀念的綜合程度等可劃分為不同水平. 每一級水平皆包含物理學科核心素養的4個方面，主要表現為學生在不同復雜程度情境中運用重要概念、思維、方法和觀念等解決問題的能力[1]. 高中物理學業質量分為5個水平，是教師命題和評價學生的重要依據，也是高中學業水平考試命題的重要依據，其中學業質量水平2是用于“學考”的命題依據，學業質量水平4是用于“高考”的命題依據[1]. 另外，新課程標準對科學探究也進行了5個水平的劃分[1]，表1給出了學業質量水平、科學探究水平與SOLO層次之間的對應關系.

表1 學業質量水平、科學探究水平與SOLO層次的對應關系

3 基于SOLO分類理論的實驗試題分析

高考實驗試題的設問，是按照單點結構、多點結構、關聯結構、抽象拓展結構循序漸進，并呈現出從易到難趨勢. 首問比較容易，一般是單點結構或多點結構；末問比較難，一般是關聯結構或抽象擴展結構. 設問主要集中在多點結構，抽象擴展結構比較少，具體情況如表2所示. 因此高考實驗試題的難度中等偏易，有助于減輕學生的學習負擔，同時引導教師帶領學生完成所有課標必做實驗，讓學生經歷實驗的完整過程，培養學生實驗操作能力和創新能力.

下面以“2021年廣東高考物理實驗試題”為例，探索基于SOLO分類理論的試題分析與教學策略.

11．某興趣小組測量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數. 緩沖裝置如圖2所示，固定在斜面上的明有機玻璃管與水平面夾角為30°，彈簧固定在有機玻璃管底端. 實驗過程如下：先沿管軸線方向固定一毫米刻度尺，再將單個質量為200 g的鋼球(直徑略小于玻璃管內徑)逐個從管口滑進，每滑進一個鋼球，待彈簧靜止，記錄管內鋼球的個數n和彈簧上端對應的刻度尺示數Ln，數據如表3所示. 實驗過程中彈簧始終處于彈性限度內. 采用逐差法計算彈簧壓縮量，進而計算其勁度系數.

表2 設問的SOLO層次

圖2 題11圖

表3 題11數據表

3)忽略摩擦，重力加速度g取9.80 m/s2，該彈簧的勁度系數為____N/m(結果保留3位有效數字).

分析：

1)設問1是求ΔL3. 把已知L6=18.09 cm,L3=12.05 cm代入ΔLi=Li+3-Li(i=1，2，3)即可求得ΔL3=6.04 cm. 本設問只是“對數據進行初步整理”，屬于單點結構層次.

12．某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律. 根據實驗需要已選用了規格和量程合適的器材.

1)先用多用電表預判熱敏電阻阻值隨溫度的變化趨勢. 選擇適當倍率的歐姆擋，將兩表筆____，調節歐姆調零旋鈕，使指針指向右邊“0 Ω”處. 測量時觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉角度越大，由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而____.

2)再按圖3連接好電路進行測量.

①閉合開關S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到____端 (選填“a”或“b”).

圖3 題12圖

將溫控室的溫度設置為T，電阻箱R0調為某一阻值R01. 閉合開關S，調節滑動變阻器R1，使電壓表和電流表的指針偏轉到某一位置，記錄此時電壓表和電流表的示數、T和R01. 斷開開關S.

再將電壓表與熱敏電阻C端間的導線改接到D端，閉合開關S. 反復調節R0和R1，使電壓表和電流表的示數與上述記錄的示數相同，記錄此時電阻箱的阻值R02，斷開開關S.

②實驗中記錄的阻值R01____R02(選填“大于”、“小于”或“等于”)，此時熱敏電阻阻值RT=____.

3)改變溫控室的溫度，測量不同溫度時的熱敏電阻阻值，可以得到熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律.

分析：

1)設問1是文字填空“將兩表筆____”. 本設問的前面“選擇適當的歐姆擋”與后面“調節歐姆調零旋鈕”之間的邏輯性不強，需要學生親自做過這個實驗，并記住該實驗步驟，才能夠填出正確結果為“短接”，即“能根據已有科學探究方案，使用基本器材獲得數據”，屬于多點結構層次.

2)設問2也是文字填空“由此可判斷熱敏電阻阻值隨溫度的升高而____”. 要正確回答本設問，需要知道多用電表的指針開始停在表盤最左邊，表示電阻為無窮大，當指針向右邊偏轉時，表示電阻減小. 學生通過觀察到熱敏電阻溫度越高，相同倍率下多用電表指針向右偏轉角度越大，即可以判斷出熱敏電阻阻值隨溫度的升高而減小. 要能正確回答本設問，同樣需要學生親自做過這個實驗，并記住多用電表刻度盤數據與指針偏轉規律，才可以填出正確結果為“減小”，該過程對應“能根據已有科學探究方案，使用基本器材獲得數據”，屬于多點結構層次.

3)設問3是2選1的選擇填空“閉合開關S前，將滑動變阻器R1的滑片滑到____端(選填“a”或“b”)”. 要選出正確選項b，就需要看懂滑動變阻器的連接結構，才能保證在閉合開關S前，讓滑動變阻器接入電路的電阻值最大，即“能根據已有科學探究方案，使用基本器材獲得數據”，屬于多點結構層次.

4)設問4是3選1的選擇填空，設問5是求熱敏電阻阻值RT的表達式. 要選出設問4中的正確選項，要先求設問5. 這需要學生知道電壓表、電流表、電阻箱的測量原理，并記住部分電路歐姆定律，串、并聯規律，理解電路結構，才能夠得出：u=I(RA+R01),u=I(RA+R02+RT)，從而求得設問5的正確答案是RT=R01-R02，進而得出設問4的正確選項是“大于”. 該過程對應“能分析數據，發現其中規律，形成合理的結論，用已有物理知識進行解釋”，屬于關聯結構層次.

4 基于SOLO分類理論的教學策略

策略是指在不同條件下，為達到不同目標所采用的方式、方法、媒體的總和. 教學策略是指在教學過程中，為了完成教學目標，依據教學的主客觀條件，特別是學生的實際情況，對所用的教學順序、活動程序、組織形式、教學方法和教學媒體等的總和[3]. 通俗地說，教學策略就是教師在各個教學環節所遵循的思想和方法. 根據對實驗試題的SOLO分類理論分析，本文在實驗教學方面提出以下教學策略.

4.1 用“器材發散”突破單點結構試題

器材是物理實驗的基礎，沒有器材就沒有實驗. 做實驗離不開器材的選取與使用，如測量同1個物理量，可選用不同器材[4]. 例如測量長度，可以選用傳統器材——米尺、卷尺等，也可以選用現代器材——螺旋測微器、游標卡尺、位移傳感器、聲納、雷達等. 通過選用不同實驗器材進行測量，既可以使學生熟悉各種器材的操作規范，也可以拓寬學生的視野，從而突破單點結構試題.

4.2 用“原理中心”突破多點結構試題

4.3 用“知識整合”突破關聯結構試題

知識整合也稱知識系統化，即把有關聯的知識組合成網狀結構，既有利于學生對已有知識的理解深化，也有利于頭腦中的新舊知識相互作用. 知識系統化后不僅有利于學生理解新知識，還有利于激發學生的認知潛力，并能夠培養學生用深入聯系的眼光看待事物. 知識之間是相互聯系的，通過知識整合，讓知識之間的聯系更清晰，有助于學生靈活應用物理知識，突破關聯結構試題. 如測量燈泡的伏安特性曲線，可以整合相關的電壓、電流、電阻、電熱、電功率等知識，如表3所示.

表3 電壓、電流、電阻、電功、電熱、電功率之間的關系

4.4 用“方法遷移”突破抽象擴展結構試題

實驗教學要以科學方法中心論為指導，構建知識邏輯結構，如圖4所示，從科學現象出發，須經過科學方法的加工整理才能獲得科學知識. 科學方法是科學現象通達科學知識的必經之路，學生只有掌握科學方法，才能快捷地獲取科學知識. 科學方法可分為學科方法和思維方法. 學科方法包括獲得知識的方法和應用知識的方法，屬于強認知方法，體現學科特點，可遷移性弱；思維方法包括邏輯思維方法和非邏輯思維方法，屬于弱認知方法，貫穿各門學科，可遷移性強. 高考實驗試題，源于教材也高于教材，學生能從教材的實驗題目中得到解題啟發，找到解題方法. 所以教師在教學中，要認真完成教材中的所有實驗講授，包括學生實驗和演示實驗，既要向學生講授實驗本身的原理，也要向學生介紹實驗器材的原理；既要求學生動手操作實驗，也要求學生掌握數據處理方法. 如題11中的設問4，用逐差法求彈簧壓縮量，用正交分解法、二力平衡法求彈簧彈力. 通過方法的總結歸納，讓學生掌握方法的一般性規律，實現方法遷移，從而突破抽象擴展結構試題.

圖4 知識邏輯結構

5 結束語

本文討論了SOLO分類理論的層次與科學探究水平的對應關系，采用SOLO分類理論分析高考實驗試題，不僅可以把握高考命題的特點與趨勢，還可以指導高中實驗教學的方向，了解高考實驗試題的難度，從而達到理順教考關系，實現“以考促教、以考促學”的目的[6]，并促進立德樹人根本任務的落實，培養學生物理學考核心素養.