基于SOLO分類理論的物理高考試題分析及相應新課教學建議

【摘要】本文根據SOLO分類理論統計分析2018年至2022年這五年廣西使用的全國卷中涉及機械能的高考真題，發現這些高考真題的考查層次均分布在SOLO分類理論的多點結構層次、關聯結構層次以及抽象拓展層次等三個靠后的層次中；結合SOLO分類理論及高考考查要求，設計由梳理學情、概念教學、例題講解與課堂練習、拓展與挑戰、對比與總結等五個環節構成的高中物理機械能守恒定律新課教學方式。

【關鍵詞】SOLO 分類理論高中物理機械能守恒定律核心素養

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）02-0131-06

SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome）分類理論是由澳大利亞教育心理學家彼格斯（John B.Biggs）提出的一種對學生學業進行評價的，分等級、可觀察的學習成果結構理論：一個人回答某個問題時所表現出來的思維結構，與這個人總體的認知結構是沒有直接關聯的；一個人的總體認知結構是一個純理論性的概念，是不可檢測的，彼格斯稱之為“設定的認知結構”，而一個人回答某個問題時所表現出來的思維結構卻是可以檢測的，彼格斯稱之為“可觀察的學習成果結構”。彼格斯把學生對某個問題的學習結果由低到高劃分為五個層次（SOLO分類法）：前結構層次，即學生基本上無法理解問題和解決問題；單點結構層次，即學生能找到解決問題的一個思路，但單憑一點論據就跳到答案；多點結構層次，即學生能找到解決問題的多個思路，但無法把這些思路有機地整合起來；關聯結構層次，即學生能找到解決問題的多個思路，并且能把幾個思路結合起來思考；抽象拓展層次，即學生能從理論的高度分析問題，能對問題進行抽象的概括，而且能夠進行深化和拓展。可以看出，SOLO 分類法這種層級分明的螺旋式結構能夠清晰地對應學生在學習過程中表現出來的思維水平由淺層到深層逐漸提高、由量變到質變的復雜過程，它與《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提出的要求“試題立意要明確，要清楚地指向物理學科核心素養某個或多個方面”“評分標準的制定要依據學業質量水平的要求，清晰界定所考查的知識、能力和素養，使之能相對比較準確地判斷學生的物理學科核心素養及其水平”相契合。

筆者通過在中國知網數據庫以“高考試題分析物理”為關鍵詞搜索發現，雖然基于分析高考題指導教學的論文很多，但是這些論文大多在對高考試題解構后側重指導高考復習或習題課教學設計，較少涉及新課教學設計。本文嘗試基于 SOLO 分類理論，分析2018年至2022年這五年廣西高考使用的全國卷中涉及機械能守恒定律的試題，同時以教學機械能守恒定律為例提出新課教學設計的建議，希望能幫助教師在教學中逐級提升學生的物理學科核心素養。

一、基于SOLO分類理論的高考真題分析

（一）近五年廣西高考使用的全國卷中涉及機械能守恒定律的真題概況

廣西在2018年至2020年使用的是全國Ⅲ卷，在2021年和2022年使用的是全國甲卷，筆者從這5份高考試卷中抽取了其中涉及機械能考查的試題進行解構（如下頁表1所示）。

從題型和 SOLO 層次看，它們的題型非常豐富，15道題中包括3道單項選擇題、4道多項選擇題、2道實驗題以及6道計算題，其中，2道單項選擇題、1道實驗題、1道計算題涉及機械能部分的解答需要學生思維達到多點結構層次，從2018年開始，隔年出現；1 道單項選擇題、1道實驗題、4道計算題涉及機械能部分的解答需要學生思維達到關聯結構層次，近五年中只有2021年沒有此類題型；4道多項選擇題、1道計算題涉及機械能部分的解答需要學生思維達到拓展抽象結構層次，2018年、2021年以及2022年三年都有這類題目。

近五年的高考題都不涉及前結構層次、單點結構層次這兩個層次，這實際上是從另一個角度說明了機械能部分知識在高中物理知識體系中的地位和作用，并且凸顯了高考選拔的功能。下面，筆者根據SOLO 分類理論，對這些高考真題考查的層次及特點進行更具體的分析。

（二）基于 SOLO 分類理論分析近五年廣西高考使用的全國卷涉及機械能的高考真題

近五年廣西高考使用的全國卷涉及機械能的高考真題中均沒有單點結構層次的題目，大多題目處于 SOLO 分類理論中較高的層次，有些題目甚至達到了抽象拓展結構層次。學生要解答好上面的15道題目不容易，因為機械能的考查必須要有運動模型作為考查載體，而且受限于高考題量，考慮到考查知識點的覆蓋面，涉及機械能部分知識點常常與其他知識點綜合在一道題里考查。

1.近三成題目屬于多點結構層次

多點結構層次在本文指的是在題目中涉及機械能部分，僅僅考查了對機械能部分知識點的簡單應用，只要學生對這部分知識點有一定認識就能解答，不涉及綜合應用。

【例1】（2022年全國甲卷）14.（節選）北京2022年冬奧會首鋼滑雪大跳臺局部示意圖如圖1所示。運動員從 a 處由靜止自由滑下，到 b 處起跳，c 點為a、b之間的最低點，a、c 兩處的高度差為h 。要求運動員經過 c 點時對滑雪板的壓力不大于自身所受重力的 k倍，運動過程中將運動員視為質點并忽略所有阻力，則 c 點處這一段圓弧雪道的半徑不應小于（" ）。

本題需要判斷圓弧雪道的半徑不應小于多少，學生解答此題需要對物體做圓周運動時向心力公式、做變加速曲線運動時用動能定理求速度這兩個公式及涉及的知識有所了解，不涉及知識的綜合應用。該試題屬于多點結構層次。

【例2】（2020年全國Ⅲ卷）22.（節選）（1）略。

（2）某同學利用圖2所示裝置驗證動能定理。調整木板的傾角平衡摩擦阻力后，掛上鉤碼，鉤碼下落，帶動小車運動并打出紙帶。某次實驗得到的紙帶及相關數據如圖3所示。

已知打出圖3中相鄰兩點的時間間隔為0.02 s，從圖3給出的數據中可以得到，打出B點時小車的速度大小vB= m/s，打出 P 點時小車的速度大小vP= m/s（結果均保留2位小數）。若要驗證動能定理，除了需測量鉤碼的質量和小車的質量，還需要從圖 3 給出的數據中求得的物理量為。

本題的最后一空需要找出缺少的物理量，學生只要能夠充分認識動能定理就可以解答：既知道在運用動能定理研究單個物體運動時合外力做功等于物體的動能變化量，又知道須利用物體的位移表示合外力的功，就可以得出答案為“B、P 之間的距離”。本題最后一空考查機械能相關知識不涉及知識的綜合應用，屬于多點結構層次。

這個層次的高考題反映出高考“四翼”中的重視基礎知識、基本能力。這些題目除了考查能量守恒定律、機械能守恒定律和動能定理這些重點定律，還考查功率、動能等能量的表達式以及損失機械能的計算，同時還考查學生是否具備運用能量觀分析解決問題的能力，以及定性判斷做功多少、能量變化的能力。

2.四成題目屬于關聯結構層次

此次分析的15道題中有6道題屬于關聯結構層次。屬于關聯結構層次的題目的特點是：學生需要將機械能部分各個知識點，以及其他部分的知識點都聯系起來才能解決問題；要求學生必須能從整體上把握題目中的物理過程，對其中的過程進行一定的分析推理。

【例3】（2019年全國Ⅲ卷）25.靜止在水平地面上的兩小物塊 A、B，質量分別為 mA=l.0 kg，mB=4.0kg；兩者之間有一被壓縮的微型彈簧，A與其右側的豎直墻壁距離l=1.0 m，如下頁圖4所示。某時刻，將壓縮的微型彈簧釋放，使A、B 瞬間分離，兩物塊獲得的動能之和為 Ek=10.0 J。釋放后，A 沿著與墻壁垂直的方向向右運動。A、B 與地面之間的動摩擦因數均為μ=0.20。重力加速度取 g=10 m/s2。A、B 運動過程中所涉及的碰撞均為彈性碰撞且碰撞時間極短。

（1）求彈簧釋放后瞬間A、B 速度的大小；

（2）物塊 A、B 中的哪一個先停止？該物塊剛停止時A 與 B之間的距離是多少？

（3）A 和B 都停止后，A 與 B之間的距離是多少？

本題雖然是壓軸題，而且涉及兩個物體碰撞、勻變速運動等多物多過程，但解答有關機械能部分的知識的第（1）和第（3）小問時，涉及的是彈性碰撞模型，學生大多能從題目的表述中理解彈性碰撞模型，根據“兩物塊獲得的動能之和”“A、B 運動過程中所涉及的碰撞均為彈性碰撞且碰撞時間極短”就可以獲得關鍵數據。在解答第（3）問時，需要假設A 能與靜止的 B 碰撞，由動能定理解出A 物體的碰前速度。可見，解答本題需要聯系碰撞模型、直線運動中的諸多知識點，并需要具備分析推理能力，能將知識點與知識點聯系起來，從整體上分析推理，故本題屬于關聯結構層次。

【例4】（2018年全國Ⅲ卷）17.在一斜面頂端，將甲、乙兩個小球分別以 v 和的速度沿同一方向水平拋出，兩球都落在該斜面上。甲球落至斜面時的速率是乙球落至斜面時速率的（" ）。

A.2倍"" B.4倍"" C.6倍"" D.8倍

本題考查平拋運動規律，涉及 x=vt，y= ，以及幾何關系 tan θ= 。小球由拋出到落至斜面，利用機械能守恒定律可以得出速率與重力做功位移的關系，最后綜合所有的公式即可求出小球落至斜面時的速率與初速度大小的關系。學生解答這道題時需要掌握平拋運動的特點及規律、與斜面相關的幾何知識，結合平拋運動物體的規律、斜面幾何關系，以及機械能守恒定律（或動能定理）知識，從整體上分析推理，因此本題屬于關聯結構層次。

這個層次的高考題體現的是高考“四翼”中的“綜合性”要求，也就是要求學生能整體把握機械能部分的知識，對這些知識融會貫通，這既包括同一層面、橫向交互，也包括不同層面、縱向的融會貫通。

3.超三成題目屬于抽象拓展結構層次

屬于抽象拓展結構層次的題目在本文有兩層含義，第一指的是題目設置的情境新穎、提問的形式靈活，第二指的是學生需要遷移并合理拓展機械能部分的知識，或是對問題進行一定的演繹歸納才能得出結論的題目。

【例5】（2022年全國甲卷）21.地面上方某區域存在方向水平向右的勻強電場，將一帶正電荷的小球自電場中Р點水平向左射出。小球所受的重力和電場力的大小相等，重力勢能和電勢能的零點均取在Р點。則射出后，（" ）。

A.小球的動能最小時，其電勢能最大

B.小球的動能等于初始動能時，其電勢能最大

C.小球速度的水平分量和豎直分量大小相等時，其動能最大

D.從射出時刻到小球速度的水平分量為零時，重力做的功等于小球電勢能的增加量

學生需要利用題目中的“所受的重力和電場力的大小相等”及零勢面選取的條件，分析小球做類平拋運動時豎直速度分量為0、水平速度分量為0等幾個特殊點，并結合類平拋運動的特點對小球的運動過程涉及的能量進行動態分析演繹才能解答本題。雖然本題的情境是學生非常熟悉的學習探索情境——類平拋運動，但是題目提問的角度新穎，涉及知識的遷移應用和對相關內容尤其是對機械能部分內容的合理拓展，學生需要對整個過程進行運動、受力、能量的分析演繹，故本題屬于抽象拓展結構層次。

【例6】（2021年全國甲卷）24.如下頁圖5，一傾角為θ的光滑斜面上有50個減速帶（圖中未完全畫出），相鄰減速帶間的距離均為 d，減速帶的寬度遠小于 d；一質量為 m 的無動力小車（可視為質點）從距第一個減速帶 L 處由靜止釋放。已知小車通過減速帶損失的機械能與到達減速帶時的速度有關。觀察發現，小車通過第30個減速帶后，在相鄰減速帶間的平均速度均相同。小車通過第50個減速帶后立刻進入與斜面光滑連接的水平地面，繼續滑行距離 s 后停下。已知小車與地面間的動摩擦因數為μ，重力加速度大小為g。

（1）求小車通過第30個減速帶后，經過每一個減速帶時損失的機械能；

（2）求小車通過前30個減速帶的過程中在每一個減速帶上平均損失的機械能；

（3）若小車在前30個減速帶上平均每一個損失的機械能大于之后每一個減速帶上損失的機械能，則L應滿足什么條件？

本題屬于運動學能量綜合題目，學生解答本題時需要在這個日常生活中常見的減速帶情境中聯系“小車通過第30個減速帶后，在相鄰減速帶間的平均速度均相同”這個條件，本題不僅考查了運動學、機械能等多個知識點，綜合程度較高，而且減速帶中抽取運動學模型屬于知識的遷移和應用。本題情境新穎，條件和提問形式靈活，涉及物理知識的遷移、應用，以及對運動學、機械能內容的合理拓展，對學生分析推理與演繹歸納等能力要求較高，故本題屬于抽象拓展結構層次。

這個層次的高考題，體現的是高考“四翼”中的“學以致用”和“創新性”要求。這些題目強調考試內容與理論知識的學習、實踐應用緊密聯系，通過創設陌生情境、新穎的問題，考查考生與創新密切相關的能力和素養，如獨立思考能力、發散思維、逆向思維等，鼓勵考生擺脫思維定式的束縛。

二、教學建議

通過上文對高考真題的分析我們可以看到，涉及機械能部分的高考真題考查對應SOLO分類理論的后三個層次。我們把思路轉回到高中物理的實際教學中則會發現，如果我們能夠按照SOLO分類理論將教學過程進行整合為：梳理學情、設計概念教學、設計例題和課堂練習、設置拓展挑戰以及設置對比總結等五個環節，這樣的教學不但能考慮到學生實際學習會經歷但物理高考不會單獨考查的前結構層次、單點結構層次，而且使得教學分層明確，可觀察性、可操作性強。

下面筆者以人教版物理必修 2《機械能守恒定律》一章的新課教學為例闡述如何根據SOLO分類理論設計新課教學。

（一）梳理學情

這一環節能使教師掌握大多數學生對相關知識點的認識情況，對應的是前結構層次。在 SOLO 分類理論中，處于前結構層次的表現是“無法理解和解決問題，只提供一些邏輯混亂、沒有論據支撐的答案”。雖然學生在課堂學習之前可能處于不同的層次，但教師在課前利用問卷或提問的方式掌握學生在什么知識點上仍屬于前結構層次，或者說掌握針對各個知識點處于哪個層次的學生最多，這是教學設計非常重要的起點。

比如，教學本章第1節“功和功率”，不同層次班級的學生就有不同的起點。共同點是絕大多數學生都不了解機車兩種啟動方式包括哪兩種，甚至都不知道有機車啟動方式；不同的是，有的班級大部分學生處于“知道了力和物體移動方向同向或反向時如何計算功，以及功率的定義式”的階段，有的班級大部分學生處于“知道了P=Fv”卻不知道公式里的F 和v 在使用的時候要注意什么問題的階段。再比如，學習本章第3節“動能和動能定理”，大部分學生只是“定性地了解了影響動能的因素”，這就為后面的教學設計提供了很好的第一手情報。

（二）概念教學

這一環節能使學生初步學習基本概念和定理定律，對應的是單點結構層次。設計概念教學，其中一個重點是如何設計新課的開始。新課的開始可以是一個吸引學生注意的問題或實驗，比如在進行本章第4節“機械能守恒定律”新課教學時，筆者就曾經嘗試過利用科普類節目里的鐵球實驗引入新課：找一個裝了水的桶吊在教室的門框上，把水桶貼著實驗者的面部開始釋放（實驗者后背貼著墻站立），邀請勇士上臺實驗。

（三）例題講解與課堂練習

這一環節能使學生運用概念和定理、定律解決簡單問題，對應的是多點結構層次。設計例題和課堂練習，重點是幫助學生從了解概念、定理的由來過渡到運用概念與定理，進而在知識體系中生成新知識，提升素養。比如在進行本章第3節“動能和動能定理”的教學時，教師可以創設物理情境，讓學生思考如何推導出合外力對物體做功的表達式，然后引導學生分析、解答教材上的兩道例題；教師在課堂練習中增添利用動能定理解決涉及直線運動中的恒力做功、曲線運動中的恒力做功、瞬時力做功、曲線運動中變力做功（如圓弧軌道中摩擦力對物體做功）等的練習題。

（四）拓展與挑戰

這一環節是使學生運用概念和定理、定律解決綜合性問題，對應的是關聯結構層次。拓展和挑戰是更高層次的學以致用，設計好了還能激發學生的創新潛能，讓學生收獲高層次的成就感。比如教師在設計本章第3節“動能和動能定理”的教學時，可以設置一個挑戰環節，讓學生嘗試挑戰單一物體多過程甚至是多物體多過程的題目；又比如在設計本章第4節“機械能守恒定律”的教學時，教師可以設置一個拓展環節，將判斷常見的兩個物體組成的系統機械能守恒，拓展到判斷更多的物體組成的系統機械能守恒，或者是拓展到判斷兩個物體之間有速度關聯的機械能守恒，等等。

（五）對比與總結

這一環節是引導學生對比新舊知識，發現并總結規律，提出新問題，對應的是抽象拓展結構層次。設計對比、總結環節是為了幫助學生將學科核心素養提升到更高水平。比如，第1節“功與功率”的設計中可以加入這幾個問題：對比初中階段和高中階段判斷一個力是否做功、做正功還是做負功的方法有什么不同？你更喜歡哪個？我們在必修1學過用圖像表示運動，你是否可以用 v-t圖、P-t圖將機車啟動問題中的兩種方式表示出來？在第2節“重力勢能”的設計中針對教材簡單介紹另一個勢能——彈性勢能的情況，提問學生：我們利用重力做功定義了重力勢能，那么我們是否可以設計一個情境，推導輕彈簧彈力做功，進而找出彈性勢能表達式？教學第3節“動能和動能定理”時，可以讓學生思考：同一個問題，是否既可以用機械能守恒定律求解，又可以用牛頓運動定律求解？可以的話，哪種方法更方便？不可以的話，原因是什么？在第4節“機械能守恒定律”的設計中加入一個問題：是不是所有能用機械能守恒定律求解的問題都可以用動能定理求解？等等。

筆者經過實踐發現，根據 SOLO 分類理論重新整合教學過程，可以在課堂上快速地幫助學生厘清學習和知識生成之間的關系，幫助學生從前結構層次開始一步一步地達到高考考查要求的層次，切實提升他們的物理學科核心素養。

參考文獻

[1][澳]約翰·彼格斯，凱文·科利斯.學習質量評價：SOLO分類理論可觀察的學習成果結構[M].高凌飚，張洪巖，譯.北京：人民教育出版社，2010.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

作者簡介：丘珺，廣西陸川人，高級教師，主要研究方向為基礎物理教育；黃洪智，廣西扶綏人，一級教師，主要研究方向為基礎物理教育。