SOLO 分类理论指导下的试题分析与教学策略——以“2021 年全国甲卷物理实验试题”为例
原创 董友军 何芷颜 等 物理与工程
摘 要
SOLO 分类理论把学生思维结构由浅到深分为前结构层次、单点结构层次、多点结构层次、关联结构层次、抽象扩展结构层次，其中前三个层次体现“量”的积累，后两个层次追求“质”的提升。在 SOLO 分类理论指导下，构建 SOLO 层次与科学探究水平的对应关系，分析“2021 年全国甲卷物理实验试题”，并提出四点教学策略，即用“一量多选”突破单点结构试题，用“原理为本”突破多点结构试题，用“以点带面”突破关联结构试题，用“方法中心”突破抽象扩展结构试题。
关键词 SOLO 分类理论；科学探究水平；全国甲卷；实验试题
Abstract SOLO classification theory divides students' thinking structure from shallow to deep into pre structure level, single point structure level, multi-point structure level, correlation structure level and abstract expansion structure level. The first three levels reflect the accumulation of “quantity”, and the latter two levels pursue the improvement of “quality”. Under the guidance of SOLO classification theory, this paper constructs the corresponding relationship between SOLO level and scientific inquiry level, analyzes the “national physics experiment questions in volume a in 2021”, and puts forward four teaching strategies, that are, breaking through single point structure questions with “one quantity and multiple choices”, breaking through multi-point structure questions with “principle based”, breaking through correlation structure questions with “point to area”, and breaking through the abstract extended structure test questions with “method center”.
科学探究是物理学科重要的核心素养，它包括问题、证据、解释、交流等要素[1]。全国甲卷是指广西区、云南省、贵州省、四川省、西藏区使用的高考物理试卷。在高考物理试卷中，主要通过实验试题来考查学生科学探究素养。本文在 SOLO 分类理论指导下，分析 2021 年全国甲卷高考物理实验试题，并提出实验教学策略。
1 SOLO 分类理论的简介
SOLO 分类理论是教育心理学家约翰·彼格斯（John B.Biggs）提出的学习质量评价理论[2]。SOLO 是英文“structure of the observed learning outcome”的缩写，意为“可观察的学习成果结构”。SOLO 分类理论是以皮亚杰发展阶段论为基础建立起来，融合了现代心理学研究的优秀成果，形成了严格完整的理论形态。SOLO 分类理论指出，学生解答问题时所表现出来的思维结构是可以检测的，其检测焦点不是回答问题的“量”而是回答问题的“质”。依据学生回答问题呈现的结果，SOLO 分类理论把学生思维结构由浅到深分为五个层次：前结构层次、单点结构层次、多点结构层次、关联结构层次、抽象扩展结构层次（见图 1）。其中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。
前结构层次是指学生用一些与问题不相关的素材进行回答；单点结构层次是指学生用一项与问题相关的素材进行回答；多点结构层次是指学生用多项与问题相关的素材进行回答，但多项素材彼此相互独立、没有相互融合，能够处理简单问题；关联结构层次是指学生用多项与问题相关的素材进行回答，但多项素材彼此联系起来、形成一个整体，能够处理复杂问题；抽象扩展结构层次是指学生将多项与问题相关素材综合分析、归纳抽象出新的假设，并对相关知识进行应用迁移、促使问题的意义得到扩展，具有更加广泛的普遍意义。2 SOLO 层次与科学探究水平的对应关系
高考物理试题要求学生成绩具有合适的区分度，而 SOLO 分类理论可以测评学生思维结构的不同层次，因此它们之间隐藏着某种对应关系。
根据问题情境的复杂程度、知识和技能的结构化程度、思维方式或价值观念的综合程度等，高中物理学业质量划分为五级不同水平，且每一级水平皆包含物理学科核心素养的 4 个方面[3]。高中物理学业质量五级水平，是教师命题和评价的重要依据，也是高中学业水平考试命题的重要依据。其中学业质量水平 2 是 “学考”的命题依据，学业质量水平 4 是 “高考”的命题依据[4]。
新课程标准把科学探究划分为 5 级不同水平，本文构建 SOLO 层次与科学探究水平的对应关系，如表 1 所示[5]。
3 SOLO 分类理论指导下的试题分析全国甲卷物理实验题共计两题：第 1 个实验题为力学实验，有两个设问，一个设问为单点结构层次，用一个公式就解决问题，比较易；一个设问为抽象拓展结构，需要用到个物理知识和物理规律才可以解决问题，思维跨度大，比较难；第 2 个实验题为电学实验，设问没有单点结构层次，关联结构层次较多，最后两个设问为抽象拓展结构层次，主要考查物理知识的综合应用和物理方法的灵活迁移，题目难度较大。其设问的 SOLO 层次如表 2 所示。
【9题】为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数，一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上，形成一倾角为 α 的斜面（已知 sinα=0.34，cosα=0.94），小铜块可在斜面上加速下滑，如图 a 所示。该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程，然后解析视频记录的图像，获得 5 个连续相等时间间隔（每个时间间隔 ΔT=0.20s）内小铜块沿斜面下滑的距离 si（i=1，2，3，4，5），如下表 a 所示。
由表中数据可得，小铜块沿斜面下滑的加速度大小为 m/s2，小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为 。（结果均保留 2 位有效数字，重力加速度大小取 9.80m/s2）设问1.1 是求加速度大小 a。由“逐差法”求加速度公式
，代入已知数据可得 a=0.429m/s2，而题目要求“结果均保留 2 位有效数字”，故小铜块沿斜面下滑的加速度大小为 0.43m/s2。本设问只是“对数据进行初步整理”，属于单点结构层次。
设问1.2 是求动摩擦因数 μ。对小铜块受力分析，受到重力 G=mg、支持力 F1、滑动摩擦力 f；把重力 G=mg 分解为平行斜面分力 G1=mg sinα、垂直斜面分力 G2=mg cosα，由于小铜块垂直斜面方向处于平衡状态，则支持力 F1=G2=mg cosα；因为压力 F2 与支持力 F1 是相互作用力，所以有 F2=F1，故摩擦力 f=μF2=μF1=μmg cosα；由牛顿第二定律有 G1 - f = ma，可得
；代入数据得 μ=0.315，由题目要求“结果均保留 2 位有效数字”，得到小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为 0.32。本设问需要对小铜块进行受力分析、记住重力和动摩擦力公式、对重力进行正交分解、应用二力平衡规律、牛顿第二定律、牛顿第三定律，才可以得到正确结论，即“能用多种方法分析数据，发现规律，形成合理的结论，用已有的物理知识进行科学解释”，属于抽象扩展结构层次。
【10题】某同学用图（a）所示电路探究小灯泡的伏安特性，所用器材有：小灯泡（额定电压 2.5V，额定电流 0.3A）、电压表（量程 300mV，内阻 300Ω）、电流表（量程 300mA，内阻 0.27Ω）、定值电阻 R0、滑动变阻器 R1（阻值 0~20Ω）、电阻箱 R2（最大阻值 9999.9Ω）、电源 E（电动势 6V，内阻不计）、开关 S、导线若干。
完成下列填空：（1）有 3 个阻值分别为 10Ω、20Ω、30Ω 的定值电阻可供选择，为了描绘小灯泡电流在 0~300mA 的 U-I 曲线，R0 应选取阻值为 Ω 的定值电阻；
（2）闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的 （填“a”或“b”）端；
（3）在流过电流表的电流较小时，将电阻箱 R2 的阻值置零，改变滑动变阻器滑片的位置，读取电压表和电流表的示数 U、I，结果如图（b）所示。当流过电流表的电流为 10mA 时，小灯泡的电阻为 Ω（保留 1 位有效数字）；
（4）为使得电压表满量程时对应于小灯泡两端的电压为 3V，该同学经计算知，应将 R2 的阻值调整为 Ω。然后调节滑动变阻器 R1，测得数据如下表 a 所示：
（5）由图（b）和表 a 可知，随流过小灯泡电流的增加，其灯丝的电阻 （填“增大”“减小”或“不变”）；
（6）该同学观测到小灯泡刚开始发光时流过电流表的电流为 160mA，可得此时小灯泡电功率 P1= W（保留 2 位有效数字）；当流过电流表的电流为 300mA 时，小灯泡的电功率为 W2，则
（保留至整数）。
由于力学实验已经分析了单点结构、抽象扩展结构，所以电学实验只选取分析多点结构层次设问 2.2、关联结构层次设问 2.3
设问 2.2 是二选一的选择填空。要正确选择 a，需要看懂滑动变阻器“分压式”连接的电路结构，才能使闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的 a 端时，让滑动变阻器滑片电路分得的电压为 0V，即“能根据已有的科学探究方案，使用基本的器材获得数据”，属于多点结构层次。
设问 2.3 是求小灯泡电阻。根据 U-I 图像意义，由于“将电阻箱 R2 的阻值置零”，则图像某点的倾斜度表示小灯泡与电压表并联的电阻，即 R并=
，代入数据得 R并=7Ω。根据并联电阻的关系
，代入数据得 R小灯泡=7.167Ω。由题目要求“保留 1 位有效数字”，可得小灯泡的电阻为 7Ω。本设问用到串联电路规律、并联电路规律、部分电路欧姆定律、U-I 图像倾斜度，即“能分析数据，发现其中规律，形成合理的结论，用已有的物理知识进行解释”，属于关联结构层次。
4 SOLO 分类理论指导下的教学策略策略是指根据形势发展而制定的行动方针和斗争方式[6]。教学策略是在特定教学情境中，为完成教学目标和适应学生认知需要，而制定的教学程序计划和采取的教学实施措施[7]。根据以上试题分析，本文在 SOLO 分类理论指导下，对实验教学提出以下 4 点教学策略。
4.1 用“一量多选”突破单点结构试题
所谓“一量多选”，是指测量一个物理量，根据实验精度要求，比较不同器材优势，选用多种器材进行测量。器材是物理实验的基础，没有器材就没有实验。做实验离不开器材的选取与使用，测量同一个物理量，选用多种器材，不仅可以促使知识更加完整，还可以培养学生发散思维[8]。如设问 1.1，要测长度，若要求精确到 1mm 可以选用刻度尺；若要精确到 0.1mm 可以选择 10 分度游标卡尺；若要精确到 0.05mm 可以选择 20 分度游标卡尺；若要精确到 0.02mm 可以选择 50 分度游标卡尺；若要精确到 0.01mm 可以选择螺旋测微器。若精确度要求不高，且要求快速、即时测量，可以选用位移传感器、声呐、雷达等高科技测量工具。通过运用不同的测量工具，既可以熟悉各种器材操作规范，也可以拓宽学生视野，从而突破单点结构试题。
4.2 用“原理为本”突破多点结构试题
原理是指实验所用到的规律或公式。原理是物理实验的核心，是创新实验的出发点，也是解决问题的归宿点[9]。问题的来源是从原理中来，解决问题的方法要回到原理中去。所以老师在实验教学过程中，要以原理为本，由原理去选取器材、组合装置、确定步骤、处理数据、分析误差等。如设问 1.1，用 Δx=x2-x1=at 2 测量加速度，就始终围绕该公式去分析问题和解决问题。学生抓住了实验原理，就抓住了实验本质，无论怎么考查，只要从原理上去思考，就找到了解题方向，突破了多点结构试题。
4.3 用“以点带面”突破关联结构试题
所谓“以点带面”，是指通过一个知识点，带动整个知识面，让知识成为一个整体。通过以点带面，既有利于已有知识的理解深化，也有利于头脑中的新旧知识发生相互作用。整体化的知识也是理解新知识的有力工具，还有利于扩大认识潜力，用深入联系的眼光看待事物。知识之间总是相互联系，通过以点带面，让知识之间的联系清晰化，有助于学生灵活应用物理知识，突破关联结构试题。如电学实验，“探究小灯泡的伏安特性”，可以整合相关的电压、电流、电阻、电热、电功率知识，如表 3 所示。
4.4 用“方法中心”突破抽象扩展结构试题方法是指科学方法，即人们在认识和改造世界中遵循并符合科学原则的各种途径或手段，包括在科学活动中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。“方法中心”是指实验教学要以科学方法为中心，构建知识逻辑结构（见图 2）[10]。自然现象通过科学方法得到物理知识，物理知识通过科学方法得到函数关系，函数关系通过科学方法得到拓展应用，科学方法把自然现象、科学知识、函数关系、拓展应用联结起来，处于整个物理教学关系的中心。科学方法分为思维方法和学科方法[11]。学科方法包括获得知识的方法和应用知识的方法，属于强认知方法，体现学科特点，可迁移性弱；思维方法包括逻辑思维方法和非逻辑思维方法，属于弱认知方法，贯穿各门学科，可迁移性强。高考实验题，来源教材，但又超越教材，即解决高考实验题，都能从教材的实验受到解题启发，获得解题方法。所以教师在实验教学时，必须认真完成教材所有实验，包括学生实验和演示实验，既要向学生讲清实验本身的原理，也要向学生介绍实验器材的原理，既要要求学生动手操作实验过程，也要要求学生掌握数据处理方法。如设问 1.2，要做出本设问，就要掌握平行四边形法、二力平衡法、牛顿第二定律法、保留有效数字法等方法，可以得出正确结果。通过方法的总结归纳，让学生掌握方法的一般性规律，实现方法迁移，突破抽象扩展结构试题。
5 结语本文在 SOLO 分类理论指导下，分析了 2021 年全国甲卷高考物理实验试题，既可以让一线物理教师明确高考实验试题“考什么”和“如何考”，也可以让一线物理教师思考“教什么”和“如何教”，从而提升一线物理教师实验教学的针对性、高效性。
参考文献
[1][3][4][5]中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准[M]. 2017年版. 北京: 人民教育出版社, 2018: 5, 48, 45, 79.
[2]BIGGS J B, COLLIS K F. 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, 2018: 27-28.
[6]中国社会科学院语言研究所词典编辑室. 现代汉语词典[M]. 7版. 北京: 商务印书馆, 2016: 132.
[7]闫金铎, 郭玉英. 中学物理教学概论[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2019: 38.
[8]董友军, 彭欢, 熊宏华. 突出创新思维，考查核心素养——评“八省联考”物理实验题[J]. 物理实验, 2021, 3: 59-62.
DONG Y J, PENG H, XIONG H H. Highlight innovative thinking and examine core literacy—Comment on the physics experiment question of “eight provinces joint examination”[J]. Physics Experiment, 2021, 3: 59-62. (in Chinese)
[9]董友军, 翟春城. 基于物理学科核心素养的实验教学模型与实践路径[J]. 中学物理教与学, 2021, 2: 45-50.
DONG Y J, ZHAI C C. Experimental teaching model and practice path based on physics core literacy[J]. Middle School Physics Teaching and Learning, 2021, 2: 45-50. (in Chinese)
[10][11]邢红军. 物理教学论[M]. 北京: 北京大学出版社, 2015: 159, 175.
基金项目：广东教育学会“十四五”教育科研重点课题（名称：基于学习进阶的高中物理教学设计实践研究；编号：GDESH14002）。
作者简介：董友军，男，北京师范大学广州实验学校中学高级教师，主要从事中学物理教学，研究方向为中学物理教学，dongyoujun55@163.com；何芷颜，女，北京师范大学广州实验学校中学一级教师，主要从事中学物理教学，研究方向为中学物理教学；翟春城，男，北京师范大学广州实验学校中学高级教师，主要从事中学物理教学及教学管理，研究方向为中学物理教学及教学管理，zcc62@126.com.cn。
引文格式: 董友军, 何芷颜, 翟春城. SOLO 分类理论指导下的试题分析与教学策略——以“2021 年全国甲卷物理实验试题”为例[J]. 物理与工程, 2022, 32(3): 61-66.
Cite this article: DONG Y J, HE Z Y, ZHAI C C. Analysis of test questions and teaching strategies under the guidance of SOLO classification theory—Take “National Volume A Physics Experiment Test in 2021” as an example[J]. Physics and Engineering, 2022, 32(3): 61-66. (in Chinese)
END
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原标题：《SOLO 分类理论指导下的试题分析与教学策略——以“2021 年全国甲卷物理实验试题”为例》