摘 要：科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，如何通過實驗課培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是教學(xué)的重難點.高考對于教學(xué)具有導(dǎo)向性作用，對于高考試題的分析有助于一線教師把握教學(xué)方向.利用SOLO分類理論對2020年天津卷的實驗試題進(jìn)行思維層次的劃分與分析，明確高考中對實驗試題的考查趨勢，從中得到教學(xué)啟示.

關(guān)鍵詞：SOLO理論;高考;物理實驗;實驗教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）03-0029-03

作者簡介：李靜（1985-），女，天津人，博士，中學(xué)一級教師，研究方向：物理教學(xué)研究.

1 前言

教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出，高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展.科學(xué)探究是物理學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一，課標(biāo)中明確指出科學(xué)探究是基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力.

物理是一門基于觀察和實驗的學(xué)科，實驗有助于學(xué)生深入理解所學(xué)知識，形成物理觀念，同時實驗過程本身也蘊(yùn)含了分析綜合、推理論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維，體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度.因此，實驗是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要途徑，如何通過實驗課培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)是教學(xué)的重難點之一.

高考作為目前人才選拔的重要途徑，對于教師教學(xué)具有導(dǎo)向作用.實驗探究能力是新高考考查的五大能力之一，要求學(xué)生能獨立地完成所要求的實驗，能明確實驗?zāi)康?，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現(xiàn)象，會記錄、處理實驗數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論，能對結(jié)論進(jìn)行分析和評價;能發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并制訂解決方案;能運用已學(xué)過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，包括簡單的設(shè)計性實驗.隨著新課標(biāo)的頒布和新教材的使用，學(xué)生必做實驗的內(nèi)容也進(jìn)行了變化和調(diào)整，明確新課程改革背景下高考實驗題“考什么”和“如何考”有助于一線教師更真切地把握實驗教學(xué)的方向，深入思考“教什么”和“如何教”，進(jìn)而使得課堂教學(xué)更有方向更高效.

2 SOLO分類理論

SOLO分類理論是教育心理學(xué)家比格斯及其同事在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論的基礎(chǔ)上提出的以等級描述為主要特征的質(zhì)性評價方法.SOLO分類理論基于學(xué)生對問題的回答，以學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量為研究起點，將學(xué)生“可觀察的學(xué)習(xí)成果” 分為由淺入深的五個層次： 前結(jié)構(gòu)、單點結(jié)構(gòu)、多點結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展抽象結(jié)構(gòu).比格斯借助圖像形象地呈現(xiàn)了上述五種層次的遞進(jìn)關(guān)系，并對不同層次學(xué)生的水平特征進(jìn)行了闡述.

處于前結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生，不能形成對問題的理解，對問題的回答邏輯混亂或同義反復(fù);處于單點結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生知識和思路單一，僅根據(jù)一個信息或線索得出結(jié)論;處于多點結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生能處理多個信息，提供解決問題的多種思路，但各個思路之間彼此獨立，不能融會貫通;處于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生能將各種可用的信息聯(lián)系起來，形成一個整體，能夠處理綜合性的復(fù)雜問題;處于拓展抽象結(jié)構(gòu)層次的學(xué)生能夠綜合利用多個信息并在此基礎(chǔ)上對問題進(jìn)行歸納，且得出的結(jié)論可能不唯一，并能對相關(guān)知識進(jìn)行應(yīng)用和遷移，使問題本身的意義得到拓展.前三個層次主要體現(xiàn)“量”的積累，而后兩個層次追求“質(zhì)”的提升.SOLO分類理論能夠考查學(xué)生的能力層次，而高考作為選拔性考試，其試題也要體現(xiàn)合理的層次結(jié)構(gòu)，這兩個層次存在著對應(yīng)關(guān)系.因此利用SOLO分類理論對高考試題進(jìn)行研究，可以明確高考對學(xué)生思維能力評價的方向，為教師教學(xué)提供依據(jù)和啟示.

新課程標(biāo)準(zhǔn)中對科學(xué)探究這一核心素養(yǎng)進(jìn)行了五個水平的劃分，表1給出了這五個水平與SOLO理論之間的對應(yīng)關(guān)系.

3 試題分析

例題1 （2020年天津卷 9題）某實驗小組利用圖2所示裝置測定平拋運動的初速度.把白紙和復(fù)寫紙疊放一起固定在豎直木板上，在桌面上固定一個斜面，斜面的底邊ab與桌子邊緣及木板均平行.每次改變木板和桌邊之間的距離，讓鋼球從斜面頂端同一位置滾下，通過碰撞復(fù)寫紙，在白紙上記錄鋼球的落點.

（1）為了正確完成實驗，以下做法必要的是.

A.實驗時應(yīng)保持桌面水平

B.每次應(yīng)使鋼球從靜止開始釋放

C.使斜面的底邊ab與桌邊重合

D.選擇對鋼球摩擦力盡可能小的斜面

（2）實驗小組每次將木板向遠(yuǎn)離桌子的方向移動0.2m，在白紙上記錄了鋼球的4個落點，相鄰兩點之間的距離依次為15.0cm、25.0cm、35.0cm，示意如圖3.重力加速度g=10m/s2，鋼球平拋的初速度為m/s.

（3）圖2裝置中，木板上懸掛一條鉛垂線，其作用是.

本題（1）小問主要考查學(xué)生對于實驗原理和步驟是否清楚，是否會使用儀器，所考查的選項均為分組實驗過程中強(qiáng)調(diào)的注意事項.本小題從不同角度進(jìn)行考查，要求學(xué)生能將各個注意事項綜合起來，對實驗有整體把握，因此屬于多點結(jié)構(gòu)層次.

第（2）小問考查了平拋運動實驗的數(shù)據(jù)處理方法，但本題的實驗過程與學(xué)生在實際操作過程中所采用的方法不同.教材和學(xué)生實驗中采用調(diào)整接球槽的豎直高度的方式記錄數(shù)據(jù)點，而本實驗則是采用調(diào)整木板與桌面間距離的方式.且學(xué)生在實驗過程中通過球心的投影位置確定平拋運動的起點，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法是利用水平和豎直位移計算初速度.而本題則需要學(xué)生在常規(guī)實驗理解的基礎(chǔ)上，依賴于對材料的創(chuàng)造性解讀，對實驗和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行創(chuàng)造性遷移與運動，因此本題屬于拓展抽象結(jié)構(gòu)層次.

第（3）小問考查鉛垂線的作用，試題本身難度并不高，但由于需要學(xué)生進(jìn)行文字描述，這就對學(xué)生的文字理解和表達(dá)能力提出了一定的要求，因此本題屬于多點結(jié)構(gòu)層次.

例題2 （2020年天津卷 10題）某實驗小組選用以下器材測定電池組的電動勢和內(nèi)阻，要求測量結(jié)果盡量準(zhǔn)確.

電壓表（量程0-3V，內(nèi)阻約為3kΩ）

電流表（量程0-0.6A，內(nèi)阻約為1Ω）

滑動變阻器（0-20Ω，額定電流1A）

待測電池組（電動勢約為3V，內(nèi)阻約為1Ω）

開關(guān)、導(dǎo)線若干

（1）該小組連接的實物電路如圖4所示，經(jīng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)電路中有一條導(dǎo)線連接不當(dāng)，這條導(dǎo)線對應(yīng)的編號是.

（2）改正這條導(dǎo)線的連接后開始實驗，閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片P應(yīng)置于滑動變阻器的端（填“a”或者“b”）.

（3）實驗中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)滑動變阻器時，電流表讀數(shù)變化明顯但電壓表讀數(shù)變化不明顯.為了解決這個問題，在電池組負(fù)極和開關(guān)之間串聯(lián)一個阻值為5Ω的電阻，之后該小組得到了幾組電壓表讀數(shù)U和對應(yīng)的電流表讀數(shù)I，并作出U-I圖像，如圖4所示.根據(jù)圖像可知，電池組的電動勢為V，內(nèi)阻為Ω（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）.

本題第（1）小問考查測定電源電動勢和內(nèi)阻實驗中電流表“內(nèi)接法”和“外接法”的合理運用.本小題的正確作答需要學(xué)生能識別實物圖，結(jié)合題中所給數(shù)據(jù)對兩種不同接法所對應(yīng)的實驗誤差進(jìn)行比較分析，屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次.

第（2）小問從操作層面考查了限流式接法中滑動變阻器的使用方法，考查內(nèi)容單一，屬于單點結(jié)構(gòu)層次.

第（3）小問考查實驗的數(shù)據(jù)處理，本題中給出了問題以及解決問題的方案，要求學(xué)生能夠根據(jù)實驗電路和原理，并結(jié)合電源的U-I圖像分析出斜率所對應(yīng)的內(nèi)阻是電源內(nèi)阻和5Ω電阻串聯(lián)之和，進(jìn)而求出電源內(nèi)阻，并按要求保留有效位數(shù).學(xué)生正確作答需要處理綜合性的問題，因此本題屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次.

通過上述分析可以看出，力學(xué)實驗要求的思維水平較高，而電學(xué)實驗的要求相對較低，總體仍然以多點結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次的考查為主.

4 教學(xué)啟示

結(jié)合SOLO分類理論對高考試題的分析發(fā)現(xiàn)，實驗題所考查的水平層次全面，對學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)思維能力要求較高.基于此，筆者對實驗教學(xué)的課堂實施提出以下幾點思路.

4.1 單點和多點結(jié)構(gòu)層次試題：回歸教材，經(jīng)歷科學(xué)探究過程

教材是高考命題的重要參考依據(jù)，也是教師教學(xué)的重要載體.如2020年所考查的平拋運動實驗，教材在參考案例中給出了高考題所涉及的數(shù)據(jù)處理方法，教材中提示：“根據(jù)步驟1 得出的平拋運動在豎直方向分速度隨時間變化的規(guī)律，設(shè)法確定“相等的時間間隔”.再看相等的時間內(nèi)水平分運動的位移，進(jìn)而確定水平分運動的規(guī)律.”這也體現(xiàn)了高考依據(jù)教材出題的思路，因此教師在設(shè)計實驗課時，一定研讀教材，深入學(xué)習(xí).

單點和多點結(jié)構(gòu)層次的習(xí)題通常從實驗操作和注意事項的角度，以選擇題的形式呈現(xiàn)，學(xué)生的正確解答需建立在對實驗原理的理解基礎(chǔ)上.讓學(xué)生動手實驗，經(jīng)歷科學(xué)探究的一般過程，是促進(jìn)深度理解的有效手段，也有助于學(xué)生綜合能力的提升.

4.2 關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次試題：由點到面，開展單元整合教學(xué)

學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的形成并不能靠知識的簡單疊加，而是各種學(xué)習(xí)要素匯聚而成的有機(jī)整體.因而，從多點結(jié)構(gòu)層次向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次過渡，靠傳統(tǒng)的單一實驗講解是很難達(dá)到的，反而會導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)知識缺乏全局性認(rèn)知，無法建立知識之間的系統(tǒng)聯(lián)系.基于單元整合開展實驗教學(xué)，是擺脫逐一落實知識點，轉(zhuǎn)向從整體觀念把握所學(xué)內(nèi)容的有效途徑.

如“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”的實驗裝置，還可以用于研究哪些實驗？在這些實驗中，都需要用到天平嗎？都需要進(jìn)行“平衡摩擦力”的操作嗎？都要求滿足“所掛鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量”的條件嗎？這樣的教學(xué)可以引導(dǎo)學(xué)生跳出單一視角，從實驗?zāi)繕?biāo)和原理出發(fā)，通過對比分析找出各實驗之間的關(guān)聯(lián)與差異，加深對實驗步驟和實驗條件的深層次理解，從而使得學(xué)生的思維層次從多點結(jié)構(gòu)向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)展.

4.3 拓展抽象結(jié)構(gòu)層次試題：提煉方法，培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)

在實驗教學(xué)中，可以通過以某一“思想方法”作為單元主題開展教學(xué)，教師通過創(chuàng)設(shè)“拓展遷移情境”，引導(dǎo)學(xué)生有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想.如在“測量做直線運動物體的瞬時速度”“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”“驗證機(jī)械能守恒定律”“用單擺測量重力加速度的大小”以及“測量電源的電動勢和內(nèi)阻”等諸多實驗中都采用了一次函數(shù)圖像法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.物理圖像是對事實進(jìn)行解釋的重要形式，利用一次函數(shù)方法的關(guān)鍵是將情境轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理過程，利用物理規(guī)律寫出橫縱坐標(biāo)所表示的物理量之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合圖像的斜率、面積等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

4.4 在作業(yè)設(shè)置上

可以基于SOLO分類理論設(shè)計實驗練習(xí)題，用于學(xué)生學(xué)習(xí)水平的診斷，有助于教師把握教學(xué)效果.

參考文獻(xiàn)：

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[3]鄒佳晨，李興華，孫永茂.基于SOLO分類理論的高考物理試題分析[J].物理通報，2016（12）：116-118+120.

（收稿日期：2020-12-01）