SOLO理论视域下的高考实验能力分析
2023-05-10 14:56:27摘 要：在SOLO理论简要介绍的基础上，对2014年江苏高考实验题进行了试题能力和考生能力分析，构建了高考实验试题能力分类的标准。
关键词：SOLO理论；高考实验能力；分类评价
高考的能力立意是新课程的内在需求，高考物理在考查知识的同时，注重考查能力，并把能力的考查放在首要位置，其中实验与探究能力是高考物理考查的五大能力之一，如何评价学生的实验能力一直是关注的热点。SOLO理论正是一种用来研究学生思维水平层次的评价理论。本文试图用SOLO理论来分析高考实验试题和考生的能力层次，期望对高中实验教学和评价产生一定的影响。
一、SOLO理论简介
SOLO理论的基本理念源于皮亚杰的认知发展阶段论。皮亚杰的认知发展阶段论指出，儿童在成长的过程中认知发展是有阶段性的，不同阶段之间的认知水平有质的区别。澳大利亚教育心理学家Biggs等人通过研究发现人的认知不仅在总体上具有阶段性的特点，对具体知识的认知过程也具有阶段性的特征。他指出，一个人回答某个问题时所表现出来的思维结构，与这个人总体的认知结构是没有直接关联的。一个人的总体认知结构是一个纯理论性的概念，是不可检测的。而一个人回答某个问题时所表现出来的思维结构却是可检测的，Biggs称之为“可观察的学习成果的结构(Structure of theObserved Learning Outcome，英文缩写SOLO)”，形成了SOLO分类评价理论。
根据学习者在解决学习任务时表现的不同，该理论将学习成果由低到高划分为如下五个层次：（1）前结构：处于这一结构层次的学生基本上没有所面对问题的简单知识，或为以前所学的无关知识所困扰，找不出任何解决问题的办法，回答问题逻辑混乱，或同义反复。（2）单点结构：学生关注题干中的相关内容并找到了一个解决问题的办法，但只能联系单一事件，找到一个线索就立即跳到结论上去。（3）多点结构：学生找到越来越多的正确的相关特征，能联系多个孤立事件，但还没有能将它们进行有机整合的能力。（4）关联结构：学生会整合各部分内容而使其成为一个有机整体，表现为能回答或解决较为复杂的具体问题。（5）拓展抽象结构：学生会归纳问题以学习更多的抽象知识，结论具有开放性，使得问题本身的意义得到拓展，这代表一种更高层次的学习能力，这一层次的学生表现出更强的钻研和创造意识。[1]
Biggs用图1清楚地表明了上述五种结构层次的递进关系。[2]单点结构水平和多点结构水平主要表征学生学习的数量特征；关联结构水平和拓展抽象水平则侧重表征学生学习的结构即质量特征。[3]
二、高考实验能力分析
2014年江苏高考实验试题具有探究性和开放性的特点，在问题的设计上层层递进，考查了考生多层次的实验能力。
[例1]（第10题）某同学通过实验测量一种合金的电阻率。
（1）用螺旋测微器测量合金丝的直径。为防止读数时测微螺杆发生转动，读数前应先旋紧如图2所示的部件 (选填“A”、“B”、“C”或“D”)。从图中的示数可读出合金丝的直径为 mm。
（2）如图3所示是测量合金丝电阻的电路，相关器材的规格已在图中标出。合上开关，将滑动变阻器的滑片移到最左端的过程中，发现电压表和电流表的指针只在图示位置发生很小的变化。由此可以推断：电路中 (选填图中表示接线柱的数字)之间出现了 (选填“短路”或“断路”)。
图2 图3
（3）在电路故障被排除后，调节滑动变阻器，读出电压表和电流表的示数分别为2. 23V和38mA，由此，该同学算出接入电路部分的合金丝的阻值为58. 7Ω。为了更准确地测出合金丝的阻值，在不更换实验器材的条件下，对实验应作怎样的改进? 请写出两条建议。
分析本题第（1）问属于单点结构层次问题。第一格考查的是实验操作的细节，命题者让考生在尺架A、锁紧手柄B、旋钮C和微调旋钮D中选择能使测杆固定的部件，颇有“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的意境。第二格考查了螺旋测微器的读数，并会用有效数字表达测量的结果。
第（2）问属于关联结构层次问题。考查了考生根据电路图和实验现象进行故障分析的能力。由图3可以看出电压表读数接近电源电动势，说明接线柱11和1、接线柱12和10之间的电路是通的，而电流示数为零，则接线柱7和9之间出现了断路。
第（3）问也属于关联结构层次问题。题目要求在不更换实验器材的条件下，答出更准确地测出合金丝阻值的两条改进建议。考生要能够意识到试题实际上要求的是在现有条件下减小误差的建议。误差分为系统误差和偶然误差，减小偶然误差的常用方法有多次测量取平均值、图像法处理数据。减小系统误差的方法则可以从实验中看到伏安法测电阻存在误差，通过题目中数据可以估算出采用电流表内接法误差小。
在回答第（3）问时，部分考生的思维能力处于前结构层次，机械套用了“采用滑动变阻器分压式接法”的说法。
[例2] （第11题）小明通过实验验证力的平行四边形定则。
（1）实验记录纸如图4所示，O点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置，两弹簧测力计共同作用时，拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点，一个弹簧测力计拉橡皮筋时，拉力F3的方向过P3点。三个力的大小分别为：F1=3. 30N、F2 = 3. 85N和F3= 4. 25 N。请根据图中给出的标度作图求出F1和F2的合力。
（2）仔细分析实验，小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变化，影响实验结果。他用弹簧测力计先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度，发现读数不相同，于是进一步探究了拉伸过程对橡皮筋弹性的影响。
实验装置如图5所示，将一张白纸固定在竖直放置的木板上，橡皮筋的上端固定于O点，下端N挂一重物。用与白纸平行的水平力缓慢地移动N，在白纸上记录下N的轨迹。重复上述过程，再次记录下N的轨迹。
图5 图6
两次实验记录的轨迹如图6所示。过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点，则实验中橡皮筋分别被拉伸到a和b时所受拉力Fa、Fb的大小关系为 。
（3）根据（2）中的实验，可以得出的实验结果有哪些? (填写选项前的字母)
A．橡皮筋的长度与受到的拉力成正比
B．两次受到的拉力相同时，橡皮筋第2次的长度较长
C．两次被拉伸到相同长度时，橡皮筋第2次受到的拉力较大
D．两次受到的拉力相同时，拉力越大，橡皮筋两次的长度之差越大
（4）根据小明的上述实验探究，请对验证力的平行四边形定则实验提出两点注意事项。
分析 江苏省2011年高考曾经考查过该实验，当年的试题也是在经典实验基础上进行了改编，让考生有一种“惊艳”的感觉。今年再次考查该实验有点出乎意料，但该实验设计很漂亮。
第（1）问属于多点结构层次问题。考查了考生利用力的图示和平行四边形定则来处理实验数据的能力，如图7所示。应该说，在高中物理复习中，教师忽视了学生用力的图示来表示力的训练，这一问则对教师的教学提了个醒：要重视学生基本知识和技能的训练。另外，考生容易漏掉标注力的大小。
后三问是建立在小明实验探究新问题基础之上的，要求考生具有较强的实验能力。
第（2）问属于关联结构层次问题。考查的是力的合成与分解和共点力平衡的动态分析，橡皮筋分别被拉伸到a和b时，下端N受到竖直面内的三个力：重物的拉力（等于重物的重力，方向竖直向下）、橡皮筋的拉力（两次力的方向相同）和水平拉力，并处于平衡状态，因为一个力恒定、两个力方向一定，所以两个力的大小也是一定的，即Fa=Fb。
第（3）问也属于关联结构层次问题。考查考生根据图6所反映的实验现象，针对选项逐个构建物理情境，并得出实验结果的能力。根据实验，不能得到橡皮筋的长度与受到的拉力的数量关系，也就不能判断两者成正比，选项A错误；通过第（2）问的分析，Fa=Fb时橡皮筋的长度，选项B正确；如图8所示，用圆规以O点为圆心画弧分别交两轨迹于c、d两点，橡皮筋下端被拉伸到c、d两点时长度相同，橡皮筋拉伸到c点时与竖直方向的夹角大些，通过受力分析知c点对应的拉力较大，选项C错误；如图9所示，过O点作一直线与两轨迹交于e、f两点，根据前面的受力分析，可知橡皮筋下端在e、f两点时水平拉力相等，但较在a、b两点时拉力大，橡皮筋两次的长度之差ef也大于ab，选项D正确。
图8 图9
第（4）问属于拓展抽象结构层次问题。考生首先要能得出小明实验探究的结论：橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变化，并且橡皮筋拉伸越长或所受水平拉力越大橡皮筋弹性变化越大。在此基础上再提出实验注意事项将变得容易：从减少拉伸的次数看，可以选用新橡皮筋；从橡皮筋拉伸长度或所受水平拉力大小与橡皮筋弹性变化的关系看，橡皮筋拉伸不宜过长或拉力不宜过大；从橡皮筋的质量看，可以选用弹性好的橡皮筋；从器材的选用看，甚至可以换用弹性好的弹簧来验证力的平行四边形定则。
第（4）问具有开放性，考生对问题的回答情况，对应于自身的思维水平。考生的回答可做如下划分：（1）前结构层次：多次测量，减小误差；更换更长的橡皮筋；选用不易变形的橡皮筋；拉力要和白纸平行。（2）单点结构层次：选用弹性好的橡皮筋；使用新的橡皮筋；准备多个相同的橡皮筋进行实验；使用拉力相同时伸长长度相同的橡皮筋。（3）多点结构层次：重复实验时，每一次测量都要更换新的橡皮筋。（4）关联结构层次：用适度的力拉橡皮筋题；在橡皮筋弹性限度内施力；橡皮筋不宜拉得过长；橡皮筋拉力和水平拉力角度不宜过大。（5）拓展抽象结构层次：换用弹性好的弹簧。
三、高考实验试题能力分类的尝试
高考考试说明中明确了实验与探究能力的内容，并以试题为载体进行考查，不同的问题考查学生不同层次的能力。我们尝试将相关的能力要求对应到SOLO理论的其中四种能力层次中。通过上述对高考试题的分析，我们以SOLO理论为基础归纳出高考物理实验试题所考查的共性问题，得出了高考物理实验试题的能力要求分类标准，如表1所示，以期提供教师研究高考实验题的新视角。
四、高中物理实验教学和评价的建议
1.根据学生的能力层次，注重因材施教
从2014年江苏高考实验试题，我们可以看到高考将考查各个层次的能力，特别是关联结构层次。教师可以根据学生各自现有的能力层次，搭建下一能力层次的脚手架，引导学生最终到达关联结构层次甚至拓展抽象结构层次。值得一提的是，学生答案的语言组织水平会影响学生能力层次的表现，所以教师不能忽视培养学生用准确的语言评价实验结果、描述实验方案的能力。
2.关注物理自身的学科特点，提升科学素养
物理学是一门建立在实验基础上的自然学科，实验是学生学习物理知识和培养科学能力的重要手段和方式。评价学生时，教师应该突破纸笔测验的局限，鼓励学生提出新问题，通过相关的表现可以观察到学生的思维过程，并开放实验室，引导学生设计实验，澄清疑问，探究新问题，发现物理规律，不断提高学生的实验能力，解决实际问题。
3.研究开放性试题的编制，修正评分标准
《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》的战略主题指出要着力提高学生“勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力”。高考引导着高中的教育教学，着力点体现在高考试题的编制上，开放性的高考试题有利用培养学生的创新精神。根据SOLO理论，学生在一道开放题上的回答能够反映出学生不同的能力层次，建议高考评分时考虑能力层次的差异而赋予学生不同的分值，合理区分开学生知识的数量和质量，这样是否可以更科学地发挥高考的选拔功能，从而解决“高分低能”的问题？
参考文献：
[1]John Biggs.Enhancing teachingthrough constructive alignment[J].Higher Education,1996(3).
[2]冯翠典,高凌飚.现状与反思:SOLO分类法国内应用研究十年.教育测量与评价,2009(11).
[3]吴维宁,朱行建.高中物理新课程学业评价对策研究[J].物理教师,2008(6).
(本文发表于《物理教学》2014年第12期，中国人民大学复印资料《中学物理教与学》全文转载于2015年第6期。)