董友軍,彭 歡,皮飛鵬
(1.北京師范大學(xué)廣州實驗學(xué)校,廣東 廣州 510700;2.廣東番禺中學(xué),廣東 廣州 511483;3.廣州大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510006)
物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個方面. 科學(xué)探究是指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,基于數(shù)據(jù)、信息得出結(jié)論并作出解釋,并在科學(xué)探究過程中對結(jié)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(xué)生的科學(xué)探究能力. 本文依據(jù)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(xué)的方向,深入思考“教什么”和“如何教”,從而使課堂實驗教學(xué)更有方向、更有效率.
可觀察的學(xué)習(xí)成果結(jié)構(gòu)(Structure of the observed learning outcome,SOLO),是教育心理學(xué)家John B.Biggs提出的學(xué)習(xí)質(zhì)量評價理論[2]. SOLO分類理論是在皮亞杰發(fā)展階段論基礎(chǔ)上建立起來的,體現(xiàn)了現(xiàn)代心理學(xué)的研究成果,具有嚴格的理論形態(tài). SOLO分類理論認為,學(xué)生回答某個問題時所表現(xiàn)出來的思維結(jié)構(gòu)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(zhì)”. SOLO分類理論根據(jù)學(xué)生回答問題的結(jié)果,把學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)分為由淺到深5個層次:前結(jié)構(gòu)層次、單點結(jié)構(gòu)層次、多點結(jié)構(gòu)層次、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次、抽象擴展結(jié)構(gòu)層次,如圖1所示.
圖1 SOLO分類理論5個層次
前結(jié)構(gòu)層次是指學(xué)生用一些與問題不相關(guān)的素材進行回答;單點結(jié)構(gòu)層次是指學(xué)生用一項與問題相關(guān)的素材進行回答;多點結(jié)構(gòu)層次是指學(xué)生用多項與問題相關(guān)的素材進行回答,但這些素材沒有關(guān)聯(lián)、彼此獨立;關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次是指學(xué)生將多項與問題相關(guān)的素材聯(lián)系起來,形成一個整體,能夠處理復(fù)雜問題;抽象擴展結(jié)構(gòu)層次是指學(xué)生將多項與問題相關(guān)素材綜合分析,歸納抽象出新的假設(shè),能對相關(guān)知識進行應(yīng)用與遷移,促使問題的意義得到擴展. 前3個層次主要體現(xiàn)“量”的積累,而后2個層次追求“質(zhì)”的提升.
SOLO分類理論能夠評價學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)層次,而高中物理試題需要保證適宜的區(qū)分度,因此它們之間存在一定的對應(yīng)關(guān)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(xué)效率.
學(xué)業(yè)質(zhì)量是學(xué)生在完成本學(xué)科課程學(xué)習(xí)后的學(xué)業(yè)成就表現(xiàn). 高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量根據(jù)問題情境的復(fù)雜程度、知識和技能的結(jié)構(gòu)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(xué)科核心素養(yǎng)的4個方面,主要表現(xiàn)為學(xué)生在不同復(fù)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(xué)業(yè)質(zhì)量分為5個水平,是教師命題和評價學(xué)生的重要依據(jù),也是高中學(xué)業(yè)水平考試命題的重要依據(jù),其中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平2是用于“學(xué)考”的命題依據(jù),學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是用于“高考”的命題依據(jù)[1]. 另外,新課程標準對科學(xué)探究也進行了5個水平的劃分[1],表1給出了學(xué)業(yè)質(zhì)量水平、科學(xué)探究水平與SOLO層次之間的對應(yīng)關(guān)系.
表1 學(xué)業(yè)質(zhì)量水平、科學(xué)探究水平與SOLO層次的對應(yīng)關(guān)系
高考實驗試題的設(shè)問,是按照單點結(jié)構(gòu)、多點結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)、抽象拓展結(jié)構(gòu)循序漸進,并呈現(xiàn)出從易到難趨勢. 首問比較容易,一般是單點結(jié)構(gòu)或多點結(jié)構(gòu);末問比較難,一般是關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)或抽象擴展結(jié)構(gòu). 設(shè)問主要集中在多點結(jié)構(gòu),抽象擴展結(jié)構(gòu)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(xué)生的學(xué)習(xí)負擔(dān),同時引導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生完成所有課標必做實驗,讓學(xué)生經(jīng)歷實驗的完整過程,培養(yǎng)學(xué)生實驗操作能力和創(chuàng)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(xué)策略.
11.某興趣小組測量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數(shù). 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(zhì)量為200 g的鋼球(直徑略小于玻璃管內(nèi)徑)逐個從管口滑進,每滑進一個鋼球,待彈簧靜止,記錄管內(nèi)鋼球的個數(shù)n和彈簧上端對應(yīng)的刻度尺示數(shù)Ln,數(shù)據(jù)如表3所示. 實驗過程中彈簧始終處于彈性限度內(nèi). 采用逐差法計算彈簧壓縮量,進而計算其勁度系數(shù).
表2 設(shè)問的SOLO層次
圖2 題11圖
表3 題11數(shù)據(jù)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(shù)為____N/m(結(jié)果保留3位有效數(shù)字).
分析:
1)設(shè)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(shè)問只是“對數(shù)據(jù)進行初步整理”,屬于單點結(jié)構(gòu)層次.
12.某小組研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律. 根據(jù)實驗需要已選用了規(guī)格和量程合適的器材.
1)先用多用電表預(yù)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(diào)節(jié)歐姆調(diào)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(zhuǎn)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(guān)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(shè)置為T,電阻箱R0調(diào)為某一阻值R01. 閉合開關(guān)S,調(diào)節(jié)滑動變阻器R1,使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到某一位置,記錄此時電壓表和電流表的示數(shù)、T和R01. 斷開開關(guān)S.
再將電壓表與熱敏電阻C端間的導(dǎo)線改接到D端,閉合開關(guān)S. 反復(fù)調(diào)節(jié)R0和R1,使電壓表和電流表的示數(shù)與上述記錄的示數(shù)相同,記錄此時電阻箱的阻值R02,斷開開關(guān)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(guī)律.
分析:
1)設(shè)問1是文字填空“將兩表筆____”. 本設(shè)問的前面“選擇適當?shù)臍W姆擋”與后面“調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕”之間的邏輯性不強,需要學(xué)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(jié)果為“短接”,即“能根據(jù)已有科學(xué)探究方案,使用基本器材獲得數(shù)據(jù)”,屬于多點結(jié)構(gòu)層次.
2)設(shè)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(shè)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(zhuǎn)時,表示電阻減小. 學(xué)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(zhuǎn)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(shè)問,同樣需要學(xué)生親自做過這個實驗,并記住多用電表刻度盤數(shù)據(jù)與指針偏轉(zhuǎn)規(guī)律,才可以填出正確結(jié)果為“減小”,該過程對應(yīng)“能根據(jù)已有科學(xué)探究方案,使用基本器材獲得數(shù)據(jù)”,屬于多點結(jié)構(gòu)層次.
3)設(shè)問3是2選1的選擇填空“閉合開關(guān)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(jié)構(gòu),才能保證在閉合開關(guān)S前,讓滑動變阻器接入電路的電阻值最大,即“能根據(jù)已有科學(xué)探究方案,使用基本器材獲得數(shù)據(jù)”,屬于多點結(jié)構(gòu)層次.
4)設(shè)問4是3選1的選擇填空,設(shè)問5是求熱敏電阻阻值RT的表達式. 要選出設(shè)問4中的正確選項,要先求設(shè)問5. 這需要學(xué)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(lián)規(guī)律,理解電路結(jié)構(gòu),才能夠得出:u=I(RA+R01),u=I(RA+R02+RT),從而求得設(shè)問5的正確答案是RT=R01-R02,進而得出設(shè)問4的正確選項是“大于”. 該過程對應(yīng)“能分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律,形成合理的結(jié)論,用已有物理知識進行解釋”,屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次.
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(xué)策略是指在教學(xué)過程中,為了完成教學(xué)目標,依據(jù)教學(xué)的主客觀條件,特別是學(xué)生的實際情況,對所用的教學(xué)順序、活動程序、組織形式、教學(xué)方法和教學(xué)媒體等的總和[3]. 通俗地說,教學(xué)策略就是教師在各個教學(xué)環(huán)節(jié)所遵循的思想和方法. 根據(jù)對實驗試題的SOLO分類理論分析,本文在實驗教學(xué)方面提出以下教學(xué)策略.
器材是物理實驗的基礎(chǔ),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(tǒng)器材——米尺、卷尺等,也可以選用現(xiàn)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(xué)生熟悉各種器材的操作規(guī)范,也可以拓寬學(xué)生的視野,從而突破單點結(jié)構(gòu)試題.
知識整合也稱知識系統(tǒng)化,即把有關(guān)聯(lián)的知識組合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),既有利于學(xué)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(tǒng)化后不僅有利于學(xué)生理解新知識,還有利于激發(fā)學(xué)生的認知潛力,并能夠培養(yǎng)學(xué)生用深入聯(lián)系的眼光看待事物. 知識之間是相互聯(lián)系的,通過知識整合,讓知識之間的聯(lián)系更清晰,有助于學(xué)生靈活應(yīng)用物理知識,突破關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)試題. 如測量燈泡的伏安特性曲線,可以整合相關(guān)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(guān)系
實驗教學(xué)要以科學(xué)方法中心論為指導(dǎo),構(gòu)建知識邏輯結(jié)構(gòu),如圖4所示,從科學(xué)現(xiàn)象出發(fā),須經(jīng)過科學(xué)方法的加工整理才能獲得科學(xué)知識. 科學(xué)方法是科學(xué)現(xiàn)象通達科學(xué)知識的必經(jīng)之路,學(xué)生只有掌握科學(xué)方法,才能快捷地獲取科學(xué)知識. 科學(xué)方法可分為學(xué)科方法和思維方法. 學(xué)科方法包括獲得知識的方法和應(yīng)用知識的方法,屬于強認知方法,體現(xiàn)學(xué)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(xué)科,可遷移性強. 高考實驗試題,源于教材也高于教材,學(xué)生能從教材的實驗題目中得到解題啟發(fā),找到解題方法. 所以教師在教學(xué)中,要認真完成教材中的所有實驗講授,包括學(xué)生實驗和演示實驗,既要向?qū)W生講授實驗本身的原理,也要向?qū)W生介紹實驗器材的原理;既要求學(xué)生動手操作實驗,也要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)處理方法. 如題11中的設(shè)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(jié)歸納,讓學(xué)生掌握方法的一般性規(guī)律,實現(xiàn)方法遷移,從而突破抽象擴展結(jié)構(gòu)試題.
圖4 知識邏輯結(jié)構(gòu)
本文討論了SOLO分類理論的層次與科學(xué)探究水平的對應(yīng)關(guān)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(dǎo)高中實驗教學(xué)的方向,了解高考實驗試題的難度,從而達到理順教考關(guān)系,實現(xiàn)“以考促教、以考促學(xué)”的目的[6],并促進立德樹人根本任務(wù)的落實,培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)考核心素養(yǎng).