張 靜 朱巧萍 葉巧婷

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 SOLO分類理論的起源及內(nèi)涵

SOLO分類理論是Structure of the Observed Learning Outcome的簡稱，意為“可觀察到的學(xué)習(xí)結(jié)果”.澳大利亞學(xué)者Biggs在《學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的個體差異以及學(xué)習(xí)的質(zhì)量》[1]一文中首先提出SOLO分類理論，該理論是在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段論的基礎(chǔ)上提出的，Biggs認(rèn)為青少年在學(xué)習(xí)過程中整體上呈現(xiàn)階段性，但是其思維水平存在個體差異.因此，教師在教學(xué)前應(yīng)了解學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的需求，制定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，合理安排教學(xué)內(nèi)容，從而宏觀調(diào)控整個教學(xué)過程.SOLO理論將學(xué)生的思維水平主要分為以下5個層次：前結(jié)構(gòu)水平、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平和抽象拓展結(jié)構(gòu)水平，各思維層次的特點(diǎn)如表1所示.

表1 SOLO理論

本文以SOLO分類理論為基礎(chǔ)，以高中物理“摩擦力”一節(jié)為例進(jìn)行教學(xué)研究.

2 基于SOLO分類理論的教學(xué)目標(biāo)與學(xué)情分析

習(xí)主席在全國兩會上指出，“教育，無論學(xué)校教育還是家庭教育，都不能過于注重分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)是一時之得，沒有形成健康成熟的人格.”現(xiàn)階段我國教育的評價標(biāo)準(zhǔn)還停留在應(yīng)試教育，過于注重學(xué)生的分?jǐn)?shù)，而忽視學(xué)生終身發(fā)展所必備的知識技能.新一輪的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出，教育要注重發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與能力，從而實(shí)現(xiàn)從應(yīng)試教育向素質(zhì)教育的轉(zhuǎn)變.在新一輪高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中著重強(qiáng)調(diào)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，其主要包括“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.課程標(biāo)準(zhǔn)中高中物理“摩擦力”的教學(xué)目標(biāo)為“認(rèn)識摩擦力，知道滑動摩擦和靜摩擦現(xiàn)象，能用動摩擦因數(shù)計(jì)算滑動摩擦力的大小”[2].本文將物理核心素養(yǎng)的4個方面與SOLO分類理論的5個層次相結(jié)合來設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo).

2.1 分析學(xué)情確定教學(xué)任務(wù)

在確定教學(xué)目標(biāo)之前，首先要分析學(xué)生的學(xué)習(xí)需求.學(xué)生在初中已經(jīng)知道滑動摩擦力的概念及影響摩擦力大小的因素，但是對于摩擦力的理解不透徹，只是簡單了解摩擦力的概念，對于“運(yùn)動”和“相對運(yùn)動”的理解匱乏，受到前概念等因素的影響，認(rèn)為摩擦力就是阻礙物體運(yùn)動的力，也就是阻力，學(xué)生認(rèn)知水平處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平[3].根據(jù)維果斯基的最近發(fā)展區(qū)理論，確定學(xué)生處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平以后，應(yīng)將發(fā)展學(xué)生的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平作為本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，通過教學(xué)活動使學(xué)生了解摩擦力的概念及產(chǎn)生條件，并以此水平結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，確定下一個最近發(fā)展區(qū)[4].

2.2 結(jié)合理論設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)

“物理觀念”是物理概念在頭腦中的提煉與升華，教學(xué)目標(biāo)應(yīng)定位于提升思維處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生對摩擦力概念的理解；“科學(xué)思維”部分包括在教師引導(dǎo)下學(xué)生對摩擦力產(chǎn)生條件的科學(xué)推理、認(rèn)識摩擦力各個要素的相互關(guān)系；“科學(xué)探究”這一核心素養(yǎng)指學(xué)生基于探究實(shí)驗(yàn)提出問題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，充分整合知識提升思維結(jié)構(gòu)水平；學(xué)生掌握本節(jié)課所學(xué)知識后，鍛煉學(xué)生遷移知識，應(yīng)用于具體的物理現(xiàn)象，具體教學(xué)目標(biāo)如圖1所示.

圖1 “摩擦力”教學(xué)目標(biāo)

3 SOLO分類理論與教學(xué)過程

物理概念、物理規(guī)律是物理學(xué)的核心，大部分的物理概念及規(guī)律具有抽象性.物體間的力是無法直接看見的，教師用講授法進(jìn)行授課時，學(xué)生很難建構(gòu)物理模型并深入理解，因此如何在教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生的思維發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生思維由單點(diǎn)結(jié)構(gòu)向多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的過渡，是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)；運(yùn)用儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)探究，探索摩擦力的大小及方向，使學(xué)生思維由多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平提升到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，是本節(jié)教學(xué)的難點(diǎn).SOLO理論認(rèn)為學(xué)習(xí)過程是一個由思維低水平向思維高水平遷移的過程，具體教學(xué)過程為以下幾個環(huán)節(jié).

3.1 創(chuàng)設(shè)情境奠定基礎(chǔ)----引入摩擦力的概念

SOLO理論的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生思維由單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平向多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平過渡.多數(shù)學(xué)生摩擦力的概念混淆不清,認(rèn)為靜止的物體不會受到摩擦力，運(yùn)動的物體才有摩擦力的作用，處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平.教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)并解決問題，使學(xué)生能夠區(qū)分相對運(yùn)動與相對運(yùn)動趨勢，理解靜止的物體也可能受到摩擦力.

情境一：教師用兩個刷毛相互交叉的牙刷提起一瓶1 000 mL的水，如圖2所示.

圖2 “大力”牙刷

提出問題：(1)牙刷是否會分開？(2)牙刷不會分開的原因是什么？

情境二：教師演示一個環(huán)繞在兩根細(xì)線上的物體，如圖3所示，自然狀態(tài)下，物體靜止于細(xì)線底部，通過拉動兩根細(xì)線，物體向上移動.

圖3 爬繩運(yùn)動

提出問題：靜摩擦力與滑動摩擦力的區(qū)別有哪些？

學(xué)生認(rèn)知活動：

(1)牙刷會分開,受到向下的重力所產(chǎn)生的拉力作用.(單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平)

(2)牙刷不會分開，受到摩擦力和重力共同作用.(多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平)

(3)靜止的物體所受的摩擦力為靜摩擦力，運(yùn)動的物體所受摩擦力為動摩擦力.(單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平)

(4)相對靜止的物體所受的摩擦力為靜摩擦力，相對運(yùn)動的物體所受的摩擦力為動摩擦力.(多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平)

3.2 演示實(shí)驗(yàn)思維建構(gòu)----探討摩擦力的產(chǎn)生條件

SOLO理論的積累環(huán)節(jié)，促進(jìn)思維在多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生知識產(chǎn)生量變.教師采用對比法進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析摩擦力的產(chǎn)生條件.

(1)教師演示氣球提起水杯的實(shí)驗(yàn)(有壓力作用)，如圖4所示.

圖4 隱形壓力

(2)教師請兩位學(xué)生用力拉相交的牙刷，引導(dǎo)學(xué)生觀察刷毛的變化(具有相對運(yùn)動趨勢或者相對運(yùn)動)，如圖5所示.

圖5 相交牙刷

(3)教師播放用肥皂水脫掉手腕上的鐲子的視頻(接觸面粗糙程度).

多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平是SOLO理論的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用.這一環(huán)節(jié)，學(xué)生在理解摩擦力概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究摩擦力的產(chǎn)生條件，進(jìn)行知識拓展，鞏固多點(diǎn)思維結(jié)構(gòu)水平.

3.3 科學(xué)探究產(chǎn)生質(zhì)變----理解動摩擦因數(shù)及最大靜摩擦力

SOLO理論的提升環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生思維結(jié)構(gòu)由多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平發(fā)展.聯(lián)系前面所學(xué)二力平衡知識，學(xué)生在教師引導(dǎo)下能夠判斷靜摩擦力的方向，但是，處于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平的學(xué)生缺乏對已掌握知識的整合能力，通過簡單的演示實(shí)驗(yàn)學(xué)生無法理解“最大靜摩擦力”的概念.傳統(tǒng)的探究摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)也存在較大誤差，采用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行探究，可以直觀地觀察到摩擦力的數(shù)值變化及函數(shù)關(guān)系，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生操作能力的同時，更大程度上保證教學(xué)的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，使學(xué)生理解“最大靜摩擦力”及動摩擦因數(shù)的物理意義.

在實(shí)驗(yàn)探究之前，教師提出問題：(1)靜摩擦力與動摩擦力可以相互轉(zhuǎn)化嗎？(2)如何計(jì)算摩擦力的大??？引導(dǎo)學(xué)生帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生思維建構(gòu).

實(shí)驗(yàn)器材：力傳感器(LW-F801)，摩擦力實(shí)驗(yàn)器(LW-6341).實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示.

(a)實(shí)物圖

(b)示意圖

實(shí)驗(yàn)操作：進(jìn)入“摩擦力”專用軟件，選擇質(zhì)量為100 g的摩擦塊，在摩擦力實(shí)驗(yàn)器電動機(jī)牽引下，摩擦塊由靜止變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動狀態(tài)，單擊“停止記錄”，觀察實(shí)驗(yàn)曲線，如圖7所示.在摩擦塊上加不同質(zhì)量的砝碼，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，單擊“摩擦力與正壓力圖像”，對數(shù)據(jù)進(jìn)行“直線擬合”，如圖8所示.

減水劑和膨脹劑：經(jīng)過試驗(yàn)選用武漢冶建生產(chǎn)的JG-2H型聚羧酸高性能減水劑，該減水劑具有高減水、高保塌、抗分離及提高混凝土早期強(qiáng)度等綜合功能；膨脹劑選用武漢三源生產(chǎn)的UEA-Ⅰ型膨脹劑。

圖8 摩擦力與正壓力函數(shù)圖像

學(xué)生認(rèn)為靜摩擦力與動摩擦力沒有必然聯(lián)系，在初中也僅僅學(xué)習(xí)過影響滑動摩擦力大小的幾個因素，缺乏定量研究，其思維處于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平.通過DIS探究實(shí)驗(yàn)，搭建動靜摩擦力之間的橋梁，使學(xué)生理解物體所受靜摩擦力突破一定臨界值就會轉(zhuǎn)化為滑動摩擦力，其數(shù)值等于物體即將開始運(yùn)動的拉力大小.

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)摩擦力大小與壓力大小成正比，其比值定義為動摩擦因數(shù)，用μ表示，公式為

教師引導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因，促進(jìn)學(xué)生思維由關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平向抽象拓展結(jié)構(gòu)水平過渡.實(shí)驗(yàn)誤差原因可能為以下幾點(diǎn)：

(1)根據(jù)“摩擦粘附”理論，由于不存在絕對光滑的表面，兩個表面相互接觸時產(chǎn)生微小正壓力，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力，所以“Ff-Fn”不過原點(diǎn).

(2)砝碼受到拉力作用運(yùn)動的過程中不能保證拉力方向與摩擦力方向正好為180°，所以收集的數(shù)據(jù)并不完全在“Ff-Fn”的函數(shù)圖像上.

(3)物體由靜止到運(yùn)動的過程太快，導(dǎo)致“Ff-t”中滑動摩擦力一開始波動較大.

通過科學(xué)探究，學(xué)生知道了摩擦力的相關(guān)概念，能夠運(yùn)用摩擦力相關(guān)知識解決具體問題，根據(jù)SOLO理論，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于生活實(shí)際，運(yùn)用物理知識解決實(shí)際問題，并發(fā)散學(xué)生思維，改進(jìn)生活中的儀器設(shè)備，促進(jìn)學(xué)生思維水平向抽象拓展結(jié)構(gòu)水平轉(zhuǎn)變，使學(xué)生掌握策略性知識.

4 SOLO分類理論與教學(xué)評價

教學(xué)評價是對教學(xué)活動是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求的整體的評價，傳統(tǒng)的教學(xué)評價只注重教學(xué)結(jié)果，而忽視學(xué)生思維及認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展.以SOLO理論為基礎(chǔ)進(jìn)行評價，遵循學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生知識按照陳述性知識—程序性知識—策略性知識的方向發(fā)展[5].SOLO理論注重學(xué)生學(xué)習(xí)的過程而非學(xué)習(xí)的結(jié)果，教師設(shè)置相應(yīng)習(xí)題引導(dǎo)學(xué)生作答，根據(jù)學(xué)生回答的內(nèi)容、內(nèi)容的邏輯體系，確定學(xué)生所處的思維層次，教師反思教學(xué)過程，并改進(jìn).

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生本節(jié)課必須掌握的知識，本文選取兩道覆蓋SOLO理論3個層次的摩擦力習(xí)題，分析學(xué)生的作答情況，對學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)水平進(jìn)行評價.

【例1】如圖9所示，木箱重為10 kg,小孩用40 N的水平力推木箱，木箱不動，此時木箱受靜摩擦力大小為多少？小孩用至少55 N的水平力推木箱，木箱才能被推動，則木箱與地面的最大靜摩擦力為多少？小孩用70 N的水平力推動木箱做直線運(yùn)動，若木箱與地面間的動摩擦因數(shù)為0.5，物體與地面的滑動摩擦力大小為多少？(g取10 m/s2)

圖9 例1題圖

學(xué)生的作答結(jié)果與思維層次的對應(yīng)關(guān)系如表2所示.

表2 例1分析

【例2】如圖10所示，水平放置的傳送帶以速度v=2 m/s向右運(yùn)行，現(xiàn)將一小物體輕輕放在傳送帶A端，物體與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.2,若A端與B端相距4 m,則物體由A到B的時間和物體到B端時的速度是多少？

圖10 傳送帶示意圖

解題過程略.

學(xué)生的作答結(jié)果與思維層次的對應(yīng)關(guān)系如表3所示.

表3 例2分析

續(xù)表3

5 教學(xué)反思

SOLO理論是基于大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的思維結(jié)構(gòu)理論，在教學(xué)中應(yīng)用SOLO理論有助于因材施教.“摩擦力”一節(jié)內(nèi)容有其內(nèi)在的復(fù)雜性，以SOLO理論為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)能夠使本節(jié)教學(xué)內(nèi)容由簡單的摩擦力概念到復(fù)雜的動摩擦力計(jì)算，由具體的刷毛形變展現(xiàn)“相對運(yùn)動趨勢”到抽象的DIS探究最大靜摩擦力，層層遞進(jìn).根據(jù)學(xué)生的作答情況，教師反思教學(xué)設(shè)計(jì)過程，以優(yōu)化整個教學(xué)活動，并給處于各個水平的學(xué)生有針對性地布置習(xí)題.但是SOLO理論并不完善，如各個思維結(jié)構(gòu)水平的定位標(biāo)準(zhǔn)不一，每個學(xué)生的思維層次都有各自的特點(diǎn)，而教學(xué)只能考慮大部分學(xué)生的思維水平.因此，教師應(yīng)在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中有選擇地利用SOLO理論，有效促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展.