張靜 朱巧萍

摘 ? 要：教材習(xí)題是教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)物理知識之后進行的練習(xí)，基于SOLO分類理論對比中美教材關(guān)于機械能守恒定律一章習(xí)題，總結(jié)歸納出中美教材習(xí)題的優(yōu)點與不足。

關(guān)鍵詞：SOLO分類理論;習(xí)題對比;機械能守恒定律

新一輪的《普通高中物理課程標準》中強調(diào)教學(xué)要著重發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，高中物理學(xué)習(xí)評價是以學(xué)生發(fā)展為本、基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的評價，其目的主要在于促進學(xué)生學(xué)習(xí)和改進教師教學(xué)[ 1 ]。教學(xué)評價的方式多種多樣，常用手段為習(xí)題檢測，其檢測的目的不在于總結(jié)分數(shù)的高低，而注重評價學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展。

1 ?SOLO分類理論

SOLO分類理論是一種分析思維結(jié)構(gòu)的分類評價理論。SOLO是英文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》一文中首先提出SOLO分類理論[ 2 ]，SOLO理論將學(xué)生的思維水平主要分為以下五個層次，前結(jié)構(gòu)水平、單點結(jié)構(gòu)水平、多點結(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，各個水平特點如下：

①前結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生對問題完全不了解，物理概念、規(guī)律不清楚。

②單點結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生了解問題中的某一個條件，運用一方面知識就可以解決相應(yīng)的問題，對相關(guān)知識的理解較為模糊。

③多點結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生能夠理解問題，掌握解決問題所需的知識（2個或者2個以上），就可以解決問題，但不能整合新舊知識，建立聯(lián)系。

④關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生知道解決問題所需的條件，邏輯思維清晰，能夠組織各方面知識解決問題。

⑤抽象擴展結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生具有問題探究意識，在解決問題的基礎(chǔ)上提出新的問題，能夠進行知識遷移。

本文以SOLO理論為指導(dǎo)，選取機械能守恒定律一章習(xí)題，進行對比研究，使教材習(xí)題更加科學(xué)化、質(zhì)量化、層次化、創(chuàng)新化。

2 ?教材習(xí)題對比

習(xí)題選自中國教材人教版高中物理必修2第八章機械能守恒定律，美國教材習(xí)題選自《原理與問題》中冊第11章能量與能量守恒。本文分別從習(xí)題的結(jié)構(gòu)、類型、內(nèi)容三個方面進行對比研究。由于習(xí)題是在學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)物理知識之后所進行的練習(xí)，所以學(xué)生思維結(jié)構(gòu)中的前結(jié)構(gòu)水平已經(jīng)建構(gòu)。

2.1 ?習(xí)題結(jié)構(gòu)

SOLO分類理論的四個等級是一個思維由低級向高級過渡的過程，課堂教學(xué)與習(xí)題設(shè)置也應(yīng)遵循學(xué)生的認知規(guī)律，促進學(xué)生的思維建構(gòu)。經(jīng)過總結(jié)分析，中美教材習(xí)題結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）習(xí)題結(jié)構(gòu)相同點

中國教材的習(xí)題結(jié)構(gòu)在課堂教學(xué)部分與美國教材大致相同。美國教材系統(tǒng)呈現(xiàn)方式更加多樣化，在課堂教學(xué)中不僅設(shè)置例題和本節(jié)復(fù)習(xí)題、隨堂實踐“練一練”環(huán)節(jié)，還有發(fā)散學(xué)生思維的“挑戰(zhàn)性問題”。處于中學(xué)時期的學(xué)生具有較強的好奇心和求知欲，“挑戰(zhàn)性問題”通過創(chuàng)設(shè)情境建立外部刺激，引起學(xué)生刺激--反應(yīng)聯(lián)結(jié)，從而調(diào)動學(xué)生的內(nèi)部學(xué)習(xí)動機。因此，在課堂教學(xué)中加入這一環(huán)節(jié)，具有一定的可行性。

（2）習(xí)題結(jié)構(gòu)不同點

兩版教材習(xí)題章末部分差別較大，章末習(xí)題位于SOLO理論中各個結(jié)構(gòu)水平的題目數(shù)量如表1所示。

表1 ?章末習(xí)題SOLO結(jié)構(gòu)層次分布表

美國教材在章末設(shè)置的“測評”模塊層次分明，分為繪制概念圖、理解概念、應(yīng)用概念、問題解決、復(fù)習(xí)提高、理性思維、科技寫作、日積月累8個環(huán)節(jié)，其中“繪制概念圖、理解概念、應(yīng)用概念、問題解決”環(huán)節(jié)的習(xí)題共有83道，為單點結(jié)構(gòu)水平，“復(fù)習(xí)提高、理性思維、日積月累”的習(xí)題共有17道，為多點結(jié)構(gòu)水平，“科技寫作”的習(xí)題2道為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，沒有抽象拓展結(jié)構(gòu)水平習(xí)題?？偨Y(jié)分析其得出單點結(jié)構(gòu)水平題目較多，約占總數(shù)量的81%，多點結(jié)構(gòu)水平到抽象拓展結(jié)構(gòu)水平之間的習(xí)題較少僅為19%，不利于學(xué)生提升思維結(jié)構(gòu)水平。而中國教材章末習(xí)題多點結(jié)構(gòu)水平至抽象拓展結(jié)構(gòu)水平占84%，單點結(jié)構(gòu)水平習(xí)題約為15%，簡單題目較少。

由此可見，美國教材習(xí)題設(shè)置具有一定的豐富性和基礎(chǔ)性，且各個習(xí)題所考察的內(nèi)容具體標明，學(xué)生能夠選取相應(yīng)的習(xí)題進行針對性練習(xí)，以便查缺補漏。中國教材習(xí)題設(shè)置便于促進學(xué)生思維發(fā)展，但是基礎(chǔ)題目較少，且缺乏習(xí)題分類，對于物理學(xué)習(xí)困難的學(xué)生難以運用教材習(xí)題進行基礎(chǔ)性練習(xí)。

2.2 ?習(xí)題類型

中美教材“機械能守恒定律”一章習(xí)題類型分布情況如表2所示，對習(xí)題進行統(tǒng)計時，采用每道題目的每一小問為一題。

表2 ?習(xí)題類型

為了更直觀的顯示習(xí)題類型分布，將上述表格轉(zhuǎn)換為柱狀圖，如圖2所示。

中國教材與美國教材在習(xí)題類型設(shè)置方面大致相同。兩國教材中計算題所占比重最大，分別為63%和59，計算題究其根本為綜合題，考察學(xué)生對功、能量、機械能守恒定律等陳述性知識的掌握程度，對題干中有效條件提取的能力，對長時記憶中的信息進行加工和編碼的能力，聯(lián)系生活與社會的物理模型建構(gòu)能力，綜合運用數(shù)學(xué)工具、機械運動守恒方法解決問題的能力。因此，SOLO理論中的多點結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)在計算題中呈現(xiàn)較多，這也與核心素養(yǎng)所提出的培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力相適應(yīng)，教學(xué)應(yīng)致力于使學(xué)生理解物理知識、促進其思維發(fā)展。中美教材問答題占比為23%和20%，證明題占比為10%和4%，問答題及證明題多為單點結(jié)構(gòu)水平和多點結(jié)構(gòu)水平，通過問題引導(dǎo)、結(jié)果論證，使學(xué)生理解動能、勢能等相關(guān)概念，形成物理觀念。作圖題、選擇題、判斷題在本章應(yīng)用較少，運用以上幾種題型難以促進學(xué)生從能量守恒的角度逐層分析。

2.3 ?例題分析

為了詳細分析習(xí)題內(nèi)容，選取中美教材“機械能守恒定律”這一節(jié)的例題進行對比。例題位于課堂教學(xué)之中，應(yīng)用例題學(xué)生可以鞏固、應(yīng)用教師剛才所講的知識點，教師通過例題確定學(xué)生所處思維結(jié)構(gòu)水平，因此例題應(yīng)難度適中，處于單點結(jié)構(gòu)到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)之間。

（1）中國教材

【例題1】把一個小球用細線懸掛起來，就成為一個擺（如圖3），擺長為l，最大偏角為θ。如果阻力可以忽略，小球運動到最低點時的速度大小是多少？

分析 在阻力可以忽略的情況下，小球擺動過程中受重力和細線的拉力。細線的拉力與小球的運動方向垂直，不做功，所以這個過程中只有重力做功，機械能守恒。

小球在最高點只有重力勢能，動能為0，計算小球在最高點和最低點重力勢能的差值，根據(jù)機械能守恒定律就能得出它在最低點的動能，從而算出它在最低點的速度。

解：以小球為研究對象。設(shè)最低點的重力勢能為0，以小球在最高點的狀態(tài)作為初狀態(tài)，以小球在最低點的狀態(tài)作為末狀態(tài)。

在最高點的動能Ek1=0，重力勢能是 Ep1=mg（l-lcosθ）

在最低點的重力勢能Ep2=0，而動能可以表示為

Ek2=mv2

運動過程中只有重力做功，所以機械能守恒，即

Ek2+Ep2=Ek1+Ep1

把初末狀態(tài)下動能、重力勢能的表達式代入，得

mv2=mg（l-lcosθ）

由此解出小球運動到最低點時的速度大小

v=。具體分析如表3。

（2）美國教材

【例題2】 在暴風(fēng)雨期間，一根質(zhì)量為22 kg，高出地面13.3 m的大樹枝下落到離地6.0 m的屋頂上。

a. 忽略空氣阻力，求出落到屋頂上時樹枝的動能。

b. 落到屋頂時樹枝的速率是多少。

①分析概括問題

概述最初和最終的狀態(tài)，選擇參考面，畫出圖4。

已知：m=22 kg ? g=9.8 m/s2 ? ?h枝條=13.3 m

v1=0.0 m/s ?Eki=0.0 J ? ? ?h屋頂=0.6 m

未知：Epi=？ ? ? Ekf=？ ? Epf=？ ? vi=？

②求解未知量

a.選定屋頂?shù)母叨茸鳛閰⒖济妗?/p>

求解樹枝相對于屋頂?shù)某跏几叨?，將h枝條=13.3 m， h屋頂=0.6 m代入，h=h枝條-h屋頂=13.3 m-0.6 m=7.3 m。

求解樹枝的初勢能，將m=22.0 kg，g=9.8 m/s2，h=7.3 m代入。

Epi=mgh=22.0 kg×9.8 m/s2×7.3 m=1.6×103 J，確定樹枝的初動能Eki=0.0 J ， 樹枝最初是靜止的。因為能量守恒，所以到達屋頂時樹枝的動能等于它的初勢能。

Ekf=Epi=1.6×103 J。

因為在參考面上，h=0.00 m，所以Epf=0.0 J

b.求解樹枝的速率。

將Ekf=1.6×103 J，m=22 kg代入。Ekf=mvf2

vf===12 m/s

③驗證答案

單位是否正確？速度是以m/s量度的，能量是以1 kg·m2/s2=1 J量度的。符號是否有意義？Ek和速度的大小始終是正的。

具體分析如表4。

通過以上對比分析，兩個版本教材的例題均為計算題。中國教材的例題難度適中，既推動學(xué)生熟悉物理知識，又便于定位學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)在SOLO理論中的各個層次，但是習(xí)題解析過程粗略，不能有效引導(dǎo)學(xué)生對于題中信息進行表征，題目與實際聯(lián)系較弱，不能很好的調(diào)動學(xué)生的情感態(tài)度與責(zé)任感。美國教材的例題較為簡單，適合考察學(xué)生對于當(dāng)節(jié)知識的掌握程度，解題過程詳細，步步引導(dǎo)，便于學(xué)生吸收、消化，題材更加生活化，缺點是例題沒有層次感，不能有效評價學(xué)生的思維發(fā)展和認知過程。

中國教材每一節(jié)的課后習(xí)題和章節(jié)習(xí)題同樣注重深度，習(xí)題多為綜合類計算題，目的是培養(yǎng)學(xué)生縱向邏輯思維和橫向綜合知識的能力。如復(fù)習(xí)與提高A組的第6題，一個物體在彈簧的彈力作用下沿水平面滑上圓弧軌道運動的題，學(xué)生解決本題既要熟悉受力分析，知道物體由A點運動到B點的過程中機械能守恒，又要結(jié)合物體做圓周運動時的重力做功特點和動能定理求出阻力做功大小。

美國教材課后練一練和測評部分習(xí)題側(cè)重于基礎(chǔ)性，鞏固、熟悉能量守恒等知識，與生活聯(lián)系十分密切，如第11章測評板塊的第31題，提問手表發(fā)條不同狀態(tài)下所具有的能量，本題以手表發(fā)條的形式考察動能與勢能的轉(zhuǎn)化，直接將物理知識應(yīng)用于解決問題。

3 ?習(xí)題改進建議

3.1 ?注重創(chuàng)設(shè)情境，加強與社會的聯(lián)系

陶行知先生提出生活教育理論，認為書本不能脫離生活實際。美國習(xí)題多以社會生活為基礎(chǔ)，如黑猩猩蕩樹藤計算其到達地面的速度，同樣應(yīng)用機械能守恒定律的知識，但是學(xué)生對此題會產(chǎn)生強烈的探究欲望，理解物體的運動狀態(tài)，在頭腦中逐漸構(gòu)建物理情境。中國習(xí)題應(yīng)適當(dāng)結(jié)合社會實際，從生活中選擇學(xué)生司空見慣的場景作為素材[ 3 ]，減少學(xué)生機械刷題的枯燥感，發(fā)散學(xué)生思維，促進知識遷移。

3.2 ?注重習(xí)題梯度，便于因材施教

根據(jù)SOLO分類理論，中國教材章末習(xí)題缺乏針對性和基礎(chǔ)性，大致可分為鞏固與提升兩個模塊。習(xí)題設(shè)置應(yīng)面向全體學(xué)生，合理設(shè)計課后習(xí)題的認知水平梯度[ 4 ]，如美國教材測評板塊分為等級不同的8個模塊，使學(xué)生通過習(xí)題進行針對性練習(xí)，確定自己的思維水平，建立最近發(fā)展區(qū)，將下一個思維水平作為學(xué)習(xí)目標。

3.3 ?注重思路引導(dǎo)，發(fā)展學(xué)生思維

中國學(xué)生在考試過程中遇到不會的習(xí)題，多采用套公式的方法，不能按部就班的分析物體運動的過程，思維較為混亂。學(xué)生的物理認知過程有賴于教師的引導(dǎo)，教師在習(xí)題教學(xué)前應(yīng)了解學(xué)生所處的思維結(jié)構(gòu)水平，在習(xí)題教學(xué)中步步引導(dǎo)，促進其思維發(fā)展。習(xí)題解析應(yīng)分為“分析問題—提取有效信息—建構(gòu)物理模型—求解未知量—解決問題—驗證答案”幾個環(huán)節(jié)，這樣編排有助于發(fā)展學(xué)生的邏輯思維。因此，對上述中國教材例題解析的改進如下所示。

①分析概括問題

概述最初狀態(tài)和最終狀態(tài)、選擇參考面

已知：秋千擺長為l，最大擺角為θ，Ek最高=0，EP最低=0

未知： EP最高=？，Ek最低=？，v最低=？

②建構(gòu)物理模型

在阻力可以忽略的情況下，秋千擺動過程中受重力和細線的拉力。秋千的拉力與秋千的運動方向垂直，不做功，所以這個過程中只有重力做功，機械能守恒。選取秋千最低點處為零勢能參考面，秋千在擺角最大處只有重力勢能，動能為，在最低點處動能最大，重力勢能為0。

③求解未知量

a.選取秋千最低點處為零勢能參考面

求解秋千相對于最低點的高度Δh=l-lcosθ

求解秋千最高點的重力勢能（設(shè)玲玲和秋千的總質(zhì)量為m）

EP最高=mgh=mgl（1-cosθ）

b.求解秋千最低點處的動能

根據(jù)機械能守恒定律可得

Ek最高+EP最高=Ek最低+EP最低

代入已知量，可得

Ek最低=EP最高=mgl（1-cosθ）

c.求解最低點的速度

根據(jù)動能計算公式

Ek最低=mv2，得出v=

④驗證答案

零勢能參考面的選取是否正確？決定著重力勢能的正負。

4 ?結(jié)語

物理習(xí)題教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理觀念和科學(xué)思維必不可少的一部分，同時也是學(xué)生檢驗學(xué)習(xí)效果的重要通道，習(xí)題設(shè)置不僅僅是為了提高成績，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生終身發(fā)展所必備的科學(xué)素養(yǎng)與學(xué)習(xí)技能，中國教材習(xí)題編排注重發(fā)展學(xué)生思維，并且覆蓋SOLO理論的各個層次，具有一定的合理性，但是題目結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、解析過程方面略有不足，本文提出一些建議以供參考。

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