基于SOLO理论对初中物理建模层级划分及应用探讨

孔红艳 何小雨

关键词：初中物理：科学思维;模型建构：中考试题

近年来，发展学生核心素养引起了我国教育界广泛的关注。对于物理学科而言，科学思维是物理学科核心素养的核心。初中生的思维正处在形象思维至抽象思维的转变阶段，这也是发展学生科学思维的关键期。以陕西省中考物理科目对学生能力的培养与考查要求为例，2019年有五项能力要求，分别为观察能力、分析概括能力、分析问题与解决问题能力、白学能力以及实验能力.2020年取消了观察能力，明确纳入了思维能力。可以发现，中学教育阶段对学生思维能力的重视程度正在显著提高。

在科学思维的内容构成中，首位便是模型建构。模型建构的过程中渗透着多种思维活动，需要诸多科学思维方法的参与，它对学生形象思维能力和抽象思维能力的培养起到了重要的作用。高中物理课程标准中对模型建构水平做出了具体的描述，给教学提供了清晰的目标，而对于初中模型建构水平尚没有统一的划分，对学生建模能力的目标要求模糊，不利于教师培养学生的相关能力。

1相关概念厘清

在科学中，模型被视为是对真实世界的表征。物理模型是为了更方便地研究物理问题，突出事物的本质特征，而对所研究的对象进行的一种简化性描述。建模则是对模型的建构，即从复杂的现象中抽取出能描绘该现象的元素或参数，并找出这些元素或参数之间的正确关系，建构足以正确描述、解释该现象的模型的过程。

目前，对物理模型的分类没有统一的规定，研究者的出发点不同，分类亦不同。本文从物理问题解决的角度出发，采用以下分类方式对理想化物理模型进行分类：

（1）对象模型：忽略研究对象（物体或系统）的次要因素，建构反映对象本质的理想模型。例如，轻绳、轻杆、轻弹簧、点电荷、电场线、纯电阻、磁感线、电路模型等。

（2）状态模型：表示研究对象的某种理想状态。例如，物体的平衡状态等。

（3）过程模型：研究对象运动过程的理想化结果。例如，匀变速直线运动、平抛运动等。

2基于SOLO分类理论的模型建构层次

SOLO（ structure of the observed learning out-come）是由教育心理学家Biggs在1982年提出的一种以等级描述为基本特征，对学生学业水平分类的质性评价方法。该理论以皮亚杰的发展理论和信息加工理论为基础，其本质仍是一种认知发展理论。个体认知水平的发展不仅在个体的成长阶段具有阶段性，而且在解决特定的问题时，其思维水平也具有阶段性。SOLO分类评价理论将学生解决问题时所达到的思维水平进行由低到高的五个基本结构层次的等级划分，具体内容及特征简述如下：

（1）前结构水平：学生无法正确理解问题，无法对问题进行处理。

（2）单点结构水平：能够使用问题的一个相关线索或者信息，并立刻形成结论。

（3）多点结构水平：同答问题时，能使用多个孤立的信息，进行独立的总结，但缺乏有机整合的能力。

（4）关联结构水平：能从整体把握题目的要求，可以将各种信息加以整合归纳，能在设定的情境或已经经历的经验范围内进行概括。

（5）扩展抽象结构水平：能使用更加抽象的知识，能对未经历的情境进行概括，可以联想到与问题相关的其他问题。

SOLO理论中的前结构水平处于培养目标之下，所以在建模水平划分时，不予考虑。经过对初中物理常用模型及学情的研究，结合一线教师的意见，基于SOLO理论形成了初中物理模型建构的层级划分，如表1所示。

3基于物理建模层次对中考试题的探讨

在中考物理学科考查的科学内容中，“物质”“运动与相互作用”及“能量”所占的比例分别为15%、45%和40%，试题难度分为“容易、较易、较难、难题”四种，所占比例在2018年与2019年的试题中均约为4：3：2：1，实测难度均比较符合预定难度0.65。试题总难度较为稳定，中等题占较大部分，可以让多数学生的付出获得很好的反馈，增加学生的信心;同时，部分题目区分度较大，能够很好地激励学生向着更高的目标不断奋斗。

以陕西省为例，根据陕西省教育科学研究院对陕西省2018年与2019年中考物理学科的考生作答情况的统计数据，采用随机抽样的方式选择Y市与H市考生情况，基于上文形成的物理模型建构层级结构，对中考试题进行了进一步的整理，并以部分题目为例予以分析。

3.1认识层次例题分析

初中学生在模型建构中，最基本的要求是了解和辨识简单的物理模型。此能力不仅会在试题中直接考查到，而且也是学生在面对其他更高的建模要求时需要的基础能力。在直接考查学生对模型辨识能力的题目中，学生的答题情况良好，说明对于大多数学生而言，均具备了对简单物理模型的辨识能力，例如，对斜面模型、凸透镜模型、匀速直线运动模型的辨识。典型例题如2018年选择题第4题简单机械问题，作图题第29题第1问力学问题;2019年第4题力学问题，第25题机械运动问题，第26题光学问题，等等。

例1在高速公路长下坡路段的外侧，常设有避险车道，供刹车失灵的车辆白救。当车辆冲上该车道时，被强制减速停车。要求判断不正确的说法，A选项为“避险车道相当于一个斜面”。

点评：本题来源于2018年陕西省中考试题第4题，实测难度为0.67，A选项的错选率为4.95%。本题以高速公路为题目背景，问题情境设置为“当车辆冲上避险车道时，被强制停车”。考虑的主要因素为车道的长度、倾斜度与粗糙程度，其他如车道的形变、车辆压槽痕等实际的因素不需要考虑。因此，结合斜面的特点，可以将避险车道抽象为对象模型，即斜面模型。这对于大部分学生来讲，是很容易的。

3.2联系层次例题分析

学生不仅需要具备对基本、简单物理模型的辨识、选择能力，而且需要对熟悉场景中的简单问题进行解释。这一层次的题目所涉及的大部分内容较为基础，学生在学习过程中已进行了较多的训练，因此，学生對于这部分物理问题的情境比较熟悉。而由于涉及的物理模型也是较为基础的，这部分题目的难度只是略微大于第一层次。典型例题如2018年选择题第2题光学问题，第32题声音的特性问题：2019年选择题第1题声学问题，选择题第3题光学问题，等等。

例2 2018年5月1日晚，在大雁塔北广场上演了一场水舞光影秀。巨型灯柱阵、多台超高清投影机和音乐喷泉交错配合，使大雁塔隐在光幕之中，美轮美奂。这是中华文化和现代科技的一次完美结合。下列关于这场光影秀的说法不正确的是（）

A.发光的灯柱是光源

B.光的三原色是红、绿、蓝

C.音乐喷泉形成的水幕对光只有反射作用

D.演出过程中高清投影机可成逼真的实像

点评：本题来源于2018年陕西省中考试题第2题，实测难度为0.69，属于较易题，正确答案为C选项，未做出正确选择的比率为31%，其中D选项的错选率为15.53%。在本题中，通过题干可知“水舞光影秀”是灯、投影机与水幕的相互结合。A、B选项考查对知识的记忆;对C选项，水幕为喷泉所形成，忽略其不断变化的整体形状与不规则的表面形状，将其抽象为熟悉的水面，类比熟悉的光射人河面问题，会出现反射现象与折射现象：对D选项，高清投影仪为凸透镜模型，依据凸透镜的成像规律，则知道成像为倒立、放大的实像，这也是凸透镜应用的逆向思维过程。

3.3应用层次例题分析

初中物理中，已将一些常见的重难点领域进行了较为巩固的学习与训练，例如电学和简单机械模块。学生在学习过程中，需要白行从实际问题里抽象出物理模型，再解决物理问题。虽然对这部分已经进行了较多的习题训练，抽象出的模型是学生很熟悉、很常见的。但是，这对于学生来讲难度依然很大。典型例题如2018年选择题第3题电路连接问题;2019年选择题第7题简单机械问题，作图题第29题第2问电路连接问题，综合题第33题力与机械能问题。

例3图1为某种型号的剪叉式高空作业平台，这台机器利用起升电机升降作业平台，方便工人高空作业。该机器的部分数据如表2所示。

（1）这台机器空载且静止时，对水平地面的压强是多大？（g取10 N/kg）

（2）起升电机以额定功率工作时，将总重为1000N的人和作业丁具以0.2m/s的速度举高8m。该机器做的有用功是多少？机械效率是多少？

（3）此类机器机械效率一般较低的主要原因是：

点评：本题来源于2019年陕西省中考试题第33题，实测难度为0.47，属于难题。本题满分8分，平均分仅为3.74分，分析答题情况发现“学生连基本的速度和压强计算都掌握不好”。第1问考查机器对地面的压强大小，根据压强的定义，压强与物体所受压力和受力面积有关，此时不需要考虑支架的升降，将其视为对象模型，即物块即可。通过查表找到相关数据，问题便可解决。在第2问中，题目中的信息点为“以额定功率工作”“总重为1000 N的人和作业工具”“以0.2m/s的速度举高8m”，因此第1问的模型便不适用。结合相关的基本概念及基本规律，同时由题目的信息得知举高过程中的速度未发生变化，可将升降机的升降过程建立为过程模型，即匀速直线运动过程模型，得到举高的时间，要注意对公式的准确理解与记忆，便可以正确解答第2、3小问。本题建立的模型较为简单，但是建构模型之后，对问题进行分析时涉及到的知识综合性很强。

3.4迁移层次例题分析

学生会面对生活实际情境中的问题，这些问题可能是原始物理问题或者仅是对其进行简单初步处理后的问题。对于此类问题，要求学生应该具有较高的能力，能够从生活问题中正确地建构出物理模型，并结合物理概念、规律进行解题。典型例题如2018年第6题简单机械问题，第33题力学问题，第34题电磁能问题;2019年第33题力与机械能问题，第34题电磁能问题，等等。

例4如图2所示的不锈钢空调架，安装时横杆OB伸出墙外由斜杆AC支撑，其中O、A两点固定在墙上，C点固定在横杆OB上。通常将空调室外机置于该支架上时不紧靠墙体。下列相关说法正确的是（

）

A.空调架对墙没有力的作用

B.若以O为支点，OB -定是一个省力杠杆

C.若将室外机向外移动，AC对OB的支撑力变大

D.室外机不能紧靠墙体主要是为了防止漏电

点评：本题来源于2018年陕西省中考试题第6题，实测难度为0.58，属于难题。本题在原始物理问题的基础上，对空调支架进行了简单说明，学生需要将生活实际问题中的装置转化为物理模型，这要求他们对杠杆模型的学习有较为深入的理解与灵活应用的能力。首先，最重要的是确定支点、动力、阻力、动力臂及阻力臂，正确抽象出杠杆模型，再依据杠杆模型结合力臂的关系判断出杠杆类型，根据杠杆平衡条件对力的变化进行分析，问题便可以迎刃而解。

4教学建议

4.1增强对模型建构教学的意识

从模型建构的4个水平对试题的研究发现，在模型建构的认识水平与联系水平上，学生表现良好，试题的实测难度均在0.7左右，说明有70%左右的学生可以掌握;而在应用与迁移水平上，这两个层次对于学生而言难度较大。有调查研究表明，教师对学生专业知识的培养力度很大，但是对于学生“顺利完成物理建模活动的思维和策略基础”的培养并不够重视。实际上，在物理学习中模型的建构具有重要的作用。美国理论物理学家David Hestenes认为，“物理问题的解决主要是建模的过程”。建模教学模式在国外历经30余年的发展，其有效性得到了实践的证明。教师在实际教学中应有意识地显化建模的活动，包括如何建构、采用的方法、用了什么、怎么应用等，加强对学生建模能力的训练，这能够促进学生的逻辑思维发展，培养学生的思维能力。

4.2结合学情，将建模教学融入多种教学方式

现有的研究大多从建模的策略人手，例如类比法、等效法等。如果能将物理建模与问题教学、思维导图、学习进阶等方式相结合，顺应学生的思维发展特点，让学生来提出问题，让建模过程可视化，会使得学生更容易理解，兴趣更高。例如，将物理建模与学习进阶相结合，实际上具有很强的操作性，将建模过程的思维阶段和学习进阶的节点进行整合，可以充分体现彼此的优势，进一步提高科学教育的教学效率。如果教师能结合学生的实际情况，在模型建构的教学中采用适合的方式，可能会收获意外的惊喜。

4.3将物理模型与实际生活相联系

从物理模型应用与迁移水平上的考查可以看出，这两个层次对于学生而言是比较难的。因为这两个层次不仅涉及学生对模型的白主建构，而且需要他们采用物理模型实现对问题的分析与解决，这考查了学生对知识的分析综合與应用能力。在教学中，如果能够加强物理与生活的联系，多进行物理原始问题教学，用建构的物理模型去解决学生常见的以及并不常见的生活问题，不仅可以让学生拥有“物理建模能力”这一利器，而且能发挥出模型建构教学的威力，相信对学生知识掌握程度与能力提升方面都更有益处。