Solo视野下促进物理思维发展策略的研究

韩艳华

摘要：促进学生物理思维能力发展一直是物理教学的终极目标。关于学生物理思维能力在以往的教学中过多探讨的是思维的分类，没有形成在教学过程中可操作的思维层级。本文结合物理教学实践内容有针对性地提出促进学生物理思维能力的策略。

关键词：Solo；知识结构；思维；物理思维能力发展

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1671-1580（2017）12-0025-03

促进物理思维能力发展是物理教学过程中的重要问题。由于受升学压力的影响，许多物理教师和学生无暇顾及物理思维能力的发展和应用物理知识解决物理问题的方法以及策略提升的研究。而物理思维能力的发展和解决物理问题策略的形成，是影响一个学生终生学习能力的积极重要因素。本文主要依据solo分类理论，结合物理学科特点对物理思维能力进行层级分类，探索在教学过程中促进学生物理思维能力发展的策略。

一、Solo理论

“SOLO”是英文“Structure of the Observed Learning Outcome”的首字母缩写，意思是“能观察到学习成果的结构”。Solo理论起源于英国心理学家艾德文.皮尔（Edwin Peel）的研究成果，澳大利亚的教育心理学家JonhB.Biggs和Kevin F.Collis发展了其理论体系，并提出：学生在学习一门新学科时，刚开始是以量的方式获得彼此不太相关、零碎的内容，但随着学习过程的不断深入和发展，学生的学习由原来对知识量的积累逐渐发生质的变化，把以往看似零散的、不成系统的知识相互连结起来，形成一个前后相互联系的整体知识组块。在学生思维最高层次上建立起相应的抽象体系，衍生出新维度，如形成新科学假设以解决以前从未遇到过的问题。

Biggs和Collis把学生对某部分知识内容学习的过程和结果由低到高划分为五个层次：知识学习前知识结构、认知知识过程中单点结构、应用知识解决问题过程的多点结构、提升解决问题通过时的关联结构和促进思维发展的抽象拓展结构。

（一）知识学习前知識结构

在未接触本知识前学生对与本知识相关的问题，只是一些感知层面的认识，没有逻辑关系，基本上不能运用其解决具体的问题，当然对于与本知识相关的问题也谈不上去解决。

（二）认知知识过程中单点结构

学生对于一些关于什么是什么的公式应用条件有了一些初步的了解，对于一些简单、可直接应用公式得出结论的问题形成一定的思路和方法，但只是一一对应地去解决问题。

（三）应用知识解决问题过程的多点结构

学生在已有的陈述性知识的基础上，已经掌握一些运用公式和规律解决一些涉及程序化的问题，初步形成运用物理规律解决问题的思路和方法，并在一定程度上能把有关的思路整合成一个有效的方法。

（四）提升解决问题时运用的关联结构

学生已经形成了关于某一类问题的多个思路和方法，并在一定程度上可能找到与此情境相关的物理思维方法和解题策略，并能把这个方法有意识地迁移到另一个问题情境中去。

（五）促进思维发展的抽象拓展结构

学生能够对已经学习和解决过的物理问题有意识地进行抽象的概括，从方法论的高度来分析问题、提升方法，同时从类别和问题的本质上进行有意义的拓展。

Solo是一个立体的、由点到面、由简单到复杂的思维结构，它摒弃了以往只是在宏观上探究学生思维能力的弊端，能够从具体可操作的点人手，有针对性地探讨学生思维能力的量与质的关系，从而更加科学、合理和客观地评价学生的物理思维能力。

二、物理思维能力形成的动态过程

物理思维能力的发展和解决物理问题策略的形成是影响一个学生终生学习能力的积极有效的方式和方法。关于物理思维能力的发展一直以来各家看法各不相同，但大都停留在对能力的分类方面，而真正从能力的层次上加以评价的却是少之又少。

热力学第一定律是高中物理选修3-3第十章第三节内容，普通高中物理课程标准对它的要求是：能运用热力学第一定律解释自然界中能量的转化问题。选修3-3中比较核心的两部分内容：一个是气体三个定律和理想气体状态方程；二是热力学第一定律。在教学过程中，其定律内容描述很清晰，学生从表面上也能理解得很好。它的结论是在前两节功和内能、热和内能两节的基础上得出的，应该说从知识的逻辑体系而言是很清晰的。在知识讲解过程中，让全体学生都处于单点结构也完全可以做到，但课程标准把热力学第一定律定位在：能运用热力学第一定律解释自然界中能量的转化问题。要达到这样的目标，仅有单点层次知识结构和多点层次知识结构是远远不够的，最终要达到关联结构甚至于抽象扩展层次。那么，如何从单点知识结构、多点知识结构扩展到相关知识结构呢？

（一）单点知识结构

1.作功可以改变物体的内能，用公式表示W=△U。

2.系统不从外界吸收热量，也不向外界放热，这样的过程叫绝热过程：Q=0。

3.热传递可以改变物体的内能：Q=△U。

4.热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做的功的和，公式：△U=Q+W。

（二）多点知识结构

1.做功和热传递都可以改变物体的内能，其效果是相同的，但其本质却是不同的，做功改变物体的内能是能量由一种形式转化为另一种形式，热传递改变物体的内能是热量由一个物体转移到另一个物体上。

2.一个系统如果是绝热过程，也就是此系统既不从外界吸收热量，同时也不会向外界放出热量，那么此过程就隐含着：（1）系统是密闭的，如果不密闭就会有热量的交换了；（2）系统内的研究对象质量是不变化的，如果变化，则其能量就变化了。

3.一个系统向外做功，必消耗能量，则w为负，我们就说功为负，即W<0；外界对系统做功，系统获得能量，我们就说功为正，即W>0。endprint

4.由前概念已知W=Fx

F=Ps

W=Psx=P（V2-V1）=P△V

（三）关联结构

1.分子平均动能和分子势能之和，统称为内能。分子平均动能是物体温度的标志，若物体的温度相同，则其平均动能就相同，因此，物体的温度变化是物体内能变化原因之一；分子势能是由于分子间的距离发生变化，从而导致分子势能发生变化，分子之间的距离发生变化，其宏观表现为体积变化，因此，物体的体积变化是物体内能变化的另一原因，因此，温度和体积是决定物体内能的两个因素。如果研究对象是理想气体，由于理想气体是一种理想化的模型，它成立的前提是分子之间没有相互作用力，也就是说，理想气体的分子没有分子势能，其内能仅由温度决定，与分子间距离无关。即理想气体的内能只是由温度决定，与体积无关。

2.热力学第一定律与气体实验定律结合在一起解决问题，在理解热力学第一定律的基础上，熟练掌握气体三个实验定律及三个实验定律的图像，能准确判断出气体变化过程中压强、体积和温度的变化。如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等压变化到状态B，此过程，气体的压强P=1.5×10⁵Pa，吸收的热量为Q=2×10²J，求此过程中气体内能的增量。

要解决这个问题，首先想到单点结构：

①热力学第一定律W+Q=△U；

②明确气体从外界吸收热量Q=2×10²J；

③氣体体积减小，外界对气体做正功，那么W=？

要想解决这个问题，只拥有单点结构就不够用了。

多点结构，W=P△V；要实现求W，我们必须得知道从A状态到B状态的过程中体积的大小。A状态体积已知，可是B状态的体积不知道。要想解决这个问题，就必须结合气体的状态看图像了。

关联结构：气体从A状态经等压变化到B状态，AB是一条等压线，则从A到B，由盖一吕萨克得V2=2升，则由此可得W=P△V=1.5J，Q=200J，则△U=W+Q=350J，此题正确解决。

三、促进学生思维由单点结构向关联结构发展的策略

物理思维能力的形成是建立在具体的物理知识基础之上的，但不等同于拥有物理知识物理思维能力就能自动形成。物理思维能力的形成不是具体物理知识的简单积累，而是在对具体知识的本质属性概括提升的基础上，发展出超越具体知识，拓展到解决其他问题的带有方法性质的思维方法。从知识的发生发展及变化过程来看，我们大致可以把知识分成三种类型：一是陈述性知识，也就是知道“什么是什么”，如力是物体和物体之间的相互作用；二是程序性知识，就是关于“怎么办”“怎么做”的知识。形成程序性知识过程的第一步就是要掌握本知识组块中的陈述性知识，陈述性知识经过各种变式训练，以产生式进行表征和存储于学生知识网络中，并逐渐形成自动化的技能；三是在一定情境中，程序性知识依据图示被逐渐提取出来，并应用于解决具体问题。如玻意耳一马略特定律本身是陈述性知识，应用定律解决实际问题时就是程序性知识。应用本定律解决等温问题时，首先要确定研究对象，其次看的是初状态参量，再看经过状态变化后，它的质量和温度发生变化的情况。如果m和T都没有发生变化就满足P1V1=P2V2，代人数据就可以求得结果。这是一道典型的“怎么做”的问题，只是相对新手和相对专家有些差别：学生作为相对新手，从知识角度拥有陈述性知识，不会应用陈述性知识解决具体问题；作为相对专家的教师就要先从单点结构的思维方式引导学生应用陈述性知识，当单点知识在某一知识点上让学生应用成熟了，就要扩展难度，引导学生应用知识解决问题，最后生成自动作化解决这一类问题的方法。当程序性知识形成自动化后，就要引导学生从单一的解决问题的方法跳开，从多角度多维度考量应用知识的角度，对同一类型问题构建一个模型。三是策略性知识，它是知识的最高境界。它从程序性知识形成自动的过程中，引导学生跳开具体物理问题的情境总结方法，从建立物理模型的角度引导学生去思考问题，不是单点对单点，而是单点集合体对关联，这样才能使学生会一题，知一类，提方法，促模型，有效地促进思维的发展，实现单点向多点关联结构的发展。endprint