SOLO分类理论在教学设计中的应用*——以“摩擦力”教学为例

张 静 朱巧萍 叶巧婷

(宁夏大学物理与电子电气工程学院 宁夏 银川 750021)

1 SOLO分类理论的起源及内涵

SOLO分类理论是Structure of the Observed Learning Outcome的简称，意为“可观察到的学习结果”.澳大利亚学者Biggs在《学生学习过程中的个体差异以及学习的质量》[1]一文中首先提出SOLO分类理论，该理论是在皮亚杰认知发展阶段论的基础上提出的，Biggs认为青少年在学习过程中整体上呈现阶段性，但是其思维水平存在个体差异.因此，教师在教学前应了解学生的认知发展水平，根据学生认知发展的需求，制定相应的教学目标，选择适当的教学方法，合理安排教学内容，从而宏观调控整个教学过程.SOLO理论将学生的思维水平主要分为以下5个层次：前结构水平、单点结构水平、多点结构水平、关联结构水平和抽象拓展结构水平，各思维层次的特点如表1所示.

表1 SOLO理论

本文以SOLO分类理论为基础，以高中物理“摩擦力”一节为例进行教学研究.

2 基于SOLO分类理论的教学目标与学情分析

习主席在全国两会上指出，“教育，无论学校教育还是家庭教育，都不能过于注重分数，分数是一时之得，没有形成健康成熟的人格.”现阶段我国教育的评价标准还停留在应试教育，过于注重学生的分数，而忽视学生终身发展所必备的知识技能.新一轮的高中物理课程标准提出，教育要注重发展学生的核心素养，培养学生的科学思维与能力，从而实现从应试教育向素质教育的转变.在新一轮高中物理课程标准中着重强调了物理学科核心素养，其主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面.课程标准中高中物理“摩擦力”的教学目标为“认识摩擦力，知道滑动摩擦和静摩擦现象，能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小”[2].本文将物理核心素养的4个方面与SOLO分类理论的5个层次相结合来设计教学目标.

2.1 分析学情确定教学任务

在确定教学目标之前，首先要分析学生的学习需求.学生在初中已经知道滑动摩擦力的概念及影响摩擦力大小的因素，但是对于摩擦力的理解不透彻，只是简单了解摩擦力的概念，对于“运动”和“相对运动”的理解匮乏，受到前概念等因素的影响，认为摩擦力就是阻碍物体运动的力，也就是阻力，学生认知水平处于单点结构水平[3].根据维果斯基的最近发展区理论，确定学生处于单点结构水平以后，应将发展学生的多点结构水平作为本节课的教学重点，通过教学活动使学生了解摩擦力的概念及产生条件，并以此水平结构为基础，确定下一个最近发展区[4].

2.2 结合理论设计教学目标

“物理观念”是物理概念在头脑中的提炼与升华，教学目标应定位于提升思维处于单点结构水平的学生对摩擦力概念的理解；“科学思维”部分包括在教师引导下学生对摩擦力产生条件的科学推理、认识摩擦力各个要素的相互关系；“科学探究”这一核心素养指学生基于探究实验提出问题，进行实验论证，充分整合知识提升思维结构水平；学生掌握本节课所学知识后，锻炼学生迁移知识，应用于具体的物理现象，具体教学目标如图1所示.

图1 “摩擦力”教学目标

3 SOLO分类理论与教学过程

物理概念、物理规律是物理学的核心，大部分的物理概念及规律具有抽象性.物体间的力是无法直接看见的，教师用讲授法进行授课时，学生很难建构物理模型并深入理解，因此如何在教学中引领学生的思维发展，促进学生思维由单点结构向多点结构的过渡，是本节教学的重点；运用仪器设备进行科学探究，探索摩擦力的大小及方向，使学生思维由多点结构水平提升到关联结构水平，是本节教学的难点.SOLO理论认为学习过程是一个由思维低水平向思维高水平迁移的过程，具体教学过程为以下几个环节.

3.1 创设情境奠定基础----引入摩擦力的概念

SOLO理论的基础环节，促进学生思维由单点结构水平向多点结构水平过渡.多数学生摩擦力的概念混淆不清,认为静止的物体不会受到摩擦力，运动的物体才有摩擦力的作用，处于单点结构水平.教师创设情境，引导学生观察实验并解决问题，使学生能够区分相对运动与相对运动趋势，理解静止的物体也可能受到摩擦力.

情境一：教师用两个刷毛相互交叉的牙刷提起一瓶1 000 mL的水，如图2所示.

图2 “大力”牙刷

提出问题：(1)牙刷是否会分开？(2)牙刷不会分开的原因是什么？

情境二：教师演示一个环绕在两根细线上的物体，如图3所示，自然状态下，物体静止于细线底部，通过拉动两根细线，物体向上移动.

图3 爬绳运动

提出问题：静摩擦力与滑动摩擦力的区别有哪些？

学生认知活动：

(1)牙刷会分开,受到向下的重力所产生的拉力作用.(单点结构水平)

(2)牙刷不会分开，受到摩擦力和重力共同作用.(多点结构水平)

(3)静止的物体所受的摩擦力为静摩擦力，运动的物体所受摩擦力为动摩擦力.(单点结构水平)

(4)相对静止的物体所受的摩擦力为静摩擦力，相对运动的物体所受的摩擦力为动摩擦力.(多点结构水平)

3.2 演示实验思维建构----探讨摩擦力的产生条件

SOLO理论的积累环节，促进思维在多点结构水平的学生知识产生量变.教师采用对比法进行演示实验，引导学生分析摩擦力的产生条件.

(1)教师演示气球提起水杯的实验(有压力作用)，如图4所示.

图4 隐形压力

(2)教师请两位学生用力拉相交的牙刷，引导学生观察刷毛的变化(具有相对运动趋势或者相对运动)，如图5所示.

图5 相交牙刷

(3)教师播放用肥皂水脱掉手腕上的镯子的视频(接触面粗糙程度).

多点结构水平是SOLO理论的关键环节，具有承上启下的作用.这一环节，学生在理解摩擦力概念的基础上，进一步探究摩擦力的产生条件，进行知识拓展，巩固多点思维结构水平.

3.3 科学探究产生质变----理解动摩擦因数及最大静摩擦力

SOLO理论的提升环节，促进学生思维结构由多点结构水平向关联结构水平发展.联系前面所学二力平衡知识，学生在教师引导下能够判断静摩擦力的方向，但是，处于多点结构水平的学生缺乏对已掌握知识的整合能力，通过简单的演示实验学生无法理解“最大静摩擦力”的概念.传统的探究摩擦力大小的实验也存在较大误差，采用DIS实验系统进行探究，可以直观地观察到摩擦力的数值变化及函数关系，在激发学生学习兴趣，培养学生操作能力的同时，更大程度上保证教学的科学性、严谨性，使学生理解“最大静摩擦力”及动摩擦因数的物理意义.

在实验探究之前，教师提出问题：(1)静摩擦力与动摩擦力可以相互转化吗？(2)如何计算摩擦力的大小？引导学生带着问题进行实验，有助于学生思维建构.

实验器材：力传感器(LW-F801)，摩擦力实验器(LW-6341).实验装置如图6所示.

(a)实物图

(b)示意图

实验操作：进入“摩擦力”专用软件，选择质量为100 g的摩擦块，在摩擦力实验器电动机牵引下，摩擦块由静止变为匀速运动状态，单击“停止记录”，观察实验曲线，如图7所示.在摩擦块上加不同质量的砝码，多次重复实验，记录数据，单击“摩擦力与正压力图像”，对数据进行“直线拟合”，如图8所示.

减水剂和膨胀剂：经过试验选用武汉冶建生产的JG-2H型聚羧酸高性能减水剂，该减水剂具有高减水、高保塌、抗分离及提高混凝土早期强度等综合功能；膨胀剂选用武汉三源生产的UEA-Ⅰ型膨胀剂。

图8 摩擦力与正压力函数图像

学生认为静摩擦力与动摩擦力没有必然联系，在初中也仅仅学习过影响滑动摩擦力大小的几个因素，缺乏定量研究，其思维处于多点结构水平.通过DIS探究实验，搭建动静摩擦力之间的桥梁，使学生理解物体所受静摩擦力突破一定临界值就会转化为滑动摩擦力，其数值等于物体即将开始运动的拉力大小.

分析实验数据，学生发现摩擦力大小与压力大小成正比，其比值定义为动摩擦因数，用μ表示，公式为

教师引导学生分析产生实验误差的原因，促进学生思维由关联结构水平向抽象拓展结构水平过渡.实验误差原因可能为以下几点：

(1)根据“摩擦粘附”理论，由于不存在绝对光滑的表面，两个表面相互接触时产生微小正压力，进而产生摩擦力，所以“Ff-Fn”不过原点.

(2)砝码受到拉力作用运动的过程中不能保证拉力方向与摩擦力方向正好为180°，所以收集的数据并不完全在“Ff-Fn”的函数图像上.

(3)物体由静止到运动的过程太快，导致“Ff-t”中滑动摩擦力一开始波动较大.

通过科学探究，学生知道了摩擦力的相关概念，能够运用摩擦力相关知识解决具体问题，根据SOLO理论，教师应引导学生将所学知识应用于生活实际，运用物理知识解决实际问题，并发散学生思维，改进生活中的仪器设备，促进学生思维水平向抽象拓展结构水平转变，使学生掌握策略性知识.

4 SOLO分类理论与教学评价

教学评价是对教学活动是否达到教学目标要求的整体的评价，传统的教学评价只注重教学结果，而忽视学生思维及认知结构的发展.以SOLO理论为基础进行评价，遵循学生认知发展规律，促进学生知识按照陈述性知识—程序性知识—策略性知识的方向发展[5].SOLO理论注重学生学习的过程而非学习的结果，教师设置相应习题引导学生作答，根据学生回答的内容、内容的逻辑体系，确定学生所处的思维层次，教师反思教学过程，并改进.

根据课程标准中要求学生本节课必须掌握的知识，本文选取两道覆盖SOLO理论3个层次的摩擦力习题，分析学生的作答情况，对学生的思维结构水平进行评价.

【例1】如图9所示，木箱重为10 kg,小孩用40 N的水平力推木箱，木箱不动，此时木箱受静摩擦力大小为多少？小孩用至少55 N的水平力推木箱，木箱才能被推动，则木箱与地面的最大静摩擦力为多少？小孩用70 N的水平力推动木箱做直线运动，若木箱与地面间的动摩擦因数为0.5，物体与地面的滑动摩擦力大小为多少？(g取10 m/s2)

图9 例1题图

学生的作答结果与思维层次的对应关系如表2所示.

表2 例1分析

【例2】如图10所示，水平放置的传送带以速度v=2 m/s向右运行，现将一小物体轻轻放在传送带A端，物体与传送带间的动摩擦因数μ=0.2,若A端与B端相距4 m,则物体由A到B的时间和物体到B端时的速度是多少？

图10 传送带示意图

解题过程略.

学生的作答结果与思维层次的对应关系如表3所示.

表3 例2分析

续表3

5 教学反思

SOLO理论是基于大量实验总结出的思维结构理论，在教学中应用SOLO理论有助于因材施教.“摩擦力”一节内容有其内在的复杂性，以SOLO理论为导向进行教学设计能够使本节教学内容由简单的摩擦力概念到复杂的动摩擦力计算，由具体的刷毛形变展现“相对运动趋势”到抽象的DIS探究最大静摩擦力，层层递进.根据学生的作答情况，教师反思教学设计过程，以优化整个教学活动，并给处于各个水平的学生有针对性地布置习题.但是SOLO理论并不完善，如各个思维结构水平的定位标准不一，每个学生的思维层次都有各自的特点，而教学只能考虑大部分学生的思维水平.因此，教师应在教学的各个环节中有选择地利用SOLO理论，有效促进学生思维发展.