基于SOLO分類理論的高中物理“機械能”學習進階研究

李爽　徐瑩

摘 要：學習進階是近年來科學教育研究的熱點，已有研究多集中在基本概念、知識銜接和關鍵能力幾個層面，而對學生的思維發展水平關注較少.將SOLO分類理論與學習進階相結合，是對物理學科學習進階研究的深化.“機械能”是“能量”主題下的重要概念，對培養學生的物理觀念具有重要意義.研究工作基于課程標準、教材和已有相關研究成果，以重要概念“機械能”為例，基于SOLO分類理論建構能真實刻畫學生思維特征的“機械能”學習進階框架，既能為教師進行其他主題的學習進階研究提供理論支撐，也能為一線教師開展有效教學提供實踐參考.

關鍵詞：SOLO分類理論;高中物理;學習進階;機械能

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0029-04

學生的認知發展過程是一個螺旋式上升的階段，每一階段對應的思維層次也隨之提高.近年來符合學生認知發展的學習進階開始被廣泛關注，但棘手的問題是如何對學生思維發展水平進行刻畫？目前，基于SOLO分類理論的學習進階可以更細致地觀察到學生思維結構以及發展的節點，相關研究已經在化學、生物等學科展開[1]，林建芬等人介紹了SOLO分類理論對劃分化學核心概念認知層級與進階路徑的指導意義，建構了中和反應概念進階學習的認知模型[2].唐耿義以高中生物“生態系統”為例，基于SOLO分類理論劃分進階水平并提出教學建議[3]. 但基于SOLO分類理論的學習進階研究在物理學科鮮有關注.本文基于SOLO分類理論描述學習進階路徑，再以高中物理“機械能”的回答水平為例，將可視化的思維結構與學習進階有效結合，既深化了學習進階的理論研究，同時也能指導教師針對不同思維層級的學生合理展開教學，提高學生的思維品質.

1 概念理解

1.1 學習進階

學習進階被定義為“對于一個可以作為學生長期學習的主題，學習進階就是對學生在學習這個主題過程中產生的連續且越來越復雜的思維方式的描述[4]”.目的應為學生設立怎樣的學習路徑，以期望呈現概念之間的邏輯關系，幫助教師引導學生循序漸進地學習主題知識，形成良好的認知結構.目前，絕大部分學者認為，學習進階主要包括以下五個要素：進階終點、進階變量、進階水平、各水平認知表現和相關測評工具.近兩年有關學習進階的解讀不斷豐富與發展，主要包括核心概念、重要概念、科學理解能力和不同學段知識的銜接問題，并且涉及力學、電磁學、光學等多分支.

1.2 SOLO分類理論

“SOLO”原意是“觀察到的學生學習結果的結構”，最初是由Biggs和Collis提出的一種描述智力發展的一般性框架[5].Biggs等人根據學生回答問題時所呈現出的思維結構將SOLO分類理論劃分為五種水平：前結構水平、單點結構水平、多點結構水平、關聯水平和抽象拓展水平，如圖1所示.單點結構水平屬于淺層思維，多點結構水平和關聯水平屬于中層思維，拓展抽象水平屬于高階思維.SOLO分類理論可以將學生在回答某一問題時的思維過程顯性化，具有界定清晰和可操作的特點.起初SOLO分類理論被廣泛用于開放性試題評價，后常將其作為開發課程計劃、評價認知類教學及診斷學生學業質量的有效工具.

1.3 重要概念

核心概念是組織整合某個學科自身內容的少數關鍵概念[6]，但由于其高度概括性、有限性等特點，還需要一系列下位概念做支撐，學術界稱其為重要概念.重要概念是構成科學理論體系的基石，是科學知識的主要組成部分.“能量”作為科學教育領域中的核心概念，在解釋自然現象、架構自然學科的理論中起著不可替代的作用，而“機械能”又是“能量”主題下的重要概念，是學習電磁能、熱能等的重要基石，在日常教學中具有更大的實際價值.

2 高中“機械能”內容梳理

2.1 基于課程標準的內容研究

課程標準是統領物理課程的綱領性文件，是教材編寫、教學、評價等的重要依據.《普通高中物理課程標準（2017年版）》關于必修二第八章“機械能及其守恒定律”這一節的內容描述見表1.

通過對課程標準的解讀發現，學生在初中已經對功和功率有了初步了解，定性知道動能、勢能、機械能等概念.在高中階段，學生將進一步從定量的角度發展這些概念，深入理解機械能守恒定律，把有關機械能的具體知識進行提升，能應用機械能守恒定律解決有關問題，體會利用機械能守恒定律解決問題的便利性，逐步學會從能量觀點和守恒觀點來分析問題，形成初步的能量觀念.

2.2 “機械能”單元概念框架分析

結合教材對各知識模塊進行梳理，呈現如圖2所示的概念邏輯關系，箭頭上方概念的學習有賴于下方概念，彼此相互依存，不可分割.在“機械能及其守恒定律”這一章，延續了初中機械能教學的大致脈絡，首先是理解功和功率，進而引出重力勢能、彈性勢能和動能，會從做功與能量轉化的角度判斷機械能是否守恒.功能關系是貫穿這一章內容的主要線索，學生如果能夠結合具體問題逐步理解這一線索，將有助于學生將全章知識融會貫通，為能量觀的發展打好基礎.因此，本文選取“機械能的定義和表現形式”“機械能的轉移、轉化和守恒”“做功和機械能的關系”這三個維度作為進階變量，既能整合知識結構也能覆蓋大部分主要內容.

3 基于SOLO分類理論的 “機械能”學習進階構建

3.1 學習進階路徑分析

SOLO分類理論與學習進階存在一定的內在一致性[7]，因此，筆者依據彼格斯的SOLO分類理論一書[8]，將學習進階的層級劃分與SOLO水平相關聯，將最低層級與前結構水平對應，一般為學生頭腦中已有的前概念或原始認知;最高層級與抽象拓展水平相對應，即學生的學習目標.中間層級劃分為單點結構、多點結構、關聯結構三個水平，并對每層水平對應的認知表現進行詳細說明，這是構建學習進階和評價進階水平的參考標準，見表2.

為了更好地說明進階路徑劃分，在此以“功”為例，即利用已有知識認識功的概念，利用單一信息識別做功過程伴有能量轉化的過程，利用多個線索描述并解決功相關的問題，利用整合的知識分析功與能的關系，利用不同視角推理功能關系并形成初步的能量觀念.

3.2 SOLO水平對應的“機械能”學習進階

根據對上述SOLO分類理論下學習進階路徑的分析，結合“機械能”的內容梳理，嚴格建構能夠描述學生對“機械能”認知表現的進階假設（見表3），學生必須通過新知識的積累和思維的不斷深化來獲得上位層面認知的進步.

4 結論與啟示

綜合以上分析，以SOLO分類理論為基礎來指導學習進階框架的建立，能夠為學生提供合理的思維進階路徑，使進階框架更加具有可操作性和評價性.此外，還可以得到如下啟示：首先是教學方面，教師可以依據SOLO分類理論，參照“機械能”的進階框架對其他主題的教學內容進行重新編排，設計出符合學生認知發展的學習進階框架，既有利于教師制定合理的教學目標，又能幫助教師檢測教學效果;其次是學習方面，通過SOLO分類理論的可視化水平表現，學生能夠清楚地

認識到自己在概念理解方面的不足，通過自我的不斷反思與調整，激勵自己沿著更深層次的思維路徑發展;最后是評價方面，教師可依據SOLO分類理論形成每個階段的評價線，教學評價時不能以知識目標為唯一標準，更要注重對學生思維水平的評價，同時在教學中用評價來激勵學生，實現”教、學、評”的一體化.

參考文獻：

[1]劉妍君，段玉山，周維國.基于SOLO分類理論的中學地理概念認知建構與學習進階——以“地球公轉”為例[J].地理教學，2020（05）： 16-20.

[2]林建芬，陳博殷，黃碧蕓.基于SOLO分類理論探討化學核心概念的學習進階與教學銜接——以人教版“中和反應”為例[J].化學教學，2016（11）： 24-29.

[3]唐耿義，胡云.基于SOLO分類理論的核心概念學習進階探析——以高中生物“生態系統”為例[J].中學生物教學，2019（05）： 30-32.

[4]安秋，王長江.“質量”概念學習進階的初步研究[J].物理教師，2020，41（05）： 2-5+9.

[5]蔡永紅.SOLO分類理論及其在教學中的應用[J].教師教育研究，2006（01）： 34-40.

[6]郭玉英，姚建欣，張靜.整合與發展——科學課程中概念體系的建構及其學習進階[J].課程·教材·教法，2013，33（02）： 44-49.

[7]羅曉燕，李佳，袁萍.SOLO分類理論與學習進階比較研究[J].課程教學研究，2021（01）： 12-17.

[8]李祥兆.學生思維評價的新視角——SOLO分類評價理論評述[J].教育科學研究，2005（11）： 22-24.

（收稿日期：2021-08-18）

作者簡介：李爽（1996-），女，吉林舒蘭人，碩士研究生，研究方向：學科教學（物理）.

指導教師：徐瑩（1987-），女，吉林松原人，博士，實驗師，碩導，研究方向：物理實驗教學研究、物理課程與教學論.