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基于SOLO分类理论的物理试题分析及教学启示——以2024年山东高考物理为例
Analysis of Physics Test Questions Based on SOLO Taxonomy and Teaching Implications — A Case Study of the 2024 Shandong College Entrance Examination in Physics
引言
“为思维而教”是当下教育教学的本质要求和行动指南，伴随着时代的发展和科学技术的创新，对人才培养也展现出由知识基础向思维能力过渡的倾向。如今，对于学生思维发展的关注已经不仅局限于课程开发和教学实施等方面，考试评价领域也进行了渗透。
《中国高考评价体系》中指出：“要着重对学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力进行考察。”这不仅对高考物理的命题工作起到了高屋建瓴的作用，而且对当下的物理教学提供了旗帜鲜明的指向。新的普通高中物理课程标准颁布以来，近些年的物理试题考察明显呈现出由知识基础向思维能力过渡的趋势。由于高考试题对于教师课堂教学和学生复习备考具有强大的指向性，因此本研究运用SOLO分类理论对2024年山东高考物理试题进行分析，探索高考物理试题对学生思维层次的要求，并对教育教学提出针对性的教学建议。
一、SOLO分类理论下的思维层次划分
要想得到物理试卷对于学生考察的思维情况，就必须要对高考物理所考察的思维层次进行结构划分与分理归类。SOLO(Structure of the observed learning outcome)分类理论在对思维的不同复杂层次上，提供了一个分类的框架，已经被广泛应用于试题分析和学业质量评估等领域。
SOLO分类理论是由教育心理学家JohnB.Biggs提出的。该理论受到了皮亚杰认知发展阶段理论的影响，在其基础上所形成。JohnB.Biggs认为，不仅从整体上来看，人的认知发展具有阶段性的特点，而且在对于认知具体的知识过程中，人的发展也具有阶段性。
SOLO分类理论认为，虽然无法直接观测和评估学生的认知能力和思维结构，但可以通过学生在对具体问题作答之后来间接进行表征，依照问题解决的难度和运用知识的关联度来间接反映学生的认知能力和思维结构。按照问题呈现的复杂程度，SOLO分类理论将学生的思维层级结构由浅到深、由浅显到复杂划分了五个层级，分别是前结构水平（简称P水平）、单点结构水平（简称U水平）、多点结构水平（简称M水平）、关联结构水平（简称R水平）和抽象拓展结构水平（简称E水平）。这五个相邻的层级由表面到核心描述出学生在问题解决时的思维表现，揭示了思维发展变化的过程，显现出由不能胜任的新手向专家水平的转变。在SOLO分类理论下，不同层次下的学生具有不同的思维特征，不同的思维特征具有不同表现，如表1所示。
| SOLO层次 | 思维特征 | 思维表现 |
|---|---|---|
| 前结构水平（P） | 逻辑混乱、同义重复 | 学生在解决物理问题时，缺乏必要的物理知识基础和逻辑思维，对问题的回答只在表层进行重复 |
| 单点结构水平（U） | 关注单一信息进行问题对应 | 学生在物理问题解决时，可以从给定的背景材料中提取单一的线索，并据此运用单个所学知识解决问题 |
| 多点结构水平（M） | 运用较少的信息对应问题，但信息之间彼此孤立或关联不大 | 学生在解决物理问题时，可以从给定的背景材料中提取多条信息，但据此运用多个知识解决问题时彼此孤立或关联不大 |
| 关联结构水平（R） | 将信息进行有机整合，对问题整体理解和把握 | 学生在解决物理问题时，能够从给定的背景材料中提取多条线索，并进行有机整合，能够运用知识点的关联和逻辑关系解决问题 |
| 抽象拓展结构水平（E） | 在关联结构的基础上可以深化问题，对新的问题情境抽象概括 | 学生在解决物理问题时，可以通过多种推理方式进行演绎，对给定的背景材料进行抽象概括，得到新的信息，运用多重知识和归纳推理解决问题 |
二、2024年山东高考物理试题的编码标准及结果
山东高考物理试题由单选题、多选题、实验题和计算题构成。单选题设有8道，每题3分；多选题设有4道，每题4分；实验题设有2道，分值分别为6分和8分；计算题设有4道，分值分别为8分、8分、14分和16分。总分100分，考试时间为90分钟。
由于前结构层次下的思维特点呈现逻辑混乱、表义重复等特征，因此试题在考察学生思维能力时也就不存在与之相对应的题目，研究通常在试题质性分析时不涉及前结构水平。因此，本研究在对高考试题进行编码和分析时，只对另外四种思维层次对应的结构水平来展开。
SOLO分类对于思维特征及其表现的描绘，是对高考物理试题进行思维层次划分的前提。在曾建国、鲁依玲等学者的先前研究基础上，结合表1内容，制定了基于SOLO分类理论下的高考物理试题的思维层次，如表2所示。为了解高考物理试题所覆盖的知识内容和广度，将题目背后所考察的知识点与对应课程进行了编码。由于高中物理课程包含3本必修和3本选择性必修，知识点的编码上，属于必修1到必修3的编码为1~3，同理将选择性必修1到选择性必修3编码为4~6。
| SOLO层次 | 划分依据 | 解题涉及到的知识点数量 | 编码 |
|---|---|---|---|
| 单点结构水平 | 只需要合理运用一个知识点，便可以解决问题 | 1 | U |
| 多点结构水平 | 需要正确运用2个及以上的知识点，但在解决此类问题时无需将知识点相联系 | ≥2 | M |
| 关联结构水平 | 正确解答此类问题，需要从题干背景信息中抓取3个及以上的信息，并运用知识点的联系才能解决 | ≥3 | R |
| 抽象拓展结构水平 | 正确解决此类问题，需要运用抽象思维和发散思维，从题干中提取多个信息并与3个及以上的知识点进行迁移，得到更加广泛抽象的结果 | ≥3 | E |
由于文章篇幅的限制，不可能将2025年山东高考物理的所有题目编码进行呈现。因此从单选题、多选题、实验题和计算题中分别选择一题进行编码展示，显示试题的编码依据。
例1（2024年山东卷第1题）：
试题编码与分析：本题以神州十八号与嫦娥六号等航天器作为背景，考察了原子核衰变时质量数守恒和电荷数守恒的知识点，以及原子核衰变时具有半衰期。在解决本题时，无需将这两个知识点前后串联来进行分析推理，因此判断其SOLO层次为多点结构水平M。因为这两个知识点属于选择性必修3，因此将本题编码为6-M。
例2（2024年山东卷第9题）：
试题编码与分析：本题考察了简谐横波在均匀介质中的传播。学生需要结合波的传播方向以及波的叠加知识，将波形图进行平移来判断质点P的位置或者运动方向。由于作答时需要从图像中提取信息，并结合机械波的知识进行演绎推理与表征，因此判定为多点结构水平。最终将其编码为4-R。
例3（2024年山东卷第13题）：
试题编码与分析：本题由三个子问题所组成。问题（1）考察两物块在碰撞前后，各自速度会发生突变，仅涉及选择性必修1中一个孤立的知识点，判定为单点结构，编码为4-U；问题（2）考察利用x-t图像的斜率求速度，仅涉及必修1的一个知识点，同样为单点结构，编码为1-U；问题（3）在考察利用图像提取信息的基础上，结合动量守恒和题目所给条件，要求学生将所学知识与题目信息进行有机整合，判定为关联结构，编码为1-R、4-R。
例4（2024年山东卷第15题）：
试题编码与分析：本题设有两个小问。问题（1）是结合数学知识的基础上，考察折射定律中入射角与反射角之间的关系。并没有对知识点之间的联系进行考察，因此编码为4-M；问题（2）考察了光线发生全反射的条件，以及折射定律与数学表征，要求学生将所学的以上光学知识与题目所给的图相关联，从中抽象出有用的信息并列出方程解决问题，因此判定为关联结构，将其表征为4-R。
按照上述的标准对2024年山东高考物理的所有试题进行了编码。为了研究结果更加精确，将实验题和计算题采用对其每个小问进行编码的方式。然而在编码过程中，因为研究者的主观性难以避免，为了使试题内容的分析具有更高的信度，本研究由1名学科教学物理方向的研究生和2名资深的高中物理教师分别对整套试卷所有习题进行了独立编码。在编码结束后，对编码存在不同导致分歧的题目进行了进一步地讨论，直到最终的意见区域统一。最终对2024年山东高考物理试题的编码如表3所示。
| 题型 | 题号 | 内容编码 | SOLO层次编码 | 编码结果 | 分值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 单选题 | 1 | 6 | M | 6-M | 3 |
| 2 | 1 | M | 1-M | 3 | |
| 3 | 1 | R | 1-R | 3 | |
| 4 | 4 | M | 4-M | 3 | |
| 5 | 2 | M | 2-M | 3 | |
| 6 | 6 | R | 6-R | 3 | |
| 7 | 1、2 | E | 1-E、2-E | 3 | |
| 8 | 5 | R | 5-R | 3 | |
| 多选题 | 9 | 4 | R | 4-R | 4 |
| 10 | 1、2、3 | R | 1-R、2-R、3-R | 4 | |
| 11 | 1、2、5 | R | 1-R、2-R、5-R | 4 | |
| 12 | 2 | E | 2-E | 4 | |
| 实验题 | 13（1） | 4 | U | 4-U | 6 |
| 13（2） | 1 | U | 1-U | ||
| 13（3） | 1、4 | R | 1-R、4-R | ||
| 14（1） | 3 | U | 3-U | 8 | |
| 14（2） | 3 | M | 3-M | ||
| 14（3） | 3 | U | 3-U | ||
| 14（4） | 3 | M | 3-M | ||
| 计算题 | 15（1） | 4 | M | 4-M | 8 |
| 15（2） | 4 | R | 4-R | ||
| 16（1） | 6 | R | 6-R | 8 | |
| 16（2） | 6 | E | 6-E | ||
| 17（1） | 2 | U | 2-U | 14 | |
| 17（2）（i） | 1 | R | 1-R | ||
| 17（2）（ii） | 1、2、4 | E | 1-E、2-E、4-E | ||
| 18（1） | 3、5 | M | 3-M、5-M | 16 | |
| 18（2） | 1、3、5 | R | 1-R、3-R、5-R | ||
| 18（3） | 1、3、5 | E | 1-E、3-E、5-E |
三、对编码结果的分析及教学建议
从编码完之后得到的数据来看，2024年山东高考物理试题在对学生思维考察方面，呈现出覆盖面广、梯度明显的特点，SOLO分类理论下的四个思维结构水平都得到了包含。通过将题目进行梯度差异化设置，使不同层次学生的思维水平都得到了有效监测，满足了对于人才选拔的要求，注重了高考物理试题长久以来的选拔性与公平合理性。
| 单点结构（U） | 多点结构（M） | 关联结构（R） | 抽象拓展结构（E） | |
|---|---|---|---|---|
| 必修1 | 13（2） | 2 | 3、10、11、13（3）、17（2）（i）、18（2） | 7、17（2）（ii）、18（3） |
| 必修2 | 17（1） | 5 | 10、11 | 7、17（2）（ii） |
| 必修3 | 14（1）、14（3） | 14（2）、14（4）、18（1） | 10、18（2） | 12、18（3） |
| 选择性必修1 | 13（1） | 4、15（1） | 9、13（3）、15（2） | 17（2）（ii） |
| 选择性必修2 | 18（1） | 8、11、18（2） | 18（3） | |
| 选择性必修3 | 1 | 6、16（1） | 16（2） |
将2024山东高考试题每题所考察的知识模块内容和SOLO分类理论下的思维层次相对应，可以得到两者的二维表，如表四所示。
从2024山东高考物理试题的整体来看，其对4个思维层次的考察都有涵盖。按照对于每个思维层次考察题目的多少，数量占比大小依次为：关联结构（R）>多点结构（M）>抽象拓展结构（E）>单点结构（U）。但是按照对思维层次考察的分值来看，抽象拓展结构（E）考察的分值实际上比多点结构（M）的分值更多。
山东高考物理试卷难度与区分度十分显著，对于各种思维层次考察的题目分值设置合理。R水平考察的题目数量与分值均是最多，体现出山东高考物理试题着重对学生分析综合能力的考察，要求学生从题目背景中提取有效的信息，在对信息关联符合的基础上结合所学知识解决问题；E水平考察的分值次之，体现出山东高考物理试题对于学科核心素养的关注，要求考生不仅要掌握物理的基本原理与规律，还要具备良好的演绎推理和数学能力，通过归纳和抽象概括等思维方法解决问题，这部分题目的设置满足了对于创新人才选拔的要求，有利于加强对学生思维水平发展的关注；M水平和U水平的试题也都有所覆盖，体现了对于物理学科基本概念的简单考察，如原子核的衰变、螺旋测微器的读数、薄膜干涉的特点等，说明了命题人对于物理基础知识的重视。
从对知识模块的考察方面来看，2024年山东高考物理对整个高中六本书的教材内容做到了尽可能的覆盖，虽然可能由于题目数量的有限导致部分细微的知识点难以包含，但整份试卷总体上对知识的侧重十分明显，详略得当。整份试卷以力学和电磁学为主，热学和光学的重要模型也进行了考察。必修知识的内容是整份试卷考察的重点，无论是哪个思维层次，都进行了涵盖，体现了对于物理基本定律和基础模型的重视，如牛顿运动定律、能量守恒、受力分析等。选择性必修知识的内容在试卷考察上以关联结构和抽象拓展结构为主，如理想气体的充放气问题、动量守恒、电磁感应定律等，体现出山东高考物理注重对于知识的关联整合与迁移创新。
从试题情境的设置方面来看，题目的选材生动鲜活，凸显科技创新与生产生活。在运用SOLO分类理论对试题的思维层次进行分析时，题目的情境是不可忽视的背景因素。2024山东高考物理试题的题目，超过一半创设了真实情境，或是联系科学技术前沿，或是联系生产生活实际，对学生从题目背景情境中提取信息，将信息与所学知识结合来解决问题的能力进行了考察。例如，试卷的第1、2、5题显示了我国在航空航天领域的辉煌成就，以嫦娥十八号、国产机器人“天宫”等为背景信息，激发学生的民族自豪感，激励学生树立志存高远的理想，彰显了高考试题的育人价值；试卷的第12题，以工程施工时在峡谷两岸抛射重物为背景素材，考察抛体运动的基本规律，将试题融入生产生活场景，培养学生热爱劳动的思想观念，强调劳动教育在立德树人层面的深远意义；第16题，以战国时期汲酒器为素材，考察理想气体的等温变化和容器的充放气问题，彰显了物理知识在实际生活中的运用，更加深层次地检验了学生的迁移创新能力。通过对于实际问题建模分析，引导学生从只是会“解题”向“真正解决问题”的思维能力提升。
基于以上运用SOLO分类理论对2024山东高考物理试题的分析，结合教学实际与人才培养要求，提出一些教学启示来指导教学实践。
加强物理知识的结构融合，提升物理思维。通过对2024山东高考物理试题的分析，可以看出对于关联结构和抽象拓展结构层次的思维考察占比非常高。教师在教学中要注重帮助学生建构知识网络和培养学科关键能力，促进学生进行自主反思与抽象概括。教师在引导学生分析问题时，要注重对学生已有知识的深化整合，促进新旧知识的相互作用；要引导学生从多方面的视角分析物理问题，不断丰富自我的思维结构，帮助学生搭建复杂问题的解决思路，促进学生的思维层次由多点结构向关联结构和抽象拓展结构转变。
创设生态的教学情境，活跃物理思维。2024山东高考物理试题对学生从情境中提取信息，结合所学知识解决问题的能力考察贯穿于试卷的始终。在教学中，教师要注重设立一些与科技前沿和生产生活相关联的物理情境，活跃学生的物理思维，使学生从情境中提取信息并进行关联符合，促进学生基于真实情境下，真正解决问题的能力提升；教师要重视对情景化习题的选取，合理科学地调整试题情境与知识的嵌合方式，分层次和分阶段锻炼学生抽象概括信息的能力，优化学生的思维水平。
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