國外有關學生對電場和電勢概念理解的研究

尹雪靜 盧慕稚

(首都師范大學 北京 100048)

1 學生對電場概念的理解

1．1 學生對電場線的理解

來自于斯德哥爾摩皇家理工學院的T?rnkvist, Pettersson 和 Transtr?mer[1]調查研究了大學生對電場線的理解.研究過程分為兩個階段.

第一階段:采用來自于Wilson和Hacket的一份紙筆測驗,如圖1.以皇家理工學院566名二年級學生為研究對象，通過電磁課程的期末考試的形式進行了測試.圖1中電場線共有三個錯誤，一是形成了閉合圓圈的電場線L；二是出現了突然劇烈彎曲的電場線K；三是兩條電場線相交于一點X.研究者要求學生找出圖中描繪出的電場線存在的錯誤并做出相應解釋.

圖1 帶電體A,C與不帶電物體B間電場線存在錯誤

注：本人認為，此圖一處還有問題.B上的電荷到左邊A的5條電場線的方向應與箭頭相反.但因英文文獻中的原圖如此，為尊重原文獻，先不做修改.

第二階段：為了進一步探究學生的推理方式，研究者在筆試后的兩年隨機選出87名學習完電學課程的學生進行訪談，訪談涉及到電場線的7類問題.

(1) 給定電場線、電荷，畫力矢量;

(2)給定力矢量畫電場線;

(3)給定電場線、電荷和電荷運動軌跡,畫力矢量;

(4)給定電場線和電荷位置，畫電荷以初速度為零運動的軌跡;

(5)給定電場線、電荷位置，畫出質量相同，電荷相反的兩個電荷以一定初速度運動的軌跡；

(6)當場源電荷量增加1.5倍時，對給定的電場線進行修改;

(7)給定兩電場線間的P點處電荷受到的力矢量，畫出電場線上Q點處同樣的電荷受到的力矢量.

通過兩個階段的測試，研究者得出以下幾點重要結論：

(1)學生不能很好地把數學領域的知識遷移到物理領域中，不能較好應用數學中的概念.其中包括唯一性(場在空間中任一點只有一個值)、連續性(場必須是連續的，即場要存在空間導數)、成比例性(電場線間隔的大小必須與電場本身的強弱成比例)、一一對應性(電場線中每一點對應電場中一個值).

(2)學生沒有把電場線看作是一系列表征空間矢量屬性的曲線(即數學工具)，而是賦予了電場線更多的物理意義，認為它們是空間中孤立的實體.

(3)學生對概念間的層次順序，電荷體—電場線—力矢量(速度矢量)—軌跡，沒有很好的理解.

對于第三個結論，來自于北卡羅來納州立大學的一項非正規研究表明，專家也和學生一樣存在對場線和軌跡線區分不清的現象.研究者Petterssond[1]等人根據Johansson和Viennot的報告，推測原因可能是“學生對力學存在錯誤概念，對力(加速度)—速度的層次順序理解不深刻”.這也體現了物理前概念的頑固性特點，即由于學生在生活中體驗過對物體施加更大的力，物體運動得就越快，因此很容易得出力越大速度越大的相異概念.這類概念即使采用傳統教學進行更正也很難改變 .已有研究表明，促進概念轉變的教學方法可能是有效的課堂工具.那么，這就要求教育工作者在實際教學過程中采取恰當的概念轉變策略，從而實現學生對概念全面深刻的理解，如創設物理情境引發學生認知沖突，完成新舊經驗的順應(修正認知結構)；利用比喻和類比的方法將學生原有經驗擴展到新的領域(具體認知結構)，以及關注學生如何學習概念,致力于教會學生如何去學習概念(自我監督和控制學習).

1．2 學生對電場疊加原理的理解

Rainson, Transtr?mer和 Viennot[2]關注學

生在電場中應用疊加原理時存在的困難，研究者把瑞典和法國1145名學生按其學習水平從低到高分為4類：

(1)只學習過電路和靜電學導論;

(2)接觸了庫侖定律和高斯定理;

(3)研究過靜電平衡下導體的電荷分布，理解含有電荷面密度σ的場強表達式;

(4)知道電介質和麥克斯韋方程組.

研究者以書面測試的形式主要研究了“巧克力冰淇淋模型問題”(圖2)、高斯定理以及靜電場與電路統一性三個方面.各問題的要求、結果和出現較多的相異概念詳見表1.

圖2 巧克力冰淇淋模型

表1 對三個方面的研究結果

研究者隨后又通過對10名學生的訪談最終得出了如下結論：

(1)一系列的課程只是在學生頭腦中留下了無關聯的知識片段;

(2)學生需要一種效果(如處于電場中的電荷受力運動)來接受電場的存在，且這種需要非常強烈;

(3)學生易于把物理公式右邊的量誤解為公式左邊物理量的原因，不能正確理解其數學上的關系;

(4)學生缺乏對電場的完整理解，孤立認識靜電場和電路，認為電荷在靜電場和電路中運動時電場不是同一個概念.

研究者指出對以上問題應認真對待，Sherwood和Chabay提出的讓學生分析電路中面電荷短暫運動的建議，把正確理解疊加原理以達到對電現象全面的認識作為教學目標，并強調在靜電場和穩恒電路中，應從電荷的角度尋找電場來源.

2 學生對電場和電勢關系的理解

David P. Maloney等人[3]通過制定的電磁概念量表(CSEM)發現學生處理電勢與電場關系時存在一些問題：對由電勢的變化(增大或減少)判斷電場方向有困惑；對由等勢線推導出電場強弱存在困難，往往認為等勢線間距越大對應的電場越強.

Hauger[4，5]調查研究了高中生和大學生對變化率概念的理解，發現其理解變化率概念存在困難，往往采用平均變化率的推理方式理解瞬時變化率.針對這一情況，Rhett Allain和Robert Beichner[6]推測學生對理解電勢與電場關系的困難可能就在于不能很好地掌握變化率的概念.為此，他們開發了由多選題構成的變化率-電勢測試卷(RAPT).問卷涉及學生對變化率可能存在以下的思維模式：

(1)一個量與它的變化率(如電勢和電場)表現一致，兩者同增同減；

(2)如果一個量是零，則它的變化率也是零；

(3)如果一個量不是零，則它的變化率不可能是零；

(4)如果一個量處于最大值，則它的變化率也處于最大值.

通過對問卷統計和隨后的訪談，研究者得出了“學生對變化率和電勢概念的理解存在相似錯誤”的結論.教師可以根據認知結構遷移理論，改變學生認知結構，以達到促進遷移的目的，具體來說就是教師在教授電勢和電場關系時最好先幫助學生復習變化率知識，為新知識的學習提供認知框架.同時，由于數學與物理聯系最緊密、相關性最大，根據遷移的共同要素理論，兩種學科間的相關性直接決定了學習遷移的發生，數學學習直接影響了物理學習遷移能力.因此,教師要注意培養學生的數學能力，促進數學學習的正遷移.

3 討論

綜合以上情況，不難看出國外在對學生理解電場、電勢概念方面的研究已經取得了一些有價值的成果，而我國在此領域深入研究的相對較少，主要還停留在經驗層面上.其中值得討論的有兩點.

(1)已有研究[7]表明，測試場景與學生的相異概念對應的概括化場景特征越匹配，學生越易于呈現出相應的相異概念.這是由于在這種場景中學生需要調用的思維資源多，涉及的思維步驟復雜，學生為了減輕思維負擔更傾向于依據熟悉的經驗解決問題.而縱觀國內關于學生對電場、電勢概念理解的相關研究，可以發現研究者開發的測試題部分呈現的是概念辨析場景或是與學生相異概念對應的概括化場景特征匹配度不高的場景，我們對此所得出的學生對相關概念的理解情況表示質疑.同時有些研究者直接采用CSEM問卷進行測試，但問卷中涉及學生有關電場、電勢概念的理解還不夠全面，比如缺乏學生對電場線特點的理解等.那么如何借鑒國外研究使用的測試題和開發的概念量表，并結合我國高中物理教學的具體情況設計出能夠有效檢測出學生關于電場、電勢概念理解情況的測試題，則有待進一步研究.

(2)通過研究國內關于學生電學部分相異概念相關論文，發現在解釋學生出現的相異概念原因時，研究者還停留在 “電學內容抽象,學生不能建立正確的物理模型以及不能正確全面理解物理概念”等較淺層次，而根據概念認知與轉變的理論(Posner的概念轉變理論、Chi的概念轉變理論、Vosniadou的框架理論以及Disessa的知識碎片模型等)去挖掘學生在電場、電勢概念方面出現的相異概念所對應的本體論和認識論，進而剖析學生深層思維以便找到相應的科學概念建立方法，有待進一步研究.

參考文獻

1 T?rnkvist, S., Pettersson, S.K., & Transtr?mer, G. Confusion by representation: On students' comprehension of the electric field concept.American Journal of Physics, 1993(61): 335～338

2 Rainson, S., Transtr?mer, G. ,&Viennot, L. Students' understanding of superposition of electric fields. American Journal of Physics, 1994(62): 1 026～1 032

3 D. Maloney, T. O' Kuma, C. Hieggelke, and A. Van Heuvelen .Surveying students' conceptual knowledge of electricity and magnetism.American Journal of Physics,2001(69): S12～23

4 Hauger, G.S. Rate of change knowledge in high school and college students. A paper presented at the annual meeting of the American Education Research Association, San ,1995.Francisco, CA

5 Hauger, G.S.Growth of knowledge of rate in four precalculus students. A paper presented at the Annual Meeting of the American Educational Research Association,Chicago, IL, 1997

6 Rhett J. Allain and Robert J. Beichner.Rate of Change and Electric Potential.Physics Education Research Conference ,2004(790):69～72

7 許桂清.基于教學導向的高中生力學迷思概念與科學概念信息比對圖研究.北京師范大學博士論文,2011