國外有關(guān)學(xué)生對(duì)電場(chǎng)和電勢(shì)概念理解的研究

國外有關(guān)學(xué)生對(duì)電場(chǎng)和電勢(shì)概念理解的研究

一、學(xué)生對(duì)電場(chǎng)概念的理解1.學(xué)生對(duì)電場(chǎng)線的理解來自于斯德哥爾摩皇家理工學(xué)院的Trnkvist，Pettersson和Transtrmer[1]調(diào)查研究了學(xué)生對(duì)電場(chǎng)線的理解。研究過程分為兩個(gè)階段。第一階段：采用來自于Wilson和Hacket的一份紙筆測(cè)驗(yàn)，如圖1。以某校566名學(xué)生為研究對(duì)象，通過電磁課程的期末考試的形式進(jìn)行了測(cè)試。圖1中電場(chǎng)線共有三個(gè)錯(cuò)誤，一是形成了閉合圓圈的電場(chǎng)線L；二是出現(xiàn)了突然劇烈彎曲的電場(chǎng)線K；三是兩條電場(chǎng)線相交于一點(diǎn)X。研究者要求學(xué)生找出圖中描繪出的電場(chǎng)線存在的錯(cuò)誤并做出相應(yīng)解釋。注：筆者認(rèn)為，此圖一處還有問題。B上的電荷到左邊A的5條電場(chǎng)線的方向應(yīng)與箭頭相反。但因英文文獻(xiàn)中的原圖如此，為尊重原文獻(xiàn)，先不做修改。第二階段：為了進(jìn)一步探究學(xué)生的推理方式，研究者在筆試后的兩年隨機(jī)選出87名學(xué)習(xí)完電學(xué)課程的學(xué)生進(jìn)行訪談，訪談涉及電場(chǎng)線的7類問題。（1）給定電場(chǎng)線、電荷，畫力矢量；（2）給定力矢量畫電場(chǎng)線；（3）給定電場(chǎng)線、電荷和電荷運(yùn)動(dòng)軌跡，畫力矢量；（4）給定電場(chǎng)線和電荷位置，畫電荷以初速度為零運(yùn)動(dòng)的軌跡；（5）給定電場(chǎng)線、電荷位置，畫出質(zhì)量相同，電荷相反的兩個(gè)電荷以一定初速度運(yùn)動(dòng)的軌跡；（6）當(dāng)場(chǎng)源電荷量增加1.5倍時(shí)，對(duì)給定的電場(chǎng)線進(jìn)行修改；（7）給定兩電場(chǎng)線間的P點(diǎn)處電荷受到的力矢量，畫出電場(chǎng)線上Q點(diǎn)處同樣的電荷受到的力矢量。通過兩個(gè)階段的測(cè)試，研究者得出以下幾點(diǎn)重要結(jié)論：（1）學(xué)生不能很好地把數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)遷移到物理領(lǐng)域中，不能較好應(yīng)用數(shù)學(xué)中的概念。其中包括唯一性（場(chǎng)在空間中任一點(diǎn)只有一個(gè)值）、連續(xù)性（場(chǎng)必須是連續(xù)的，即場(chǎng)要存在空間導(dǎo)數(shù)）、成比例性（電場(chǎng)線間隔的大小必須與電場(chǎng)本身的強(qiáng)弱成比例）、一一對(duì)應(yīng)性（電場(chǎng)線中每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)電場(chǎng)中一個(gè)值）。（2）學(xué)生沒有把電場(chǎng)線看做是一系列表征空間矢量屬性的曲線（即數(shù)學(xué)工具），而是賦予了電場(chǎng)線更多的物理意義，認(rèn)為它們是空間中孤立的實(shí)體。（3）學(xué)生對(duì)概念間的層次順序，電荷體一電場(chǎng)線一力矢量（速度矢量）一軌跡，沒有很好地理解。對(duì)于第三個(gè)結(jié)論，來自于北卡羅來納州立大學(xué)的一項(xiàng)非正規(guī)研究表明，專家也和學(xué)生一樣存在對(duì)場(chǎng)線和軌跡線區(qū)分不清的現(xiàn)象。研究者Pettersson[1]等人根據(jù)Johansson和Viennot的報(bào)告，推測(cè)原因可能是“學(xué)生對(duì)力學(xué)存在錯(cuò)誤概念，對(duì)力（加速度）一速度的層次順序理解不深刻”。這也體現(xiàn)了物理前概念的頑固性特點(diǎn)，即由于學(xué)生在生活中體驗(yàn)過對(duì)物體施加更大的力，物體運(yùn)動(dòng)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(tǒng)教學(xué)進(jìn)行更正也很難改變。已有研究表明，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)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(shí)際教學(xué)過程中采取恰當(dāng)?shù)母拍钷D(zhuǎn)變策略，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)概念全面深刻的理解，如創(chuàng)設(shè)物理情境引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，完成新舊經(jīng)驗(yàn)的順應(yīng)（修正認(rèn)知結(jié)構(gòu)）；利用比喻和類比的方法將學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展到新的領(lǐng)域（具體認(rèn)知結(jié)構(gòu)），以及關(guān)注學(xué)生如何學(xué)習(xí)概念，致力于教會(huì)學(xué)生如何去學(xué)習(xí)概念（自我監(jiān)督和控制學(xué)習(xí)）。2.學(xué)生對(duì)電場(chǎng)疊加原理的理解Rainson，Transtrmer和Viennot[2]關(guān)注學(xué)生在電場(chǎng)中應(yīng)用疊加原理時(shí)存在的困難，研究者把瑞典和法國1145名學(xué)生按其學(xué)習(xí)水平從低到高分為4類：（1）只學(xué)習(xí)過電路和靜電學(xué)導(dǎo)論；（2）接觸了庫侖定律和高斯定理；（3）研究過靜電平衡下導(dǎo)體的電荷分布，理解含有電荷面密度σ的場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式；（4）知道電介質(zhì)和麥克斯韋方程組。研究者以書面測(cè)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(chǎng)與電路統(tǒng)一性三個(gè)方面。各問題的要求、結(jié)果和出現(xiàn)較多的相異概念詳見表1。研究者隨后又通過對(duì)10名學(xué)生的訪談最終得出了如下結(jié)論：（1）一系列的課程只是在學(xué)生頭腦中留下了無關(guān)聯(lián)的知識(shí)片段；（2）學(xué)生需要一種效果（如處于電場(chǎng)中的電荷受力運(yùn)動(dòng)）來接受電場(chǎng)的存在，且這種需要非常強(qiáng)烈；（3）學(xué)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(shù)學(xué)上的關(guān)系；（4）學(xué)生缺乏對(duì)電場(chǎng)的完整理解，孤立認(rèn)識(shí)靜電場(chǎng)和電路，認(rèn)為電荷在靜電場(chǎng)和電路中運(yùn)動(dòng)時(shí)電場(chǎng)不是同一個(gè)概念。研究者指出對(duì)以上問題應(yīng)認(rèn)真對(duì)待，Sherwood和Chabay提出的讓學(xué)生分析電路中面電荷短暫運(yùn)動(dòng)的建議，把正確理解疊加原理以達(dá)到對(duì)電現(xiàn)象全面的認(rèn)識(shí)作為教學(xué)目標(biāo)，并強(qiáng)調(diào)在靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電路中，應(yīng)從電荷的角度尋找電場(chǎng)來源。二、學(xué)生對(duì)電場(chǎng)和電勢(shì)關(guān)系的理解DavidP.Maloney等人[3]通過制定的電磁概念量表（CSEM）發(fā)現(xiàn)學(xué)生處理電勢(shì)與電場(chǎng)關(guān)系時(shí)存在一些問題：對(duì)由電勢(shì)的變化（增大或減少）判斷電場(chǎng)方向有困惑；對(duì)由等勢(shì)線推導(dǎo)出電場(chǎng)強(qiáng)弱存在困難，往往認(rèn)為等勢(shì)線間距越大對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)越強(qiáng)。Hauger[4,5]調(diào)查研究了高中生和大學(xué)生對(duì)變化率概念的理解，發(fā)現(xiàn)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(shí)變化率。針對(duì)這一情況，RhettAllain和RobertBeichner[6]推測(cè)學(xué)生對(duì)理解電勢(shì)與電場(chǎng)關(guān)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(fā)了由多選題構(gòu)成的變化率電勢(shì)測(cè)試卷（RAPT）。問卷涉及學(xué)生對(duì)變化率可能存在以下的思維模式：（1）一個(gè)量與它的變化率（如電勢(shì)和電場(chǎng)）表現(xiàn)一致，兩者同增同減；（2）如果一個(gè)量是零，則它的變化率也是零；（3）如果一個(gè)量不是零，則它的變化率不可能是零；（4）如果一個(gè)量處于最大值，則它的變化率也處于最大值。通過對(duì)問卷統(tǒng)計(jì)和隨后的訪談，研究者得出了“學(xué)生對(duì)變化率和電勢(shì)概念的理解存在相似錯(cuò)誤”的結(jié)論。教師可以根據(jù)認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論，改變學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，以達(dá)到促進(jìn)遷移的目的，具體來說就是教師在教授電勢(shì)和電場(chǎng)關(guān)系時(shí)最好先幫助學(xué)生復(fù)習(xí)變化率知識(shí)，為新知識(shí)的學(xué)習(xí)提供認(rèn)知框架。同時(shí)，由于數(shù)學(xué)與物理聯(lián)系最緊密、相關(guān)性最大，根據(jù)遷移的共同要素理論，兩種學(xué)科間的相關(guān)性直接決定了學(xué)習(xí)遷移的發(fā)生，數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)直接影響了物理學(xué)習(xí)遷移能力。因此，教師要注意培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)能力，促進(jìn)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的正遷移。三、討論綜合以上情況，不難看出國外在對(duì)學(xué)生理解電場(chǎng)、電勢(shì)概念方面的研究已經(jīng)取得了一些有價(jià)值的成果，而我國在此領(lǐng)域深入研究的相對(duì)較少，主要還停留在經(jīng)驗(yàn)層面上。其中值得討論的有兩點(diǎn)。（1）已有研究[7]表明，測(cè)試場(chǎng)景與學(xué)生的相異概念對(duì)應(yīng)的概括化場(chǎng)景特征越匹配，學(xué)生越易于呈現(xiàn)出相應(yīng)的相異概念。這是由于在這種場(chǎng)景中學(xué)生需要調(diào)用的思維資源多，涉及的思維步驟復(fù)雜，學(xué)生為了減輕思維負(fù)擔(dān)更傾向于依據(jù)熟悉的經(jīng)驗(yàn)解決問題。而縱觀國內(nèi)關(guān)于學(xué)生對(duì)電場(chǎng)、電勢(shì)概念理解的相關(guān)研究，可以發(fā)現(xiàn)研究者開發(fā)的測(cè)試題部分呈現(xiàn)的是概念辨析場(chǎng)景或是與學(xué)生相異概念對(duì)應(yīng)的概括化場(chǎng)景特征匹配度不高的場(chǎng)景，我們對(duì)此所得出的學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解情況表示質(zhì)疑。同時(shí)有些研究者直接采用CSEM問卷進(jìn)行測(cè)試，但問卷中涉及學(xué)生有關(guān)電場(chǎng)、電勢(shì)概念的理解還不夠全面，比如缺乏學(xué)生對(duì)電場(chǎng)線特點(diǎn)的理解等。那么如何借鑒國外研究使用的測(cè)試題和開發(fā)的概念量表，并結(jié)合我國高中物理教學(xué)的具體情況設(shè)計(jì)出能夠有效檢測(cè)出學(xué)生關(guān)于電場(chǎng)、電勢(shì)概念理解情況的測(cè)試題，則有待進(jìn)一步研究。（2）通過研究國內(nèi)關(guān)于學(xué)生電學(xué)部分相異概念相關(guān)論文，發(fā)現(xiàn)在解釋學(xué)生出現(xiàn)的相異概念原因時(shí)，研究者還停留在“電學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)生不能建立正確的物理模型以及不能