高中生靜電學(xué)概念理解研究
——以導(dǎo)體的靜電平衡為例

吳壽寵

(六盤水市第二十三中學(xué),貴州 六盤水 553000)

1 研究背景

物理概念的學(xué)習(xí)是物理知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),學(xué)生對(duì)概念理解的程度直接影響其后繼學(xué)習(xí).有關(guān)錯(cuò)誤概念的研究成果有助于科學(xué)教育者深入理解學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu),及提升科學(xué)教學(xué)成效,因此錯(cuò)誤概念的研究不論對(duì)于科學(xué)教育理論的發(fā)展,還是對(duì)于實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐都具有重要意義.

目前對(duì)高中生物理錯(cuò)誤概念的研究文獻(xiàn)中,相較于力學(xué)專題,對(duì)靜電學(xué)專題的概念研究較少,且對(duì)大范圍概念的研究較多,結(jié)合具體概念的研究較少;研究方法上多以問卷調(diào)查法和訪談為主.

有鑒于此,本研究以導(dǎo)體的靜電平衡為例,對(duì)高中生在靜電學(xué)學(xué)習(xí)中所具有的錯(cuò)誤概念及其廣泛程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并探索上述錯(cuò)誤概念的形成機(jī)制,從而為教師進(jìn)行靜電學(xué)方面的教學(xué)備課提供參考.

為方便表述,本研究中的“錯(cuò)誤概念”是廣義上的,其由兩部分組成: 學(xué)生在正式學(xué)習(xí)之前在生活中形成的關(guān)于某方面的錯(cuò)誤理解; 學(xué)生在以往的正式學(xué)習(xí)中形成的關(guān)于某方面的錯(cuò)誤理解.

2 研究對(duì)象、方法和步驟

2.1 研究對(duì)象

本研究選取六盤水市第二十三中學(xué)高二理科兩個(gè)班的學(xué)生共計(jì)145名,物理選修3-1為其必修課,在進(jìn)行本研究前其剛學(xué)完導(dǎo)體的靜電平衡的知識(shí).

2.2 研究方法

與傳統(tǒng)的問卷調(diào)查或訪談不同,本研究的方法主要有小組討論法和錄音法.首先針對(duì)導(dǎo)體的靜電平衡部分的可能存在的錯(cuò)誤概念,精心設(shè)計(jì)出概念測試題;課堂上將學(xué)生分成若干小組,要求學(xué)生先給出個(gè)人答案,再與本組組員討論該題目,在討論過程中,學(xué)生對(duì)某一物理概念的思考和推理過程外顯,從而暴露出自己的錯(cuò)誤概念.

課上征得各小組同意后,利用相應(yīng)的錄音設(shè)備(手機(jī)、錄音筆等)將其討論內(nèi)容記錄下來.通過錄音的方法,不僅可以有效地記錄每位學(xué)生的觀點(diǎn),還可以在研究過程中還原真實(shí)的情景,使得研究的資料更加真實(shí)、可靠.

2.3 研究步驟

兩個(gè)班的學(xué)生討論分批進(jìn)行,為方便研究,要求145名學(xué)生按3～4人固定編成43組,每1名學(xué)生都有固定的編號(hào).首先是小組中每位組員輪流發(fā)言,要求說明自己的編號(hào)、選擇答案的選項(xiàng)號(hào)和選擇的理由,然后小組內(nèi)進(jìn)行自由討論,討論時(shí)長根據(jù)題目而定,一般不超過10min.

課后通過對(duì)所有錄音進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和分析,首先統(tǒng)計(jì)出學(xué)生在輪流發(fā)言時(shí)選擇答案的選項(xiàng)號(hào),由于概念測試題的選項(xiàng)中包含部分錯(cuò)誤概念,因此統(tǒng)計(jì)出部分選項(xiàng)所占百分比再歸類編碼,即可得到相應(yīng)的錯(cuò)誤概念及其頻次;其次找出學(xué)生在自由討論過程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤說法,進(jìn)一步將其歸類整合,提煉出新的錯(cuò)誤概念及其頻次.

3 結(jié)果與討論

3.1 概念測試題及相關(guān)科學(xué)概念

學(xué)生小組討論中用到的概念測試題如下.

圖1 題目示意圖

如圖1所示,用細(xì)線將一個(gè)中性鋁球懸掛著,將一個(gè)帶正電的塑料棒靠近鋁球(但不接觸),最后用一根導(dǎo)線將鋁球接地.關(guān)于鋁球和塑料棒間的(電場力)作用力在接地前后的變化,下列說法哪個(gè)(些)錯(cuò)誤的?

(1) 接地后鋁球電勢變?yōu)?,其表面沒有感應(yīng)電荷,作用力變?yōu)?.

(2) 接地前后鋁球都處于靜電平衡狀態(tài),接地不會(huì)影響鋁球上的電荷分布,所以電場力不變.

(3) 接地前后,帶電棒在鋁球表面激發(fā)的電場不變,故鋁球表面電荷分布不變,其所受電場力不變.

(4) 接地后導(dǎo)體右邊正電荷被中和,左邊負(fù)電荷保持不變,所以電場力變大.

(5) 接地后鋁球上的電子被導(dǎo)到大地,鋁球和塑料棒間的總的作用力變成排斥力.

(6) 接地后鋁球右端的正電荷被中和,左端負(fù)電荷往右移,并均勻分布在整個(gè)導(dǎo)體上,所以無法判斷作用力的大小變化.

本題中,當(dāng)帶正電的塑料棒靠近鋁球時(shí),使鋁球表面帶上左負(fù)右正的感應(yīng)電荷,達(dá)到靜電平衡,且由于距離關(guān)系,鋁球和帶電棒間的電場力總體為吸引力;鋁球接地后,大地的電子上來中和掉了遠(yuǎn)端(右邊)的正電荷,并使近端(左邊)的負(fù)電荷重新分布,再次達(dá)到靜電平衡,鋁球表面電勢變?yōu)?,最終使電場力(吸引力)增大.故本題的答案為全選,即所有選項(xiàng)都表述錯(cuò)誤，本題所涉及到的科學(xué)概念如下.

(1) 靜電感應(yīng):實(shí)質(zhì)是導(dǎo)體中的自由電子在外界電荷的電場作用下重新分布,達(dá)到靜電平衡的過程.當(dāng)導(dǎo)體球發(fā)生靜電感應(yīng)時(shí),靠近外界(施感)電荷的一端(近端)感應(yīng)異種電荷,遠(yuǎn)離外界電荷的一端(遠(yuǎn)端)將感應(yīng)同種電荷.

(2) 靜電平衡:當(dāng)自由電子不做宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài),導(dǎo)體是等勢體,其表面是等勢面.

(3) 接地:將導(dǎo)體接地會(huì)使導(dǎo)體與大地等勢,即φ地=0.在導(dǎo)體球靜電感應(yīng)后將其接地,不論接地點(diǎn)在哪一端,都會(huì)使導(dǎo)體球遠(yuǎn)端的電荷流走(負(fù)電荷)或被中和(正電荷),并使近端的電荷重新分布(但不會(huì)均勻分布),最終導(dǎo)體球重新達(dá)到靜電平衡.

(4) 等勢體:指導(dǎo)體內(nèi)外各處電勢相等,當(dāng)導(dǎo)體是等勢體時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部凈電荷密度為0,電荷只能分布在導(dǎo)體表面;導(dǎo)體外部,緊靠導(dǎo)體表面的點(diǎn)的場強(qiáng)方向與導(dǎo)體表面垂直,場強(qiáng)大小與導(dǎo)體表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電荷密度成正比.

3.2 錯(cuò)誤概念統(tǒng)計(jì)分析

參加本次小組討論的學(xué)生應(yīng)到43組共145人,實(shí)到37組共123人,缺6組共22人.在輪流發(fā)言中,學(xué)生對(duì)本題的作答情況如圖2所示.

圖2 各選項(xiàng)被選擇所占百分比

需要說明的是,對(duì)于在輪流發(fā)言環(huán)節(jié),未按規(guī)定說出所選選項(xiàng)的學(xué)生,記入“未選擇”,該項(xiàng)百分比的計(jì)算公式為

未選擇人數(shù)÷實(shí)到人數(shù)×100%.

(1)

而選項(xiàng)1到6被選擇百分比的計(jì)算公式為

該項(xiàng)選擇人數(shù)÷(實(shí)到人數(shù)-未選擇人數(shù))×100%.

(2)

由于上述概念測試題為不定項(xiàng)選擇題,學(xué)生在選擇時(shí)存在多選現(xiàn)象,因此統(tǒng)計(jì)給出的數(shù)據(jù)中,反映的是每個(gè)選項(xiàng)被選擇的人數(shù)占總選擇人數(shù)的百分比.

本題設(shè)計(jì)答案為全選,因此某一選項(xiàng)被選擇比例越大,說明對(duì)該選項(xiàng)理解正確的學(xué)生人數(shù)越多,反之則說明對(duì)該選項(xiàng)理解正確的學(xué)生人數(shù)越少.由圖2可知,對(duì)選項(xiàng)1理解正確的學(xué)生人數(shù)最多,占總選擇人數(shù)的86.5%,選項(xiàng)2和5次之,選擇的學(xué)生人數(shù)比例都為76.9%,選擇選項(xiàng)3和6的學(xué)生人數(shù)差不多,比例分別為73.1%和72.1%,選擇選項(xiàng)4的學(xué)生人數(shù)較少,占總選擇人數(shù)的52.9%,另外有15.4%(人數(shù)為19人)的學(xué)生未表明選項(xiàng).

3.2.1 概念測試題選項(xiàng)中的錯(cuò)誤概念統(tǒng)計(jì)分析

因本題要求選出錯(cuò)誤的選項(xiàng),且所有選項(xiàng)都表述錯(cuò)誤,當(dāng)統(tǒng)計(jì)到學(xué)生沒有選擇某一選項(xiàng)時(shí),即認(rèn)為學(xué)生存在該選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤概念.因此可提取每個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤概念,并結(jié)合圖2統(tǒng)計(jì)出其頻次如表1.

表1 各選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤概念及頻次

由表1可看出,學(xué)生對(duì)本題各選項(xiàng)對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤概念的持有比例較為可觀.其中持有M1(代指該編碼表示的錯(cuò)誤概念,下同)的學(xué)生比例最低,但也達(dá)到13.5%,這些學(xué)生認(rèn)為,因?yàn)榻拥厥逛X球電勢變?yōu)?,所以鋁球表面也沒有感應(yīng)電荷,因而鋁球和帶電棒間的電場力變?yōu)?.

持有M2的學(xué)生(比例為23.1%),沒有意識(shí)到接地后鋁球是重新達(dá)到靜電平衡,因而得出接地不會(huì)影響鋁球上的電荷分布的錯(cuò)誤結(jié)論.

有26.9%的學(xué)生持有M3,他們從帶電棒在鋁球表面激發(fā)的電場不變的角度考慮,沒有理解接地所帶來的影響,也得出鋁球和帶電棒間的電場力不變的結(jié)論.

持有M4的學(xué)生(比例為47.1%)接近半數(shù)為最多,他們雖然知道接地使鋁球上的正電荷被中和,并得出了鋁球和帶電棒間的電場力變大的正確結(jié)論,但認(rèn)為左邊的負(fù)電荷保持不變則是錯(cuò)誤的.

持有M5的學(xué)生(比例為23.1%)同樣沒有理解接地的含義,認(rèn)為接地使鋁球上的電子被導(dǎo)到大地,鋁球上只剩下正電荷,這樣鋁球和帶電棒間的作用力變成排斥力.

27.9%的學(xué)生持有M6,他們意識(shí)到接地后鋁球左端的負(fù)電荷會(huì)發(fā)生移動(dòng),但錯(cuò)誤地認(rèn)為負(fù)電荷最終會(huì)均勻分布,得出無法判斷鋁球和帶電棒間的作用力大小變化的結(jié)論,沒有考慮鋁球重新達(dá)到靜電平衡的條件.

3.2.2 自由討論中新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念統(tǒng)計(jì)分析

從錄音轉(zhuǎn)錄結(jié)果來看,學(xué)生不僅在輪流發(fā)言環(huán)節(jié)暴露了錯(cuò)誤概念,在自由討論環(huán)節(jié)也存在錯(cuò)誤表述,其中一些錯(cuò)誤表述對(duì)應(yīng)的是新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念,為概念測試題中所沒有.為體現(xiàn)錯(cuò)誤概念的普遍性,杜絕個(gè)案及頭腦風(fēng)暴,在提取和歸納這些錯(cuò)誤概念時(shí),頻次≤2的錯(cuò)誤概念都舍掉.據(jù)此統(tǒng)計(jì)出在自由討論中新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念及其頻次如表2.

表2 新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念及頻次

續(xù)表

從表2可看出,新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念雖然種類較多,但頻次普遍較低,大部分比例在10%以下.這是由于概念測試題的選項(xiàng)設(shè)置固定了學(xué)生討論的情境,學(xué)生關(guān)注的焦點(diǎn)大都集中在所設(shè)置的選項(xiàng)上,而新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念是學(xué)生在自由討論時(shí)不經(jīng)意間流露出來的.

S1思路比較新穎,少數(shù)持有者(比例為2.9%)認(rèn)為接地后鋁球和大地成為一個(gè)整體,且對(duì)帶電棒來說,整個(gè)鋁球相當(dāng)于近端,大地則成為遠(yuǎn)端,并依據(jù)大地帶負(fù)電的前提,得出鋁球帶上正電的錯(cuò)誤結(jié)論.實(shí)際上接地后鋁球和大地應(yīng)成為一個(gè)等勢體,鋁球帶正電將導(dǎo)致其與大地不等勢.

S2在所有新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念里頻次最多,持有者(比例達(dá)到16.3%)認(rèn)為在本題中因?yàn)榻拥攸c(diǎn)在鋁球右端,所以分布在右端的正電荷將被導(dǎo)到大地,而如果接地點(diǎn)選在鋁球左端,那么分布在左端的負(fù)電荷會(huì)被導(dǎo)到大地.這些學(xué)生忽略了在金屬導(dǎo)體中正電荷不會(huì)移動(dòng)的前提,同時(shí)在理解接地時(shí)沒有從電勢能高低的角度來思考問題.

S3的持有者(比例為4.8%)知道接地會(huì)使鋁球的電勢變?yōu)?,也知道鋁球中正電荷不能移動(dòng),但卻沒有深入思考鋁球電勢變?yōu)?的條件是什么,武斷地認(rèn)為鋁球上的正電荷不會(huì)被中和.有學(xué)生甚至沒有理解“中和”的涵義,在已經(jīng)正確判斷大地的電子會(huì)上來,鋁球的負(fù)電荷會(huì)增多的情況下,依然認(rèn)為正電荷沒有被中和.

S4比較特殊,持有者(比例為6.7%)認(rèn)為鋁球接地后,不再處于靜電平衡狀態(tài),鋁球不是一個(gè)等勢體,其表面不是一個(gè)等勢面,但也未說出鋁球表面具體的電荷分布,可認(rèn)為持有者對(duì)接地和靜電平衡等概念是比較模糊的,在疑惑的情況下只能給出一個(gè)無理由的理解.

S5(持有者比例為7.7%)與前述錯(cuò)誤概念M1相比,兩種錯(cuò)誤概念的持有者均認(rèn)為鋁球電勢是否為0與其表面有無電荷存在必然聯(lián)系.不同在于,與M1相反,持有S5的學(xué)生依據(jù)接地后鋁球表面還有電荷分布,判定鋁球表面電勢不能為0.這些學(xué)生忽略了接地時(shí)V地=V∞=0這一基本前提,錯(cuò)誤地根據(jù)鋁球上的電荷分布來判斷其電勢是否為0.

持有S6的學(xué)生(比例為2.9%)較少,但較有代表性,這些學(xué)生對(duì)鋁球發(fā)生靜電感應(yīng)及接地的過程理解是正確的,但在比較接地前后鋁球和帶電棒(施感電荷)間的作用力變化時(shí),混淆了鋁球的合場強(qiáng)和帶電棒在鋁球表面激發(fā)的場強(qiáng),因而得出錯(cuò)誤的結(jié)果.

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)概念測試題選項(xiàng)中的錯(cuò)誤概念統(tǒng)計(jì)及分析,得到表1所述的6條錯(cuò)誤概念(編碼以M開頭),還結(jié)合學(xué)生回答情況統(tǒng)計(jì)圖2得到各條錯(cuò)誤概念的頻次及百分比.從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出,各條錯(cuò)誤概念的頻次都比較高,說明其在被試學(xué)生中的廣泛程度較高.

通過統(tǒng)計(jì)分析學(xué)生在自由討論環(huán)節(jié)新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念,得到6條錯(cuò)誤概念(編碼以S開頭),記入表2中.可看出新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念頻次都比較低,但種類頗多,這是由于本輪測試設(shè)置了具體的討論內(nèi)容,一定程度上限制了學(xué)生思維的發(fā)散,但概念測試題涉及到的錯(cuò)誤概念,仍有繼續(xù)研究的空間.

本研究得到的錯(cuò)誤概念,點(diǎn)明了學(xué)生在學(xué)習(xí)導(dǎo)體的靜電平衡時(shí)存在的障礙和誤區(qū),當(dāng)涉及靜電感應(yīng)、靜電平衡和接地等相關(guān)概念的理解時(shí),這些錯(cuò)誤概念可以作為參考,讓教師和學(xué)生更有針對(duì)性地進(jìn)行教與學(xué).

由于研究樣本、時(shí)間和水平的限制,本研究存在著許多局限和不足之處,在深度和廣度上仍有較大的提升空間,希望得到同行的批評(píng)與指正,以便在后續(xù)研究中得到改善.

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