薛丹丹 郭芳俠 高倩男

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119）

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)，已經(jīng)具有了大量的關(guān)于物理體系的觀念，特別是在電磁學(xué)中.這些觀念可能是由之前的經(jīng)驗(yàn)、日常語(yǔ)言或者前邊的學(xué)習(xí)，以及對(duì)專家解釋的贊同所引起的.但是，通常由“常識(shí)”的解釋或者缺乏精確性的語(yǔ)言所導(dǎo)致的前概念是錯(cuò)誤概念.這些概念一旦形成，就會(huì)非常持久，很難改變［1］.因此，在教學(xué)中關(guān)注學(xué)生的錯(cuò)誤概念是極其必要的.電磁學(xué)是物理中一個(gè)重要的知識(shí)領(lǐng)域，它涵蓋了電場(chǎng)、磁場(chǎng)、恒定電流、感應(yīng)電流等許多概念.學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁學(xué)中存在很多錯(cuò)誤概念.倘若這些錯(cuò)誤概念得不到及時(shí)解決，必將影響學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)以及對(duì)知識(shí)的正確應(yīng)用.為了讓教師了解學(xué)生的電磁學(xué)錯(cuò)誤概念，進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)，不斷提高教學(xué)效率，本文首先以問(wèn)卷的形式，調(diào)查學(xué)生在電磁學(xué)概念學(xué)習(xí)中的現(xiàn)狀，然后通過(guò)調(diào)查結(jié)果，分析學(xué)生在電磁學(xué)概念中的錯(cuò)誤概念和形成的原因，最后針對(duì)錯(cuò)誤概念提出一些建議.

1 CSEM簡(jiǎn)介

CSEM是由Moloney等人在4年實(shí)踐中不斷修改和完善中形成的用于評(píng)估學(xué)生對(duì)電磁學(xué)概念的理解程度的問(wèn)卷.問(wèn)卷中每個(gè)選項(xiàng)的合理性和適當(dāng)性都征求了42個(gè)大學(xué)教授的意見(jiàn).這份問(wèn)卷還被以多種形式運(yùn)用于來(lái)自30個(gè)不同大學(xué)的5 000多名物理專業(yè)的新生，運(yùn)用KR－20的方法對(duì)CSEM的可靠性進(jìn)行分析，得出可靠性r大約是0.75，這是一個(gè)非常合理的值［2］.CSEM是被實(shí)踐證明了的對(duì)探索學(xué)生的錯(cuò)誤概念非?？煽俊⒂行У臏y(cè)量工具.

CSEM是由32道單選題構(gòu)成，主要涉及了11個(gè)話題，分別是電荷在導(dǎo)體和絕緣體上的分布，電場(chǎng)力和場(chǎng)的疊加，庫(kù)侖定律，電場(chǎng)力，功、電勢(shì)、場(chǎng)和力，感應(yīng)電荷和電場(chǎng)，磁場(chǎng)力，電磁感應(yīng)，磁場(chǎng)疊加，法拉第定律，牛頓第三定律，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的題號(hào)如表1所示.

表1 知識(shí)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)題號(hào)

總之，CSEM不是一個(gè)涵蓋整個(gè)電磁領(lǐng)域概念的清單，而是一個(gè)非常好的對(duì)學(xué)生電磁學(xué)方面知識(shí)進(jìn)行總觀的質(zhì)性評(píng)估工具.

2 調(diào)查方法

由于我國(guó)對(duì)學(xué)生電磁學(xué)錯(cuò)誤概念的研究比較少，并且電磁學(xué)概念本身覆蓋面比較廣，我國(guó)目前還沒(méi)有形成一個(gè)比較好的量表用于研究學(xué)生的電磁學(xué)錯(cuò)誤概念，而國(guó)外在這方面的研究比較成熟，因此筆者將國(guó)外的CSEM翻譯為中文作為自己的調(diào)查工具.然后選取陜西師范大學(xué)2014級(jí)物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生（大一新生）為調(diào)查對(duì)象，分別是物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班和物理教育專業(yè)3個(gè)班的學(xué)生.4個(gè)班總?cè)藬?shù)為234名，分別來(lái)自全國(guó)28個(gè)省份.這些學(xué)生剛從高中畢業(yè)，還沒(méi)有學(xué)習(xí)電磁學(xué)專業(yè)課程，所以對(duì)電磁學(xué)概念的理解，依然停留在高中水平.問(wèn)卷發(fā)放了234份，收回233份，有效問(wèn)卷226份.為了促使學(xué)生認(rèn)真作答，問(wèn)卷的作答是在教師的監(jiān)督下進(jìn)行的，每個(gè)班用40分鐘的時(shí)間完成問(wèn)卷調(diào)查，等學(xué)生完成之后，將問(wèn)卷收回并進(jìn)行分析.

3 調(diào)查結(jié)果及分析

為了比較全面地了解學(xué)生在電磁學(xué)概念理解中的情況，筆者將問(wèn)卷中各個(gè)選項(xiàng)選擇的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后分析了百分率，從中得到每道題的正確率和錯(cuò)誤率最高的選項(xiàng).

3.1 CSEM調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)

筆者將226名學(xué)生在CSEM中的調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2.

續(xù)表

3.2 對(duì)比國(guó)內(nèi)外學(xué)生關(guān)于CSEM問(wèn)卷的正確率

國(guó)外也運(yùn)用CSEM對(duì)5 000多名物理專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，為了清楚地看出國(guó)內(nèi)外學(xué)生在電磁學(xué)概念理解中是否存在差異，筆者分別將國(guó)內(nèi)和國(guó)外學(xué)生在CSEM問(wèn)卷中各題的正確率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖1所示.

圖1 國(guó)內(nèi)和國(guó)外學(xué)生在CSEM問(wèn)卷中的正確率

分析圖1，我們可以發(fā)現(xiàn)，總體而言，我國(guó)大學(xué)生在CSEM問(wèn)卷中的正確率顯著高于國(guó)外大學(xué)生的正確率，32個(gè)問(wèn)題中約有65.63%的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)生的正確率是國(guó)外學(xué)生正確率的2倍多，問(wèn)題26達(dá)到了6倍多，只有問(wèn)題13和問(wèn)題27，我國(guó)學(xué)生的正確率略低于國(guó)外學(xué)生的正確率，但相差不到14%.分析其中的原因：（1）可能和國(guó)內(nèi)國(guó)外物理課程的設(shè)置有關(guān)，在國(guó)外電學(xué)和磁學(xué)作為初中的必修課程，包括靜電、直流電和磁場(chǎng)，但所講的內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，高中時(shí)學(xué)習(xí)靜電力、電磁，但作為選修課程.而我國(guó)初中學(xué)生對(duì)電流、電壓、電阻進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，并且簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)和電磁感應(yīng).在高中系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了庫(kù)侖定律、電場(chǎng)、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等.（2）可能和研究對(duì)象有關(guān)，國(guó)外運(yùn)用CSEM問(wèn)卷對(duì)多個(gè)學(xué)校進(jìn)行調(diào)查，而筆者只以陜西師范大學(xué)為例，陜西師范大學(xué)所錄取的學(xué)生依據(jù)高考成績(jī)，可以認(rèn)為是中等偏上，所以基礎(chǔ)還是比較好的，當(dāng)然還有一些其他原因.但從總體上分析，學(xué)生在電磁學(xué)概念理解中存在的困難是具有相似性的.比如國(guó)內(nèi)國(guó)外在問(wèn)題1，2，13，14，21，22，27和31的正確率都相對(duì)比較低，說(shuō)明學(xué)生在電磁學(xué)中存在的錯(cuò)誤概念也具有共性.

3.3 關(guān)于各個(gè)知識(shí)點(diǎn)中的錯(cuò)誤概念

按照概念領(lǐng)域和對(duì)應(yīng)題號(hào)對(duì)學(xué)生在CSEM中調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示.

表3 各個(gè)知識(shí)點(diǎn)中的典型錯(cuò)誤

3.4 形成錯(cuò)誤概念的原因及建議

學(xué)生形成錯(cuò)誤概念的原因是多樣的，主要有：

（1）學(xué)習(xí)參考書中習(xí)題設(shè)計(jì)的不合理.比如在參考書中點(diǎn)電荷的初速度一般都與磁場(chǎng)方向垂直，從而導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為無(wú)論在什么時(shí)候，都可以直接利用F＝Bvq求洛倫茲力的大小.

（2）不恰當(dāng)?shù)念惐?比如同性磁鐵相互排斥，異性磁鐵相互吸引，從而認(rèn)為磁鐵的N極相當(dāng)于正電荷，S極相當(dāng)于負(fù)電荷.將洛倫茲力和電場(chǎng)力類比，電荷所受的電場(chǎng)力在電荷的速度與電場(chǎng)所確定的平面內(nèi)，所以洛倫茲力也在電荷速度與磁場(chǎng)所確定的平面內(nèi).

（3）力學(xué)中形成的錯(cuò)誤概念的影響.比如，在力學(xué)中學(xué)生形成了運(yùn)動(dòng)的物體必受力的錯(cuò)誤概念，將加速度與速度混淆，從而使學(xué)生不能正確判斷帶電粒子只在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

（4）電磁學(xué)概念本身的抽象性.比如在學(xué)習(xí)電場(chǎng)時(shí)，說(shuō)電場(chǎng)是一種物質(zhì)，而這種物質(zhì)在我們?nèi)粘Ｉ钪锌床坏矫恢?，所以學(xué)生理解起來(lái)比較困難，容易認(rèn)為電場(chǎng)線就代表電場(chǎng)本身等.

學(xué)生形成錯(cuò)誤概念的原因是多方面的，但物理概念不僅是物理基礎(chǔ)知識(shí)的重要組成部分，也是整個(gè)物理知識(shí)體系的支撐點(diǎn)，更是構(gòu)成物理規(guī)律，建立物理公式和完善物理理論的基礎(chǔ)和前提［3］，所以在電磁學(xué)概念教學(xué)中一定要重視學(xué)生已經(jīng)形成的一些錯(cuò)誤概念，為了讓學(xué)生更好地理解電磁學(xué)概念，教師首先應(yīng)認(rèn)識(shí)到學(xué)生可能存在的錯(cuò)誤概念，在教學(xué)過(guò)程中注意引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突［4］，多利用數(shù)字媒體教學(xué)，比如在電磁學(xué)概念中運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)仿真，使抽象的電磁學(xué)概念更加形象［5］，關(guān)注學(xué)生類比能力的培養(yǎng)，注意糾正學(xué)生不恰當(dāng)?shù)念惐鹊?比如在給學(xué)生講授產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因是閉合線圈中的磁通量發(fā)生改變時(shí)，可以利用磁鐵和帶有燈泡的導(dǎo)線圈做實(shí)驗(yàn).先讓學(xué)生猜想哪些情況下燈泡可能會(huì)亮，即產(chǎn)生感應(yīng)電流，再根據(jù)學(xué)生的猜想依次做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)使學(xué)生恍然大悟.由于課堂中教師演示實(shí)驗(yàn)不可能照顧到所有學(xué)生，所以可以鼓勵(lì)學(xué)生多去做網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，在http：∥phet.colorado.edu／en／simulation／generator中提供了大量生動(dòng)的電磁學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

4 總結(jié)

本文通過(guò)運(yùn)用CSEM問(wèn)卷對(duì)陜西師范大學(xué)226名物理專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了我國(guó)大學(xué)生對(duì)電磁學(xué)概念的理解程度高于國(guó)外學(xué)生，但在導(dǎo)體和絕緣體，庫(kù)侖定律，力和場(chǎng)的疊加，力、場(chǎng)、功和電勢(shì)，磁場(chǎng)力和法拉第定律中依然存在大量錯(cuò)誤概念.在錯(cuò)誤概念中，學(xué)生對(duì)靜電屏蔽原理理解得最差；其次是法拉第定律中不能區(qū)分磁通量及其變化率；在磁場(chǎng)力中不明白洛倫茲力的產(chǎn)生條件，及其大小的計(jì)算和方向的判斷；在力，場(chǎng)，功和電勢(shì)中對(duì)電勢(shì)、場(chǎng)強(qiáng)、功等之間的關(guān)系掌握得不夠好；在場(chǎng)的疊加中，容易將左手定則和右手定則的適用條件混淆等.學(xué)生對(duì)庫(kù)侖定律掌握的相對(duì)比較好，但仍有少數(shù)學(xué)生對(duì)庫(kù)侖定律中各個(gè)量的含義比較模糊.針對(duì)這些錯(cuò)誤概念，分析出學(xué)生形成錯(cuò)誤概念的原因可能是：（1）學(xué)習(xí)參考書中習(xí)題設(shè)計(jì)的不合理.（2）不恰當(dāng)?shù)念惐?（3）力學(xué)中形成的錯(cuò)誤概念的影響.（4）電磁學(xué)概念本身的抽象性等.并提出了通過(guò)引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，多利用數(shù)字媒體教學(xué)，關(guān)注學(xué)生類比能力的培養(yǎng)等方式提高學(xué)生對(duì)電磁學(xué)概念理解的建議.

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