吳壽寵
(六盤水市第二十三中學(xué),貴州 六盤水 553000)
教育部新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)明確指出,要落實(shí)立德樹人的根本任務(wù),將培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)貫穿于高中物理學(xué)科教學(xué)中,物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面.其中,物理觀念的學(xué)習(xí)是物理學(xué)科學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),學(xué)生對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[1],因此錯(cuò)誤概念的研究不論對于科學(xué)教育理論的發(fā)展,還是對于實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐都具有重要意義.
目前對高中生物理錯(cuò)誤概念的研究文獻(xiàn)中,相較于力學(xué)專題,對靜電學(xué)專題的概念研究較少,且對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[2].
有鑒于此,本研究以導(dǎo)體的靜電屏蔽為例,對高中生在靜電學(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)設(shè)計(jì)提供參考.
為方便表述,本研究中的“錯(cuò)誤概念”是廣義的,其由兩部分組成: (1) 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; (2) 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.
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)行本研究前剛學(xué)完導(dǎo)體的靜電屏蔽的知識.
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.首先針對導(dǎo)體的靜電屏蔽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[3].
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.
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,每一名學(xué)生都有固定的編號.首先是小組中每位組員輪流發(fā)言,要求說明自己的編號、選擇答案的選項(xiàng)號和選擇的理由,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,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.
圖1 題目示意圖
學(xué)生小組討論中用到的概念測試題:用細(xì)線將中性小鋁球懸掛在一個(gè)(很高的)金屬筒中心處,一個(gè)帶正電的塑料棒以如圖1所示方式接近小球,金屬壁在塑料棒和小球之間.下列關(guān)于該情形下電荷分布的說法哪個(gè)(些)是錯(cuò)誤的?
(1) 金屬筒處于靜電平衡時(shí),是一個(gè)等勢體,外表面應(yīng)該分布同種電荷,另外由于靜電屏蔽,鋁球不帶電.
(2) 帶電棒靠近金屬筒時(shí),筒外側(cè)感應(yīng)上負(fù)電荷,由于電荷守恒,筒內(nèi)側(cè)帶上等量的正電荷.
(3) 只有完全封閉的導(dǎo)體才能起靜電屏蔽的作用,金屬筒沒有完全封閉,所有小鋁球上的電荷會分離.
(4) 由于感應(yīng)起電,金屬筒外表面電荷左負(fù)右正,金屬壁上正負(fù)電荷產(chǎn)生的電場會導(dǎo)致鋁球上電荷分離.
(5) 金屬筒靠近帶電棒一端,感應(yīng)電荷在筒外壁為負(fù)內(nèi)壁為正,因而鋁球上感應(yīng)的電荷為左負(fù)右正.
在本題中,帶正電的塑料棒接近時(shí),金屬筒達(dá)到靜電平衡,是一個(gè)等勢體,筒外壁帶電情況為左負(fù)右正,筒內(nèi)壁不帶電荷,筒中的小鋁球由于靜電屏蔽作用,沒有電荷分離.因此本題的答案是全選,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[4].
(3) 等勢體.當(dāng)導(dǎo)體是等勢體時(shí),導(dǎo)體內(nèi)外各處電勢相等,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)體表面對應(yīng)點(diǎn)的電荷密度成正比[5].
(4) 靜電屏蔽.封閉(可以不完全)導(dǎo)體殼(不論接地與否)內(nèi)部靜電場不受殼外電荷影響,接地封閉導(dǎo)體殼外部靜電場不受殼內(nèi)電荷影響,這種現(xiàn)象叫靜電屏蔽.靜電屏蔽總是伴隨靜電感應(yīng)過程,其實(shí)質(zhì)是殼外(施感)電荷的電場與殼外壁(感應(yīng))電荷的電場在殼內(nèi)部相互抵消;接地情況下殼內(nèi)(施感)電荷的電場與殼內(nèi)壁(感應(yīng))電荷的電場相互抵消.
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5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,說明對該選項(xiàng)理解正確的學(xué)生人數(shù)越多,反之則說明對該選項(xiàng)理解正確的學(xué)生人數(shù)越少.由圖2可知,對選項(xiàng)5理解正確的學(xué)生人數(shù)最多,占總選擇人數(shù)的82.5%,選項(xiàng)3和4差不多,選擇的學(xué)生人數(shù)比例分別為70.9%和69.9%,選擇選項(xiàng)1和2的學(xué)生人數(shù)較少,比例分別為61.2%和57.3%,另有8.0%(人數(shù)為9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)對應(yīng)的錯(cuò)誤概念.因此可提取每個(gè)選項(xiàng)對應(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)對應(yīng)的錯(cuò)誤概念及頻次
續(xù)表
由表1可看出,本題各選項(xiàng)對應(yīng)錯(cuò)誤概念的持有者比例都在15%以上.其中持有N1的學(xué)生(比例為38.8%)較多,他們認(rèn)為當(dāng)帶電棒靠近時(shí),因?yàn)榻饘偻舶l(fā)生靜電感應(yīng)變成等勢體,所以其外表面分布同種電荷.這些持有者對靜電感應(yīng)及等勢體等科學(xué)概念存在錯(cuò)誤的理解.
持有N2的學(xué)生(比例為42.7%)接近半數(shù)為最多,他們同樣不能正確理解靜電感應(yīng)的概念,忽略了金屬筒會對筒內(nèi)起到靜電屏蔽作用,導(dǎo)致在運(yùn)用電荷守恒定律分析時(shí)得出外負(fù)內(nèi)正的錯(cuò)誤結(jié)論.
N3的持有者(比例為29.1%)雖不是最多,但N3的表述卻最具有代表性,即使到了自由討論環(huán)節(jié),大部分學(xué)生最大的爭論即是本題中金屬殼是否能對殼內(nèi)的小鋁球起到靜電屏蔽作用,除少數(shù)堅(jiān)定認(rèn)為能外,一些學(xué)生甚至在能與不能間來回?fù)u擺,足見多數(shù)學(xué)生對靜電屏蔽的條件理解比較模糊.
持有N4的學(xué)生(比例30.1%)嘗試從電場的角度來解釋金屬筒不能對筒內(nèi)起靜電屏蔽作用的原因,一開始結(jié)論就已錯(cuò)誤,因此自然認(rèn)為金屬筒外的感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場會影響到筒里面的鋁球,其實(shí)忽略了筒外帶電棒產(chǎn)生的電場疊加.
N5的持有者(比例為17.5%)其實(shí)是同時(shí)持有N2和N3兩條錯(cuò)誤概念,所以人數(shù)相對最少,他們對靜電平衡和靜電屏蔽概念及條件的理解都存在問題,所以才“順理成章”得出金屬筒感應(yīng)電荷外負(fù)內(nèi)正,且不能對筒內(nèi)鋁球起靜電屏蔽作用的錯(cuò)誤結(jié)論.
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
從表2可看出,學(xué)生又暴露出兩個(gè)新的錯(cuò)誤概念,其中T1的持有者(比例為7.8%)雖然知道金屬筒發(fā)生靜電感應(yīng)并達(dá)到靜電平衡,沒有正確理解靜電平衡的概念,認(rèn)為金屬筒處于靜電平衡時(shí)不是一個(gè)等勢體.
T2是比較新穎的,其持有者(比例為4.9%)嘗試從電場線的角度來分析金屬筒是否對筒內(nèi)起靜電屏蔽,他們其實(shí)和N4的持有者一樣,忽略了電場的疊加.但不同的是,他們認(rèn)為是筒外帶電棒(施感電荷)產(chǎn)生的電場對筒內(nèi)的小鋁球造成了影響.
在自由討論環(huán)節(jié),學(xué)生新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念不僅頻次相對較低,而且種類相對較少,結(jié)合討論過程分析,一方面是概念測試題的選項(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,其思維發(fā)散性受到一定的限制,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.另一方面也說明診斷測試題各選項(xiàng)已較全面地概括了學(xué)生存在的錯(cuò)誤概念,而自由討論中新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念對其形成了互補(bǔ).
3.2.3 自由討論中學(xué)生的思維策略及水平歸類
通過對錯(cuò)誤概念的統(tǒng)計(jì)分析可見,大部分學(xué)生在討論中,不同程度地持有各類錯(cuò)誤概念.通過探索學(xué)生在解決問題時(shí)所運(yùn)用的思維策略,并根據(jù)思維水平分類標(biāo)準(zhǔn),嘗試對各類思維策略進(jìn)行歸類闡述,以期盡可能地分析出學(xué)生存在錯(cuò)誤概念的原因.為更方便分析小組討論錄音中學(xué)生在解決問題時(shí)運(yùn)用的思維策略,本研究在對學(xué)生的思維水平進(jìn)行分類時(shí),借鑒了畢格斯教授SOLO分類評價(jià)法和美國教師沃爾弗德等開發(fā)的PTA量表法及美國學(xué)者Schoenfeld的多重評價(jià)法,該方法在廣西師范大學(xué)周麗潔(2009)的研究成果[6]中已得到實(shí)踐.基于該方法可將學(xué)生的思維水平標(biāo)準(zhǔn)分類如表3.
表3 學(xué)生思維水平分類標(biāo)準(zhǔn)
限于研究時(shí)間及精力,只在持有錯(cuò)誤概念的學(xué)生中,選取部分有代表性的解釋及討論進(jìn)行定性分析.
對于此題一些學(xué)生憑直覺思維思考問題,如持有T2的學(xué)生的典型片段如下.
33:那鋁球會產(chǎn)生影響嗎?它會不會…
64:我覺得會啊,它會不會外面的電場線是這樣鉆進(jìn)去,從上面那個(gè)…上面不是沒有蓋嘛,就可以鉆進(jìn)去.
11:圓筒上面有蓋啊……
64:上面沒有蓋啊,哈哈.
64號學(xué)生抓住了題目中“圓筒沒有上蓋”的點(diǎn),憑直覺認(rèn)為電場線可以鉆進(jìn)去,不附加任何理由,但是其不恰當(dāng)?shù)闹庇X思維導(dǎo)致了錯(cuò)誤的結(jié)論.該生沒有注意塑料棒的電場線的具體形狀,也沒考慮筒外壁感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場線的影響,這些忽略促使其錯(cuò)誤概念不可避免地產(chǎn)生.以該生為代表的少數(shù)學(xué)生對問題中涉及的概念理解比較模糊,分析時(shí)往往憑借不恰當(dāng)?shù)闹庇X思維,或?qū)栴}錯(cuò)誤簡化,沒有動用知識儲備去深刻思考,只描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或無關(guān)的解釋或泛泛而談等.其思維策略應(yīng)該屬于表3描述的水平四.
多數(shù)學(xué)生依然采用正向思維思考問題,如同時(shí)持有N3和T1的學(xué)生的典型片段如下.
74:我選的是1和5,對于第1個(gè)選項(xiàng),由于處在靜電平衡時(shí)它是一個(gè)等勢體,然后外表面應(yīng)該分布同種電荷,然后它說由于靜電屏蔽,鋁球不帶電,它的說法我認(rèn)為只是部分正確,金屬筒是處在一種靜電平衡,但不代表它是一個(gè)等勢體,而且它內(nèi)部也有正負(fù)電荷的分布,所以不可能是一個(gè)等勢體,而且等勢體的條件是它要是一個(gè)導(dǎo)體,這個(gè)金屬,金屬它…而且因?yàn)樗⒉婚]合,所以不能夠說它是…它滿足靜電屏蔽的條件,所以1是錯(cuò)的.
該學(xué)生基于知識儲備N3和T1進(jìn)行錯(cuò)誤地正向推理,因?yàn)椤巴矁?nèi)壁有電荷分布”,所以“不可能是等勢體”,因?yàn)椤敖饘偻膊婚]合”,所以“不能起靜電屏蔽作用”,這些推理依據(jù)也構(gòu)成了他所持錯(cuò)誤概念的基本框架.而從語氣還可聽出,他對自己的答案自信不是很足,也許之前他還沒遇到過類似的問題情境.該類學(xué)生多數(shù)采用正向推理或類比經(jīng)驗(yàn)的思維策略,但因面臨新的問題情境,無法有效地進(jìn)行類比遷移,只能臨時(shí)構(gòu)建自己的理解體系,且其思維缺乏系統(tǒng)性和連貫性.這些學(xué)生在分析時(shí)往往沒有抓住正確的知識點(diǎn),且容易受到思維定勢的影響,沒有足夠的創(chuàng)新思維,導(dǎo)致誤用科學(xué)知識進(jìn)行不合理的回答[7].其思維策略可歸入表3描述的水平三.
一些學(xué)生嘗試?yán)靡郧暗慕?jīng)驗(yàn)來類比分析,如某學(xué)生的典型片段如下.
13:……然后第3個(gè),“完全封閉的導(dǎo)體才能起到靜電屏蔽的作用”,這個(gè),這個(gè)我覺得應(yīng)該是錯(cuò)誤的它這句話,我記得當(dāng)時(shí)有一個(gè)是內(nèi)壁……就是它如果接地的話,它只有接地它才能封……它才能完全屏蔽,不接地它不是不能屏蔽掉,然后第3個(gè)我覺得是錯(cuò)的.
該生雖然選對了選項(xiàng),但其推理過程卻是錯(cuò)誤的,其錯(cuò)誤概念正是在推理過程中外顯了出來.其在分析時(shí)只是照搬以前的經(jīng)驗(yàn)“接地使殼外對殼內(nèi)完全屏蔽”,不注意問題情境變成了殼內(nèi)對殼外的屏蔽條件,同樣出現(xiàn)了負(fù)遷移.這類學(xué)生的思維策略同樣可歸入表3描述的水平三.
有學(xué)生嘗試依據(jù)書上的內(nèi)容進(jìn)行分析,但在學(xué)習(xí)遷移上存在障礙,如持有N3的學(xué)生的典型片段如下.
14:57號正在找,正在查書.
57:哦,那個(gè)“閉合的導(dǎo)體殼,接地時(shí)殼內(nèi)外電場互不影響,殼不接地時(shí),僅能屏蔽殼外電場對殼內(nèi)電場的影響,不能屏蔽殼內(nèi)之間電荷對殼外電場的影響.”哎這個(gè),這樣的話,那就是應(yīng)該就是一個(gè)封閉的導(dǎo)體才能夠起到靜電屏蔽的作用.
57號學(xué)生畢竟能通過查書正確找到了本題涉及的概念,但其未能結(jié)合具體實(shí)例加深理解,固執(zhí)地揪住“閉合”不放,理解存在偏差,最終將書上的內(nèi)容理解成N3.這類學(xué)生主要采用的思維策略有正向推理和類比遷移,也有一部分進(jìn)行逆向推理,他們能正確認(rèn)識到問題情境所涉及的相關(guān)概念,根據(jù)合理的科學(xué)知識作出解釋,但思維不夠靈活,考慮不夠全面,理解存在偏差,在學(xué)習(xí)遷移上存在障礙,故未能作出合理解釋.其思維策略可歸入表3描述的水平二.
通過對概念測試題選項(xiàng)中的錯(cuò)誤概念統(tǒng)計(jì)及分析,得到表1所述的5條錯(cuò)誤概念(編碼以N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2條錯(cuò)誤概念(編碼以T開頭),記入表2中.新出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念和診斷測試題概括的錯(cuò)誤概念形成了互補(bǔ),進(jìn)一步完善了學(xué)生對靜電屏蔽這一物理概念存在的誤區(qū).當(dāng)涉及靜電感應(yīng)、靜電平衡和靜電屏蔽等相關(guān)概念的理解和運(yùn)用時(shí),這些錯(cuò)誤概念可以作為參考,讓教師和學(xué)生更有針對性地進(jìn)行教與學(xué).
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)持有錯(cuò)誤概念的學(xué)生,在解釋和討論概念測試題時(shí),其思維策略及思維水平存在一定的差異.多數(shù)學(xué)生在解決問題時(shí),之所以不同程度地表現(xiàn)出錯(cuò)誤概念,是因?yàn)樾碌膯栴}情境與學(xué)生原有的知識體系存在差異,而學(xué)生容易受到思維定勢的影響,進(jìn)行負(fù)的類比遷移;或依賴不恰當(dāng)?shù)闹庇X思維,并對問題進(jìn)行錯(cuò)誤簡化.
為使學(xué)生在解決電磁學(xué)問題時(shí)能正確使用相關(guān)思維策略,提升其思維水平,教師在教學(xué)中應(yīng)注意創(chuàng)設(shè)問題情境,積極鼓勵(lì)學(xué)生正確利用原有知識結(jié)構(gòu)類比聯(lián)想、正向推理等思維策略,進(jìn)行有效地學(xué)習(xí)遷移;學(xué)生在學(xué)習(xí)中應(yīng)積極思考,注意問題情境與原有圖示的差異,合理調(diào)用知識儲備,增強(qiáng)思維的全面性、靈活性和創(chuàng)新性.
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與指正,及在后續(xù)研究中得到改善.