張靜，湯偉，徐大海 （長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院物理教育研究所，湖北 荊州434023）

湯祖軍 （荊州市實(shí)驗(yàn)中學(xué)，湖北 荊州434020）

靜電學(xué)在電磁學(xué)中占有重要地位，但靜電學(xué)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的教學(xué)內(nèi)容，因?yàn)槿珉妶?chǎng)、靜電相互作用等重要物理模型并不是學(xué)生日常生活所熟悉的，它們具有較高的復(fù)雜性和抽象性。同時(shí)，靜電是日常生活中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，學(xué)生關(guān)于靜電有很多迷思概念。但是，與物理學(xué)中的其他主題不一樣，關(guān)于靜電學(xué)的迷思概念和概念轉(zhuǎn)變的困難性并沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。Mustafa等注意到用評(píng)價(jià)工具來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生關(guān)于電磁學(xué)的概念是一個(gè)不同于物理學(xué)其他主題的任務(wù)［1］，Esra Bilal等通過(guò)綜述已有研究發(fā)現(xiàn)，靜電學(xué)的研究主要關(guān)注電場(chǎng)力和電場(chǎng)等迷思概念的研究［2］。關(guān)于學(xué)生對(duì)重要物理模型理解現(xiàn)狀的研究并不多，且研究對(duì)象主要為中小學(xué)生，尚未對(duì)大學(xué)生進(jìn)行深入研究。為此，筆者對(duì)理工科大學(xué)生對(duì)靜電學(xué)重要物理模型理解現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究。

1 靜電學(xué)的重要物理模型

通過(guò)對(duì)電磁學(xué)相關(guān)教材［3，4］的研究和國(guó)際物理課程文件［5］的比較，基于物質(zhì)科學(xué)中物質(zhì)和相互作用這2個(gè)核心概念，研究確定了靜電學(xué)的重要物理模型及各模型所包含的要素：

1）物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型，該模型包括電荷、導(dǎo)體和電介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。

2）電場(chǎng)模型，該模型包括電場(chǎng)的性質(zhì)、電場(chǎng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)能、電勢(shì)、電場(chǎng)線等。

3）靜電相互作用模型，該模型包括電場(chǎng)與電荷、導(dǎo)體、電介質(zhì)的相互作用。

2 研究方法

樣本來(lái)自湖北某一本院校二年級(jí)理工科學(xué)生 （未學(xué)習(xí) 《大學(xué)電磁學(xué)》課程），《大學(xué)物理》課程在該校二年級(jí)開(kāi)設(shè)，樣本量為137人。樣本高中所在省份涉及湖北、湖南、河北、浙江、貴州、山西、廣西、天津8個(gè)省或自治區(qū)，其中男生占總數(shù)的73%，女生占總數(shù)的27%。

采用紙筆測(cè)試和診斷性訪談來(lái)確定學(xué)生對(duì)靜電學(xué)重要物理模型的理解現(xiàn)狀。研究測(cè)試量表試題全部選自國(guó)際電磁學(xué)權(quán)威測(cè)試量表CSEM、BEMA 或相關(guān)研究文獻(xiàn)中的相關(guān)試題，以保證試題的效度，測(cè)試總題目數(shù)為21題。為獲取學(xué)生選擇答案的理由以供進(jìn)一步分析，研究的測(cè)試題采用二階測(cè)試 （Twostage test），即學(xué)生需要提供得到答案的解釋。

為研究測(cè)試量表的質(zhì)量，應(yīng)用Rasch模型對(duì)試題的質(zhì)量進(jìn)行整體分析，檢測(cè)測(cè)試量表的信度。測(cè)試量表的整體信度是表征問(wèn)卷項(xiàng)目可靠性的重要指標(biāo)，應(yīng)用Rasch模型分析結(jié)果顯示，測(cè)試樣本信度為0．81，測(cè)試題目信度為0．98，表明量表的綜合信度較高，具有良好的內(nèi)部一致性信度。

為了確定學(xué)生在靜電學(xué)各重要物理模型上的具體表現(xiàn)類型，研究采用成績(jī)－集中度分析的方法。成績(jī)－集中度方法是美國(guó)物理教育研究者Bao和Redish［6］提出的，通過(guò)學(xué)生選項(xiàng)的分布情況來(lái)分析學(xué)生的認(rèn)知模式。集中度描述了學(xué)生對(duì)選項(xiàng)的集中程度。學(xué)生選擇越集中，集中度越高，反之，學(xué)生選擇的越分散，集中度越低［7］。其利用成績(jī)（答對(duì)率）和集中度這2個(gè)因素，采用二因素分析來(lái)研究學(xué)生答題的方式。將學(xué)生的成績(jī)和集中度分別劃分為低（L）、中 （M）、高 （H）3個(gè)水平 （見(jiàn)表1），從成績(jī)和集中度，2個(gè)因素的組合中得到7種模式類型，如表2所示。

表1 成績(jī)和集中度的3種水平

3 調(diào)查結(jié)果

表2 學(xué)生回答模式類型

3．1 學(xué)生對(duì)靜電學(xué)重要物理模型理解現(xiàn)狀的整體分析

圖1 成績(jī)－集中度散點(diǎn)圖

用Matlab7．0 繪制出成績(jī)－集中度的散點(diǎn)圖 （見(jiàn)圖1），圖中上下2 條曲線是界限曲線，任意點(diǎn)應(yīng)只能落在最大值和最小值之間。從圖1可以看出，大學(xué)生對(duì)靜電學(xué)重要物理模型或要素的理解類型較多的集中在LM 和MM 區(qū)間，即學(xué)生對(duì)靜電學(xué)重要模型具有2個(gè)比較集中的錯(cuò)誤模式或普遍模式。為對(duì)這些錯(cuò)誤或普遍模式進(jìn)行具體分析，對(duì)各試題學(xué)生的回答模式類型、所屬物理模型、及涉及的具體要素或情境進(jìn)行分析，如表3所示。

從表3分析可發(fā)現(xiàn)，即使考查的是同一物理模型的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生在不同題目或情境下的回答模式類型不同，甚至有些差別很大，如 “金屬導(dǎo)體上的電荷分布和電勢(shì)分布”的問(wèn)題，學(xué)生對(duì)于熟悉情境或具有對(duì)稱性良好的情境表現(xiàn)較好，對(duì)于不熟悉或缺乏對(duì)稱的情境表現(xiàn)較差，表明在學(xué)生頭腦中同時(shí)存在科學(xué)模型和相異模型，學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)在科學(xué)模型與相異模型間搖擺，明顯受到情境的影響，具有情境依賴性，因此回答沒(méi)有固定模式。

表3 按成績(jī)和集中度類型分類

3．2 學(xué)生對(duì)靜電學(xué)重要物理模型理解現(xiàn)狀的具體分析

1）物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)模型。由表3可以看出，對(duì)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型，學(xué)生對(duì)電荷的理解較好，屬于HM 型，57．8% 的學(xué)生認(rèn)為 “電荷是帶電的基本粒子的基本屬性”，25%的學(xué)生認(rèn)為 “電荷是一切實(shí)物物質(zhì)的基本屬性”，這些均屬于科學(xué)模型。但仍有14%的學(xué)生認(rèn)為 “電荷是帶電體的基本屬性”，4%的學(xué)生認(rèn)為 “電荷是一種物質(zhì)”，這些是學(xué)生普遍的相異模型。

對(duì)于金屬導(dǎo)體模型，53%的學(xué)生正確認(rèn)為 “金屬導(dǎo)體中僅電子可自由移動(dòng)”，但部分學(xué)生對(duì)于帶正電的晶格情況不清楚，27%的學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)為 “電子和質(zhì)子如電液一般均可自由移動(dòng)”。

對(duì)于電介質(zhì)模型，很少有學(xué)生持有科學(xué)模型，屬于LL類。學(xué)生所持有的相異模型有：電介質(zhì)內(nèi)的帶電粒子無(wú)論如何都無(wú)法移動(dòng)，因此其不能帶電；電介質(zhì)在一定條件下 （如摩擦起電）才能帶電，但不能發(fā)生類似靜電感應(yīng)現(xiàn)象 （即極化）。學(xué)生不能解釋摩擦過(guò)的物體能夠吸引輕小物體等實(shí)際現(xiàn)象，很多學(xué)生解釋該現(xiàn)象時(shí)認(rèn)為小紙屑本身帶電，或電場(chǎng)就對(duì)微小物體有作用。

2）電場(chǎng)模型。由表3可以看出，學(xué)生對(duì)電場(chǎng)模型的理解及相關(guān)要素的掌握不好，屬于ML、LM、LL類型，學(xué)生普遍具有1個(gè)或2個(gè)典型的錯(cuò)誤模式。對(duì)于電場(chǎng)模型，57%的學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)為 “電場(chǎng)不是物質(zhì)，因?yàn)殡妶?chǎng)看不見(jiàn)、摸不著，不是由分子、原子構(gòu)成”，或 “電場(chǎng)并不真實(shí)存在，是為了描述電荷之間的相互作用而假想出來(lái)的”，38%的學(xué)生雖然認(rèn)為 “電場(chǎng)是物質(zhì)”，但對(duì)電場(chǎng)的物質(zhì)屬性沒(méi)有清楚認(rèn)識(shí)，僅是記住該結(jié)論。

對(duì)于電場(chǎng)線，27%的學(xué)生將電場(chǎng)線與軌跡線混淆，16%的學(xué)生對(duì)電場(chǎng)線的認(rèn)識(shí)會(huì)受情境的影響；對(duì)于電場(chǎng)的疊加，25%的學(xué)生認(rèn)為 “導(dǎo)體對(duì)電場(chǎng)有隔絕作用”，學(xué)生沒(méi)有正確理解金屬導(dǎo)體屏蔽電場(chǎng)這一現(xiàn)象，將 “屏蔽”理解為 “隔絕”，38%的學(xué)生認(rèn)為 “絕緣體對(duì)電場(chǎng)有隔絕作用”。且學(xué)生易將電荷、電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)概念進(jìn)行混淆，習(xí)慣從力的角度解決問(wèn)題，很少?gòu)哪芰康慕嵌瓤紤]，對(duì)電勢(shì)的理解較模糊，僅建立定量關(guān)系；對(duì)“靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上電勢(shì)處處相等”沒(méi)有真正理解，習(xí)慣用電荷分布來(lái)判斷導(dǎo)體上電勢(shì)的大小。

3）靜電相互作用模型。由表3可以看出，學(xué)生對(duì)電荷之間的相互作用規(guī)律，即庫(kù)侖定律掌握較好，屬于HH 型。但57%的學(xué)生持有超距作用模型，即電荷與電荷間的相互作用不需要介質(zhì)和時(shí)間，學(xué)生應(yīng)用庫(kù)侖定律、牛頓第三定律、同性相斥、異性相吸來(lái)判斷相互作用的大小和方向，24%的學(xué)生持有超距作用模型與場(chǎng)作用模型的混合模型，即學(xué)生知道電荷與電荷間的相互作用通過(guò)場(chǎng)來(lái)傳遞，但在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)未從空間場(chǎng)的分布來(lái)分析問(wèn)題，如金屬導(dǎo)體上的電荷分布，金屬筒內(nèi)帶電小球的運(yùn)動(dòng)等，表明學(xué)生并未真正建立場(chǎng)作用模型。而且學(xué)生對(duì)電場(chǎng)對(duì)金屬導(dǎo)體、電介質(zhì)的作用機(jī)制并不清楚，對(duì)靜電屏蔽、極化現(xiàn)象的微觀過(guò)程缺乏相應(yīng)的圖景。

4 研究啟示

4．1 靜電學(xué)教學(xué)存在的主要問(wèn)題剖析

基于調(diào)查結(jié)果和進(jìn)一步診斷性訪談發(fā)現(xiàn)，靜電學(xué)教學(xué)存在的主要問(wèn)題有以下3類：

1）學(xué)生會(huì)對(duì)教師傳授的 “物理名詞”產(chǎn)生錯(cuò)誤理解。教師對(duì) “物理名詞”的理解往往與學(xué)生的理解是有差異的，但大多數(shù)教師并不了解學(xué)生所想。如“屏蔽”，學(xué)生的理解通常是 “隔絕”電場(chǎng)或電荷，而不是科學(xué)的 “合場(chǎng)強(qiáng)為0”的認(rèn)識(shí)，顯然這是學(xué)生望文生義。如果教師大量使用學(xué)生未理解的 “物理名詞”將會(huì)增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，降低學(xué)習(xí)效率，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

2）很多學(xué)生僅僅靠記憶記住靜電學(xué)中的某些結(jié)論，而未真正理解。靜電學(xué)部分是物理學(xué)中較為抽象和具有挑戰(zhàn)性的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在生活中僅僅有少量的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)可以觀察，而初中靜電學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容極少，高中靜電學(xué)部分也沒(méi)有深入講解。如學(xué)生僅記住 “絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶正電，毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒帶負(fù)電”、“帶電體能吸引紙屑、頭發(fā)等輕小物體”等等結(jié)論。因此，當(dāng)問(wèn)題情境稍加變化，學(xué)生就無(wú)法解答，表現(xiàn)出情境依賴性。對(duì)熟悉情境能夠正確解答，但陌生情境則出現(xiàn)錯(cuò)誤，其根本原因在于學(xué)生未建立對(duì)這些模型的科學(xué)理解。

3）中學(xué)教師 “自主研發(fā)”了大量與科學(xué)模型相異或有缺陷的模型，學(xué)生的很多錯(cuò)誤還來(lái)自于教師的誤導(dǎo)，教師純粹為了學(xué)生能夠快速解題而歸納總結(jié)出自認(rèn)為 “高效”的結(jié)論，而實(shí)際上這些結(jié)論的得到抹去了中間的思維過(guò)程，因此導(dǎo)致學(xué)生在理解這些結(jié)論時(shí)，同樣會(huì)演化出更多的相異模型。

4．2 靜電學(xué)教學(xué)的建議

1）靜電學(xué)教學(xué)應(yīng)關(guān)注學(xué)生對(duì)相關(guān)重要模型的建構(gòu)。靜電學(xué)教學(xué)有其特殊性，它不同于力學(xué)、光學(xué)等其他內(nèi)容，因?yàn)槠渲匾Ｐ?“物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型”是微觀層面，而重要模型 “電場(chǎng)”看不見(jiàn)，摸不著，學(xué)生很難建立起 “電場(chǎng)”的圖景。因此教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生親身經(jīng)歷模型的建構(gòu)過(guò)程，教師不能用 “物理名詞”來(lái)代替學(xué)生的理解，教學(xué)過(guò)程中需要讓學(xué)生暴露自己初始模型，并且通過(guò)共享展示、檢驗(yàn)、修正、反思等環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)重要模型的理解不斷得到發(fā)展。

2）教學(xué)時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)從真實(shí)問(wèn)題中抽象模型，不要過(guò)早引入數(shù)學(xué)公式和物理名詞。靜電學(xué)教學(xué)應(yīng)在學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象、物理模型、物理原理及過(guò)程給出定性描述和解釋之后，再建立相關(guān)概念及概念所對(duì)應(yīng)物理名詞，最后再用數(shù)學(xué)表征來(lái)建立相關(guān)物理量之間的聯(lián)系，這樣才有利于學(xué)生對(duì)重要物理模型及模型間關(guān)系的深入理解。學(xué)生只有經(jīng)歷在真實(shí)情境中建構(gòu)模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，才能建立起理論與實(shí)際之間的關(guān)系，從而在不同情境中靈活調(diào)用知識(shí)，激活知識(shí)，形成穩(wěn)定的科學(xué)模型。

3）教師應(yīng)轉(zhuǎn)變教學(xué)思路。對(duì)于靜電學(xué)中大量抽象模型應(yīng)利用多種手段，如實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫(huà)、仿真等相結(jié)合的方式，讓學(xué)生在感性認(rèn)識(shí)中加深印象，看似 “高效”的結(jié)論只會(huì)抹殺學(xué)生的創(chuàng)新思維。甚至可以利用仿真動(dòng)畫(huà)來(lái)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)線、軌跡線、電場(chǎng)、電勢(shì)差的動(dòng)態(tài)和量化表征，從而讓學(xué)生能夠在活動(dòng)中、在“游戲”中去區(qū)別這些容易混淆的概念或模型。

5 結(jié)論

1）靜電學(xué)重要物理模型測(cè)試量表由21個(gè)二階測(cè)試題構(gòu)成，測(cè)試量表具有較高的綜合信度，可作為測(cè)試?yán)砉た拼髮W(xué)生對(duì)靜電學(xué)重要物理模型理解現(xiàn)狀的參考工具。

2）理工科大學(xué)生尚未能形成關(guān)于靜電學(xué)重要物理模型的科學(xué)而穩(wěn)定模型，特別需加強(qiáng)對(duì) “物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)模型”和“電場(chǎng)模型”的學(xué)習(xí)。

3）靜電學(xué)教學(xué)應(yīng)重視重要模型的教學(xué)，并應(yīng)強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷從真實(shí)問(wèn)題中抽象模型、建構(gòu)模型的過(guò)程，可采用多種手段和方法來(lái)幫助學(xué)生建構(gòu)對(duì)重要模型的深入理解。

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