申亞琴 張 凡 黃惠敏 張 萍

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875)

大學(xué)生電磁感應(yīng)錯(cuò)誤概念的研究*

申亞琴 張 凡 黃惠敏 張 萍

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875)

利用同伴教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，并在課堂上獲取大學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)概念測(cè)試題的討論錄音，分析錄音,獲得大學(xué)生對(duì)于電磁感應(yīng)存在的錯(cuò)誤概念.根據(jù)得到的錯(cuò)誤概念編制二階測(cè)試題，用于研究相關(guān)錯(cuò)誤概念轉(zhuǎn)變情況.研究中發(fā)現(xiàn)大學(xué)生在電磁感應(yīng)等物理概念上普遍存在著一些錯(cuò)誤概念，此研究可以為今后的教學(xué)提供參考.

電磁感應(yīng) 錯(cuò)誤概念 大學(xué)生 同伴教學(xué)法

物理與日常生活息息相關(guān)，從日常生活中學(xué)生能夠得到對(duì)物理現(xiàn)象或問(wèn)題的理解，其中有些理解是正確的，而有些理解則是片面的、不完整的，有的甚至是完全違背科學(xué)觀念的，研究者把這些完全違背科學(xué)知識(shí)的理解稱為錯(cuò)誤概念[1].錯(cuò)誤概念在學(xué)生中普遍存在，對(duì)教學(xué)有極大的影響.物理教師在教學(xué)之前應(yīng)該充分地了解學(xué)生在某一知識(shí)點(diǎn)可能存在的錯(cuò)誤概念，以便在教學(xué)過(guò)程中注意糾正，采取有針對(duì)性的教學(xué)策略，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果，幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)的物理概念.

1 研究方法

1.1 教學(xué)方法——同伴教學(xué)法

同伴教學(xué)法(即PI教學(xué)法)是一種讓學(xué)生在課前充分預(yù)習(xí)，在課上合作學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，利用投票器先讓學(xué)生選擇概念測(cè)試題的個(gè)人答案，并說(shuō)明選擇該選項(xiàng)的理由，接著與小組成員進(jìn)行交流討論，在討論過(guò)程中學(xué)生的答案可能會(huì)發(fā)生變化，因此討論結(jié)束后再次發(fā)送答案.同伴教學(xué)法比傳統(tǒng)單一的授課方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)參與度，并能有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的理解[2].

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本研究在使用同伴教學(xué)法的電磁學(xué)課程中進(jìn)行，研究對(duì)象是非物理專業(yè)大二學(xué)生.課上學(xué)生分組討論動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的一階概念測(cè)試題，在討論過(guò)程中暴露出自己的錯(cuò)誤概念.將小組討論進(jìn)行錄音并轉(zhuǎn)錄成文字形式，分析錄音，找出討論過(guò)程中學(xué)生們出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤說(shuō)法，對(duì)錯(cuò)誤說(shuō)法進(jìn)行分析、歸類、統(tǒng)計(jì)，得出學(xué)生存在的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)錯(cuò)誤概念.將一階測(cè)試中得出的錯(cuò)誤概念編制成選項(xiàng)成為二階測(cè)試題.由于一個(gè)學(xué)生可能存在多個(gè)錯(cuò)誤概念，所以二階測(cè)試題設(shè)計(jì)為多選題.

2 研究結(jié)果

在電磁學(xué)方面學(xué)生存在很多錯(cuò)誤概念，針對(duì)學(xué)生在電場(chǎng)和電動(dòng)勢(shì)方面可能存在的錯(cuò)誤概念，采用特定的一階測(cè)試題對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，并將錯(cuò)誤概念外顯出來(lái).

【例1】圓形區(qū)域中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間均勻變化，鋁環(huán)、木環(huán)分別按圖1中所示的4種方式放置，下列環(huán)中存在感生電場(chǎng)的有( )

圖1 鋁環(huán)、木環(huán)的4種放置方式

這個(gè)題目的正確選項(xiàng)是A,B,C,D.將學(xué)生的討論過(guò)程進(jìn)行錄音并將錄音轉(zhuǎn)錄成文字形式，找出學(xué)生在討論過(guò)程中外顯的錯(cuò)誤概念.學(xué)生中主要出現(xiàn)了4種錯(cuò)誤概念，另外還出現(xiàn)了少量其他的錯(cuò)誤概念，錯(cuò)誤概念如表1所示.

表1 例1中的錯(cuò)誤概念統(tǒng)計(jì)

①針對(duì)例1中的選項(xiàng)C.

將錯(cuò)誤概念外顯出來(lái)編制成二階測(cè)試題如下.

【例1二階測(cè)試】圓形區(qū)域中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間均勻變化，鋁環(huán)、木環(huán)分別按圖1中所示方式放置，下列說(shuō)法中正確的有( )

A.因?yàn)榻^緣體中不能產(chǎn)生感生電場(chǎng)，所以圖1B的木環(huán)中沒(méi)有感生電場(chǎng)

B.因?yàn)閳D1C的鋁環(huán)沒(méi)有處于變化的磁場(chǎng)之中，所以環(huán)中沒(méi)有感生電場(chǎng)

C.因?yàn)閳D1C的鋁環(huán)中沒(méi)有磁通量變化，所以環(huán)中沒(méi)有感生電場(chǎng)

D.因?yàn)閳D1D的半圓環(huán)不是閉合的回路，不會(huì)有感應(yīng)電流，所以環(huán)中沒(méi)有感生電場(chǎng)

E.以上說(shuō)法都不對(duì)

使用二階測(cè)試題對(duì)學(xué)生再一次進(jìn)行測(cè)試可以進(jìn)一步研究學(xué)生在感生電動(dòng)勢(shì)方面存在的錯(cuò)誤概念的轉(zhuǎn)變情況.

【例2】圓形區(qū)域中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間均勻變化，鋁環(huán)、木環(huán)分別按圖2中所示的4種方式放置，下列環(huán)中存在感生電動(dòng)勢(shì)的有( )

圖2 鋁環(huán)、木環(huán)的4種放置方式

這個(gè)題目的正確選項(xiàng)是A,C,D，學(xué)生中主要出現(xiàn)了2個(gè)錯(cuò)誤概念，另外還出現(xiàn)了少量其他的錯(cuò)誤概念，錯(cuò)誤概念如表2所示.

表2 關(guān)于感生電動(dòng)勢(shì)的錯(cuò)誤概念統(tǒng)計(jì)

將錯(cuò)誤概念外顯出來(lái)編制成二階測(cè)試題如下.

【例2二階測(cè)試】圓形區(qū)域中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間均勻變化，鋁環(huán)、木環(huán)分別按圖2中的4種方式放置，下列說(shuō)法正確的有( )

A.因?yàn)閳D2B的木環(huán)處在變化的磁場(chǎng)中，所以有感生電動(dòng)勢(shì)

B.因?yàn)閳D2C的鋁環(huán)沒(méi)有處于變化的磁場(chǎng)之中，所以環(huán)中沒(méi)有感生電動(dòng)勢(shì)

C.因?yàn)閳D2D的半圓環(huán)沒(méi)有形成閉合的回路，所以環(huán)中沒(méi)有感生電動(dòng)勢(shì)

D.因?yàn)橛懈猩妶?chǎng)就有感生電動(dòng)勢(shì)，所以圖2中4種方式的環(huán)中均有感生電動(dòng)勢(shì)

E.以上都不對(duì)

【例3】如圖3所示，一個(gè)U型線框(各邊長(zhǎng)為L(zhǎng))沿著磁體以速度v垂直向下滑動(dòng)(線框與磁體接觸良好)，下滑過(guò)程中線框與磁場(chǎng)夾角θ保持不變.假設(shè)線框和磁體都是良導(dǎo)體，且線框始終在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng).關(guān)于該線框中動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的說(shuō)法，下列說(shuō)法正確的是( )

A.E=BLvB.E=BLvcosθ

C.E=BLvsinθD.E=0

E.以上都不對(duì)

這個(gè)題目的正確選項(xiàng)是A，學(xué)生中主要出現(xiàn)了3個(gè)錯(cuò)誤概念，如表3所示.

表3 例5學(xué)生討論中出現(xiàn)的錯(cuò)誤概念

將這些錯(cuò)誤概念編入原題，設(shè)計(jì)成二階測(cè)試題如下．

【例3二階測(cè)試】如圖4所示，一個(gè)U型線框(各邊長(zhǎng)為L(zhǎng))沿著磁體以速度v垂直向下滑動(dòng)(線框與磁體接觸良好)，下滑過(guò)程中線框與磁場(chǎng)B夾角θ保持不變.其中P,Q是U型線框末端的兩個(gè)點(diǎn).假設(shè)線框和磁體都是良導(dǎo)體，且線框始終在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng).關(guān)于該線框中動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的說(shuō)法，下列說(shuō)法正確的是( )

圖4 例3二階測(cè)試題圖

A.由于U形線框和磁體組成的閉合線框的磁通量沒(méi)有變化，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零

B.應(yīng)將U形線框和磁體組成的閉合線框平面投影到與磁場(chǎng)垂直的平面上，所以感生電動(dòng)勢(shì)為E=BLvsinθ

C.U型線圈沒(méi)有閉合，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，因而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零

D.U型線圈與磁感線垂直的部分產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為BLv，加上磁體內(nèi)部與U型線圈形成閉合回路的部分磁體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E=2BLv

E.由公式可得E=BLvcosθ

3 討論

(1)電磁學(xué)是物理中一個(gè)重要的知識(shí)領(lǐng)域，并且涵蓋許多方面的概念，學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁學(xué)中存在很多錯(cuò)誤概念,具體如表4所示.

表4 本次研究發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤概念

續(xù)表

(2)物理教學(xué)應(yīng)充分關(guān)注學(xué)生頭腦中的錯(cuò)誤概念，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)概念測(cè)試題，給學(xué)生提供合作、交流的學(xué)習(xí)環(huán)境.通過(guò)研究一階測(cè)試題中學(xué)生存在的錯(cuò)誤概念，將得到的錯(cuò)誤概念編制成二階測(cè)試題，在一階測(cè)試題的基礎(chǔ)上進(jìn)行二階測(cè)試題的測(cè)試，可以進(jìn)一步研究大學(xué)生的錯(cuò)誤概念轉(zhuǎn)變情況.本研究所得錯(cuò)誤概念可以供物理教師作為教學(xué)參考，在講解知識(shí)的時(shí)候注意到這些錯(cuò)誤概念對(duì)學(xué)生的影響，有助于提高教學(xué)質(zhì)量.

1 臧國(guó)東. 論物理教學(xué)中如何轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯(cuò)誤概念. 吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)旬刊, 2008(2):51～53

2 張萍, 劉宇星. 同伴教學(xué)法在大學(xué)物理課程中的應(yīng)用. 物理與工程, 2012, 22(1):41～43

StudyontheMisconceptionsofElectromagneticInductionamongUndergraduateStudents

ShenYaqinZhangFanHuangHuiminZhangPing

(DepartmentofPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875)

In a calculus-based introductory physics course, we implemented Peer Instruction and recorded the students′ discussion on electromagnetic induction conception tests. After analyzing the records, we know about their misconception of electromagnetic induction. Then we developed another multiple-choice test which targets at obtaining the change of the misconceptions. Many common misconceptions of electromagnetic induction have been found in our study, which will provide a reference for future teaching.

electromagnetic induction; misconceptions; undergraduate students; peer instruction

*2015年度北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2015-1h02

申亞琴(1993- )，女，在讀本科生.

指導(dǎo)教師：張萍(1964- )，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高等物理教育研究.

2016-06-28)