理工科大學生對靜電學重要物理模型理解現狀的調查研究

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

湯祖軍 （荊州市實驗中學，湖北 荊州434020）

靜電學在電磁學中占有重要地位，但靜電學是一個具有挑戰性的教學內容，因為如電場、靜電相互作用等重要物理模型并不是學生日常生活所熟悉的，它們具有較高的復雜性和抽象性。同時，靜電是日常生活中經常遇到的現象，學生關于靜電有很多迷思概念。但是，與物理學中的其他主題不一樣，關于靜電學的迷思概念和概念轉變的困難性并沒有進行深入的研究。Mustafa等注意到用評價工具來評價學生關于電磁學的概念是一個不同于物理學其他主題的任務［1］，Esra Bilal等通過綜述已有研究發現，靜電學的研究主要關注電場力和電場等迷思概念的研究［2］。關于學生對重要物理模型理解現狀的研究并不多，且研究對象主要為中小學生，尚未對大學生進行深入研究。為此，筆者對理工科大學生對靜電學重要物理模型理解現狀進行了調查研究。

1 靜電學的重要物理模型

通過對電磁學相關教材［3，4］的研究和國際物理課程文件［5］的比較，基于物質科學中物質和相互作用這2個核心概念，研究確定了靜電學的重要物理模型及各模型所包含的要素：

1）物質微觀結構模型，該模型包括電荷、導體和電介質的微觀結構。

2）電場模型，該模型包括電場的性質、電場力、電場強度、電勢能、電勢、電場線等。

3）靜電相互作用模型，該模型包括電場與電荷、導體、電介質的相互作用。

2 研究方法

樣本來自湖北某一本院校二年級理工科學生 （未學習 《大學電磁學》課程），《大學物理》課程在該校二年級開設，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個省或自治區，其中男生占總數的73%，女生占總數的27%。

采用紙筆測試和診斷性訪談來確定學生對靜電學重要物理模型的理解現狀。研究測試量表試題全部選自國際電磁學權威測試量表CSEM、BEMA 或相關研究文獻中的相關試題，以保證試題的效度，測試總題目數為21題。為獲取學生選擇答案的理由以供進一步分析，研究的測試題采用二階測試 （Twostage test），即學生需要提供得到答案的解釋。

為研究測試量表的質量，應用Rasch模型對試題的質量進行整體分析，檢測測試量表的信度。測試量表的整體信度是表征問卷項目可靠性的重要指標，應用Rasch模型分析結果顯示，測試樣本信度為0．81，測試題目信度為0．98，表明量表的綜合信度較高，具有良好的內部一致性信度。

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

表1 成績和集中度的3種水平

3 調查結果

表2 學生回答模式類型

3．1 學生對靜電學重要物理模型理解現狀的整體分析

圖1 成績－集中度散點圖

用Matlab7．0 繪制出成績－集中度的散點圖 （見圖1），圖中上下2 條曲線是界限曲線，任意點應只能落在最大值和最小值之間。從圖1可以看出，大學生對靜電學重要物理模型或要素的理解類型較多的集中在LM 和MM 區間，即學生對靜電學重要模型具有2個比較集中的錯誤模式或普遍模式。為對這些錯誤或普遍模式進行具體分析，對各試題學生的回答模式類型、所屬物理模型、及涉及的具體要素或情境進行分析，如表3所示。

從表3分析可發現，即使考查的是同一物理模型的相關內容，學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 “金屬導體上的電荷分布和電勢分布”的問題，學生對于熟悉情境或具有對稱性良好的情境表現較好，對于不熟悉或缺乏對稱的情境表現較差，表明在學生頭腦中同時存在科學模型和相異模型，學生在解決問題時在科學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，因此回答沒有固定模式。

表3 按成績和集中度類型分類

3．2 學生對靜電學重要物理模型理解現狀的具體分析

1）物質的微觀結構模型。由表3可以看出，對于物質微觀結構模型，學生對電荷的理解較好，屬于HM 型，57．8% 的學生認為 “電荷是帶電的基本粒子的基本屬性”，25%的學生認為 “電荷是一切實物物質的基本屬性”，這些均屬于科學模型。但仍有14%的學生認為 “電荷是帶電體的基本屬性”，4%的學生認為 “電荷是一種物質”，這些是學生普遍的相異模型。

對于金屬導體模型，53%的學生正確認為 “金屬導體中僅電子可自由移動”，但部分學生對于帶正電的晶格情況不清楚，27%的學生錯誤認為 “電子和質子如電液一般均可自由移動”。

對于電介質模型，很少有學生持有科學模型，屬于LL類。學生所持有的相異模型有：電介質內的帶電粒子無論如何都無法移動，因此其不能帶電；電介質在一定條件下 （如摩擦起電）才能帶電，但不能發生類似靜電感應現象 （即極化）。學生不能解釋摩擦過的物體能夠吸引輕小物體等實際現象，很多學生解釋該現象時認為小紙屑本身帶電，或電場就對微小物體有作用。

2）電場模型。由表3可以看出，學生對電場模型的理解及相關要素的掌握不好，屬于ML、LM、LL類型，學生普遍具有1個或2個典型的錯誤模式。對于電場模型，57%的學生錯誤認為 “電場不是物質，因為電場看不見、摸不著，不是由分子、原子構成”，或 “電場并不真實存在，是為了描述電荷之間的相互作用而假想出來的”，38%的學生雖然認為 “電場是物質”，但對電場的物質屬性沒有清楚認識，僅是記住該結論。

對于電場線，27%的學生將電場線與軌跡線混淆，16%的學生對電場線的認識會受情境的影響；對于電場的疊加，25%的學生認為 “導體對電場有隔絕作用”，學生沒有正確理解金屬導體屏蔽電場這一現象，將 “屏蔽”理解為 “隔絕”，38%的學生認為 “絕緣體對電場有隔絕作用”。且學生易將電荷、電場強度與電勢概念進行混淆，習慣從力的角度解決問題，很少從能量的角度考慮，對電勢的理解較模糊，僅建立定量關系；對“靜電平衡時導體上電勢處處相等”沒有真正理解，習慣用電荷分布來判斷導體上電勢的大小。

3）靜電相互作用模型。由表3可以看出，學生對電荷之間的相互作用規律，即庫侖定律掌握較好，屬于HH 型。但57%的學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和時間，學生應用庫侖定律、牛頓第三定律、同性相斥、異性相吸來判斷相互作用的大小和方向，24%的學生持有超距作用模型與場作用模型的混合模型，即學生知道電荷與電荷間的相互作用通過場來傳遞，但在解決實際問題時未從空間場的分布來分析問題，如金屬導體上的電荷分布，金屬筒內帶電小球的運動等，表明學生并未真正建立場作用模型。而且學生對電場對金屬導體、電介質的作用機制并不清楚，對靜電屏蔽、極化現象的微觀過程缺乏相應的圖景。

4 研究啟示

4．1 靜電學教學存在的主要問題剖析

基于調查結果和進一步診斷性訪談發現，靜電學教學存在的主要問題有以下3類：

1）學生會對教師傳授的 “物理名詞”產生錯誤理解。教師對 “物理名詞”的理解往往與學生的理解是有差異的，但大多數教師并不了解學生所想。如“屏蔽”，學生的理解通常是 “隔絕”電場或電荷，而不是科學的 “合場強為0”的認識，顯然這是學生望文生義。如果教師大量使用學生未理解的 “物理名詞”將會增加學生的認知負荷，降低學習效率，產生厭學情緒。

2）很多學生僅僅靠記憶記住靜電學中的某些結論，而未真正理解。靜電學部分是物理學中較為抽象和具有挑戰性的教學內容，學生在生活中僅僅有少量的現象和實驗可以觀察，而初中靜電學部分的教學內容極少，高中靜電學部分也沒有深入講解。如學生僅記住 “絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，毛皮摩擦過的橡膠棒帶負電”、“帶電體能吸引紙屑、頭發等輕小物體”等等結論。因此，當問題情境稍加變化，學生就無法解答，表現出情境依賴性。對熟悉情境能夠正確解答，但陌生情境則出現錯誤，其根本原因在于學生未建立對這些模型的科學理解。

3）中學教師 “自主研發”了大量與科學模型相異或有缺陷的模型，學生的很多錯誤還來自于教師的誤導，教師純粹為了學生能夠快速解題而歸納總結出自認為 “高效”的結論，而實際上這些結論的得到抹去了中間的思維過程，因此導致學生在理解這些結論時，同樣會演化出更多的相異模型。

4．2 靜電學教學的建議

1）靜電學教學應關注學生對相關重要模型的建構。靜電學教學有其特殊性，它不同于力學、光學等其他內容，因為其重要模型 “物質微觀結構模型”是微觀層面，而重要模型 “電場”看不見，摸不著，學生很難建立起 “電場”的圖景。因此教學中應讓學生親身經歷模型的建構過程，教師不能用 “物理名詞”來代替學生的理解，教學過程中需要讓學生暴露自己初始模型，并且通過共享展示、檢驗、修正、反思等環節，使學生對重要模型的理解不斷得到發展。

2）教學時應強調從真實問題中抽象模型，不要過早引入數學公式和物理名詞。靜電學教學應在學生對物理現象、物理模型、物理原理及過程給出定性描述和解釋之后，再建立相關概念及概念所對應物理名詞，最后再用數學表征來建立相關物理量之間的聯系，這樣才有利于學生對重要物理模型及模型間關系的深入理解。學生只有經歷在真實情境中建構模型來解決實際問題，才能建立起理論與實際之間的關系，從而在不同情境中靈活調用知識，激活知識，形成穩定的科學模型。

3）教師應轉變教學思路。對于靜電學中大量抽象模型應利用多種手段，如實驗、動畫、仿真等相結合的方式，讓學生在感性認識中加深印象，看似 “高效”的結論只會抹殺學生的創新思維。甚至可以利用仿真動畫來實現電場線、軌跡線、電場、電勢差的動態和量化表征，從而讓學生能夠在活動中、在“游戲”中去區別這些容易混淆的概念或模型。

5 結論

1）靜電學重要物理模型測試量表由21個二階測試題構成，測試量表具有較高的綜合信度，可作為測試理工科大學生對靜電學重要物理模型理解現狀的參考工具。

2）理工科大學生尚未能形成關于靜電學重要物理模型的科學而穩定模型，特別需加強對 “物質的微觀結構模型”和“電場模型”的學習。

3）靜電學教學應重視重要模型的教學，并應強調讓學生經歷從真實問題中抽象模型、建構模型的過程，可采用多種手段和方法來幫助學生建構對重要模型的深入理解。

［1］Baser M．Effect of instruction based on conceptual change activities on students’understanding of static electricity concepts［J］．Research in Science ＆Technological Education，2007，25 （2）：243～267．

［2］Bilal E，Erol M．Investigating students’conceptions of some electricity concepts［J］．Lat Am J Phys Educ，2009，3 （2）：193～201．

［3］陳秉乾，舒幼生，胡望雨．電磁學專題研究 ［M］．北京：高等教育出版社，2001．

［4］趙凱華．電磁學 ［M］．第3版．北京：高等教育出版社，2011．

［5］Lei Bao，Edward F R．Concentration Analysis：A Quantitative Assessment of Student States［J］．American Journal of Physics，2001，69（s1）：s45～s54．

［6］王春鳳，郭玉英．集中度分析：定量分析中學生學習力學概念時的認知模式 ［J］．物理教師，2004，25 （7）：1～3，6．