大學生對電磁學概念錯誤理解的調研

薛丹丹 郭芳俠 高倩男

（陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710119）

學生在學習物理時，已經具有了大量的關于物理體系的觀念，特別是在電磁學中.這些觀念可能是由之前的經驗、日常語言或者前邊的學習，以及對專家解釋的贊同所引起的.但是，通常由“常識”的解釋或者缺乏精確性的語言所導致的前概念是錯誤概念.這些概念一旦形成，就會非常持久，很難改變［1］.因此，在教學中關注學生的錯誤概念是極其必要的.電磁學是物理中一個重要的知識領域，它涵蓋了電場、磁場、恒定電流、感應電流等許多概念.學生在學習電磁學中存在很多錯誤概念.倘若這些錯誤概念得不到及時解決，必將影響學生后續的學習以及對知識的正確應用.為了讓教師了解學生的電磁學錯誤概念，進行有針對性的教學，不斷提高教學效率，本文首先以問卷的形式，調查學生在電磁學概念學習中的現狀，然后通過調查結果，分析學生在電磁學概念中的錯誤概念和形成的原因，最后針對錯誤概念提出一些建議.

1 CSEM簡介

CSEM是由Moloney等人在4年實踐中不斷修改和完善中形成的用于評估學生對電磁學概念的理解程度的問卷.問卷中每個選項的合理性和適當性都征求了42個大學教授的意見.這份問卷還被以多種形式運用于來自30個不同大學的5 000多名物理專業的新生，運用KR－20的方法對CSEM的可靠性進行分析，得出可靠性r大約是0.75，這是一個非常合理的值［2］.CSEM是被實踐證明了的對探索學生的錯誤概念非常可靠、有效的測量工具.

CSEM是由32道單選題構成，主要涉及了11個話題，分別是電荷在導體和絕緣體上的分布，電場力和場的疊加，庫侖定律，電場力，功、電勢、場和力，感應電荷和電場，磁場力，電磁感應，磁場疊加，法拉第定律，牛頓第三定律，每個知識點對應的題號如表1所示.

表1 知識點與對應題號

總之，CSEM不是一個涵蓋整個電磁領域概念的清單，而是一個非常好的對學生電磁學方面知識進行總觀的質性評估工具.

2 調查方法

由于我國對學生電磁學錯誤概念的研究比較少，并且電磁學概念本身覆蓋面比較廣，我國目前還沒有形成一個比較好的量表用于研究學生的電磁學錯誤概念，而國外在這方面的研究比較成熟，因此筆者將國外的CSEM翻譯為中文作為自己的調查工具.然后選取陜西師范大學2014級物理學專業的學生（大一新生）為調查對象，分別是物理創新實驗班和物理教育專業3個班的學生.4個班總人數為234名，分別來自全國28個省份.這些學生剛從高中畢業，還沒有學習電磁學專業課程，所以對電磁學概念的理解，依然停留在高中水平.問卷發放了234份，收回233份，有效問卷226份.為了促使學生認真作答，問卷的作答是在教師的監督下進行的，每個班用40分鐘的時間完成問卷調查，等學生完成之后，將問卷收回并進行分析.

3 調查結果及分析

為了比較全面地了解學生在電磁學概念理解中的情況，筆者將問卷中各個選項選擇的人數進行統計，然后分析了百分率，從中得到每道題的正確率和錯誤率最高的選項.

3.1 CSEM調查結果統計

筆者將226名學生在CSEM中的調查結果統計如表2.

續表

3.2 對比國內外學生關于CSEM問卷的正確率

國外也運用CSEM對5 000多名物理專業的學生進行了調查，為了清楚地看出國內外學生在電磁學概念理解中是否存在差異，筆者分別將國內和國外學生在CSEM問卷中各題的正確率進行對比，對比結果如圖1所示.

圖1 國內和國外學生在CSEM問卷中的正確率

分析圖1，我們可以發現，總體而言，我國大學生在CSEM問卷中的正確率顯著高于國外大學生的正確率，32個問題中約有65.63%的問題，國內學生的正確率是國外學生正確率的2倍多，問題26達到了6倍多，只有問題13和問題27，我國學生的正確率略低于國外學生的正確率，但相差不到14%.分析其中的原因：（1）可能和國內國外物理課程的設置有關，在國外電學和磁學作為初中的必修課程，包括靜電、直流電和磁場，但所講的內容相對簡單，高中時學習靜電力、電磁，但作為選修課程.而我國初中學生對電流、電壓、電阻進行了系統學習，并且簡單學習了磁場和電磁感應.在高中系統地學習了庫侖定律、電場、帶電粒子在磁場中的運動等.（2）可能和研究對象有關，國外運用CSEM問卷對多個學校進行調查，而筆者只以陜西師范大學為例，陜西師范大學所錄取的學生依據高考成績，可以認為是中等偏上，所以基礎還是比較好的，當然還有一些其他原因.但從總體上分析，學生在電磁學概念理解中存在的困難是具有相似性的.比如國內國外在問題1，2，13，14，21，22，27和31的正確率都相對比較低，說明學生在電磁學中存在的錯誤概念也具有共性.

3.3 關于各個知識點中的錯誤概念

按照概念領域和對應題號對學生在CSEM中調查結果進行分析，分析結果如表3所示.

表3 各個知識點中的典型錯誤

3.4 形成錯誤概念的原因及建議

學生形成錯誤概念的原因是多樣的，主要有：

（1）學習參考書中習題設計的不合理.比如在參考書中點電荷的初速度一般都與磁場方向垂直，從而導致學生認為無論在什么時候，都可以直接利用F＝Bvq求洛倫茲力的大小.

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

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

（4）電磁學概念本身的抽象性.比如在學習電場時，說電場是一種物質，而這種物質在我們日常生活中看不到摸不著，所以學生理解起來比較困難，容易認為電場線就代表電場本身等.

學生形成錯誤概念的原因是多方面的，但物理概念不僅是物理基礎知識的重要組成部分，也是整個物理知識體系的支撐點，更是構成物理規律，建立物理公式和完善物理理論的基礎和前提［3］，所以在電磁學概念教學中一定要重視學生已經形成的一些錯誤概念，為了讓學生更好地理解電磁學概念，教師首先應認識到學生可能存在的錯誤概念，在教學過程中注意引發學生的認知沖突［4］，多利用數字媒體教學，比如在電磁學概念中運用網絡仿真，使抽象的電磁學概念更加形象［5］，關注學生類比能力的培養，注意糾正學生不恰當的類比等.比如在給學生講授產生感應電流的原因是閉合線圈中的磁通量發生改變時，可以利用磁鐵和帶有燈泡的導線圈做實驗.先讓學生猜想哪些情況下燈泡可能會亮，即產生感應電流，再根據學生的猜想依次做實驗驗證，在實驗中會使學生恍然大悟.由于課堂中教師演示實驗不可能照顧到所有學生，所以可以鼓勵學生多去做網絡仿真實驗，在http：∥phet.colorado.edu／en／simulation／generator中提供了大量生動的電磁學方面的實驗，學生可以隨時隨地進行實驗.

4 總結

本文通過運用CSEM問卷對陜西師范大學226名物理專業的學生進行調查，發現了我國大學生對電磁學概念的理解程度高于國外學生，但在導體和絕緣體，庫侖定律，力和場的疊加，力、場、功和電勢，磁場力和法拉第定律中依然存在大量錯誤概念.在錯誤概念中，學生對靜電屏蔽原理理解得最差；其次是法拉第定律中不能區分磁通量及其變化率；在磁場力中不明白洛倫茲力的產生條件，及其大小的計算和方向的判斷；在力，場，功和電勢中對電勢、場強、功等之間的關系掌握得不夠好；在場的疊加中，容易將左手定則和右手定則的適用條件混淆等.學生對庫侖定律掌握的相對比較好，但仍有少數學生對庫侖定律中各個量的含義比較模糊.針對這些錯誤概念，分析出學生形成錯誤概念的原因可能是：（1）學習參考書中習題設計的不合理.（2）不恰當的類比.（3）力學中形成的錯誤概念的影響.（4）電磁學概念本身的抽象性等.并提出了通過引發學生的認知沖突，多利用數字媒體教學，關注學生類比能力的培養等方式提高學生對電磁學概念理解的建議.

1 Dr .Camille L. Wainwright. Toward Learning and Uder－standing Electricity：Challenging persistent Misconce－ptions.http：∥fg.ed.pacificu.edu／wainwright／indx.html

2 David P. Maloney，Thomas L.O′Kuma，Curtis Hiegge－lke，Alan Van Heuvelen.Surveying students′conceptual knowledge of electricity and magnetism.American Association of Physics Teacher.2001：12～28

3 王較過，李貴安.物理教學論.西安：陜西師范大學出版社，2013.195

4 陳琦，劉儒德.當代教育心理學.北京：北京師范大學出版社，2012.278

5 Cairo Dias Barbosa，José Gidauto Dos Santos Lima Junior.The use of web simulator as an auxiliary to the physical teaching：Concepts about electromagnetism in the distance education mode. American Journal of Electromagnetics and Applications，2014；2（4）：34～38