高中生靜電學概念理解研究
——以導體的靜電平衡為例

吳壽寵

(六盤水市第二十三中學,貴州 六盤水 553000)

1 研究背景

物理概念的學習是物理知識學習的基礎,學生對概念理解的程度直接影響其后繼學習.有關錯誤概念的研究成果有助于科學教育者深入理解學生學習科學的認知結構,及提升科學教學成效,因此錯誤概念的研究不論對于科學教育理論的發展,還是對于實際的教學實踐都具有重要意義.

目前對高中生物理錯誤概念的研究文獻中,相較于力學專題,對靜電學專題的概念研究較少,且對大范圍概念的研究較多,結合具體概念的研究較少;研究方法上多以問卷調查法和訪談為主.

有鑒于此,本研究以導體的靜電平衡為例,對高中生在靜電學學習中所具有的錯誤概念及其廣泛程度進行統計分析,并探索上述錯誤概念的形成機制,從而為教師進行靜電學方面的教學備課提供參考.

為方便表述,本研究中的“錯誤概念”是廣義上的,其由兩部分組成: 學生在正式學習之前在生活中形成的關于某方面的錯誤理解; 學生在以往的正式學習中形成的關于某方面的錯誤理解.

2 研究對象、方法和步驟

2.1 研究對象

本研究選取六盤水市第二十三中學高二理科兩個班的學生共計145名,物理選修3-1為其必修課,在進行本研究前其剛學完導體的靜電平衡的知識.

2.2 研究方法

與傳統的問卷調查或訪談不同,本研究的方法主要有小組討論法和錄音法.首先針對導體的靜電平衡部分的可能存在的錯誤概念,精心設計出概念測試題;課堂上將學生分成若干小組,要求學生先給出個人答案,再與本組組員討論該題目,在討論過程中,學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誤概念.

課上征得各小組同意后,利用相應的錄音設備(手機、錄音筆等)將其討論內容記錄下來.通過錄音的方法,不僅可以有效地記錄每位學生的觀點,還可以在研究過程中還原真實的情景,使得研究的資料更加真實、可靠.

2.3 研究步驟

兩個班的學生討論分批進行,為方便研究,要求145名學生按3～4人固定編成43組,每1名學生都有固定的編號.首先是小組中每位組員輪流發言,要求說明自己的編號、選擇答案的選項號和選擇的理由,然后小組內進行自由討論,討論時長根據題目而定,一般不超過10min.

課后通過對所有錄音進行轉錄和分析,首先統計出學生在輪流發言時選擇答案的選項號,由于概念測試題的選項中包含部分錯誤概念,因此統計出部分選項所占百分比再歸類編碼,即可得到相應的錯誤概念及其頻次;其次找出學生在自由討論過程中出現的各種錯誤說法,進一步將其歸類整合,提煉出新的錯誤概念及其頻次.

3 結果與討論

3.1 概念測試題及相關科學概念

學生小組討論中用到的概念測試題如下.

圖1 題目示意圖

如圖1所示,用細線將一個中性鋁球懸掛著,將一個帶正電的塑料棒靠近鋁球(但不接觸),最后用一根導線將鋁球接地.關于鋁球和塑料棒間的(電場力)作用力在接地前后的變化,下列說法哪個(些)錯誤的?

(1) 接地后鋁球電勢變為0,其表面沒有感應電荷,作用力變為0.

(2) 接地前后鋁球都處于靜電平衡狀態,接地不會影響鋁球上的電荷分布,所以電場力不變.

(3) 接地前后,帶電棒在鋁球表面激發的電場不變,故鋁球表面電荷分布不變,其所受電場力不變.

(4) 接地后導體右邊正電荷被中和,左邊負電荷保持不變,所以電場力變大.

(5) 接地后鋁球上的電子被導到大地,鋁球和塑料棒間的總的作用力變成排斥力.

(6) 接地后鋁球右端的正電荷被中和,左端負電荷往右移,并均勻分布在整個導體上,所以無法判斷作用力的大小變化.

本題中,當帶正電的塑料棒靠近鋁球時,使鋁球表面帶上左負右正的感應電荷,達到靜電平衡,且由于距離關系,鋁球和帶電棒間的電場力總體為吸引力;鋁球接地后,大地的電子上來中和掉了遠端(右邊)的正電荷,并使近端(左邊)的負電荷重新分布,再次達到靜電平衡,鋁球表面電勢變為0,最終使電場力(吸引力)增大.故本題的答案為全選,即所有選項都表述錯誤，本題所涉及到的科學概念如下.

(1) 靜電感應:實質是導體中的自由電子在外界電荷的電場作用下重新分布,達到靜電平衡的過程.當導體球發生靜電感應時,靠近外界(施感)電荷的一端(近端)感應異種電荷,遠離外界電荷的一端(遠端)將感應同種電荷.

(2) 靜電平衡:當自由電子不做宏觀運動時,導體處于靜電平衡狀態,導體是等勢體,其表面是等勢面.

(3) 接地:將導體接地會使導體與大地等勢,即φ地=0.在導體球靜電感應后將其接地,不論接地點在哪一端,都會使導體球遠端的電荷流走(負電荷)或被中和(正電荷),并使近端的電荷重新分布(但不會均勻分布),最終導體球重新達到靜電平衡.

(4) 等勢體:指導體內外各處電勢相等,當導體是等勢體時,導體內部凈電荷密度為0,電荷只能分布在導體表面;導體外部,緊靠導體表面的點的場強方向與導體表面垂直,場強大小與導體表面對應點的電荷密度成正比.

3.2 錯誤概念統計分析

參加本次小組討論的學生應到43組共145人,實到37組共123人,缺6組共22人.在輪流發言中,學生對本題的作答情況如圖2所示.

圖2 各選項被選擇所占百分比

需要說明的是,對于在輪流發言環節,未按規定說出所選選項的學生,記入“未選擇”,該項百分比的計算公式為

未選擇人數÷實到人數×100%.

(1)

而選項1到6被選擇百分比的計算公式為

該項選擇人數÷(實到人數-未選擇人數)×100%.

(2)

由于上述概念測試題為不定項選擇題,學生在選擇時存在多選現象,因此統計給出的數據中,反映的是每個選項被選擇的人數占總選擇人數的百分比.

本題設計答案為全選,因此某一選項被選擇比例越大,說明對該選項理解正確的學生人數越多,反之則說明對該選項理解正確的學生人數越少.由圖2可知,對選項1理解正確的學生人數最多,占總選擇人數的86.5%,選項2和5次之,選擇的學生人數比例都為76.9%,選擇選項3和6的學生人數差不多,比例分別為73.1%和72.1%,選擇選項4的學生人數較少,占總選擇人數的52.9%,另外有15.4%(人數為19人)的學生未表明選項.

3.2.1 概念測試題選項中的錯誤概念統計分析

因本題要求選出錯誤的選項,且所有選項都表述錯誤,當統計到學生沒有選擇某一選項時,即認為學生存在該選項對應的錯誤概念.因此可提取每個選項對應的錯誤概念,并結合圖2統計出其頻次如表1.

表1 各選項對應的錯誤概念及頻次

由表1可看出,學生對本題各選項對應錯誤概念的持有比例較為可觀.其中持有M1(代指該編碼表示的錯誤概念,下同)的學生比例最低,但也達到13.5%,這些學生認為,因為接地使鋁球電勢變為0,所以鋁球表面也沒有感應電荷,因而鋁球和帶電棒間的電場力變為0.

持有M2的學生(比例為23.1%),沒有意識到接地后鋁球是重新達到靜電平衡,因而得出接地不會影響鋁球上的電荷分布的錯誤結論.

有26.9%的學生持有M3,他們從帶電棒在鋁球表面激發的電場不變的角度考慮,沒有理解接地所帶來的影響,也得出鋁球和帶電棒間的電場力不變的結論.

持有M4的學生(比例為47.1%)接近半數為最多,他們雖然知道接地使鋁球上的正電荷被中和,并得出了鋁球和帶電棒間的電場力變大的正確結論,但認為左邊的負電荷保持不變則是錯誤的.

持有M5的學生(比例為23.1%)同樣沒有理解接地的含義,認為接地使鋁球上的電子被導到大地,鋁球上只剩下正電荷,這樣鋁球和帶電棒間的作用力變成排斥力.

27.9%的學生持有M6,他們意識到接地后鋁球左端的負電荷會發生移動,但錯誤地認為負電荷最終會均勻分布,得出無法判斷鋁球和帶電棒間的作用力大小變化的結論,沒有考慮鋁球重新達到靜電平衡的條件.

3.2.2 自由討論中新出現的錯誤概念統計分析

從錄音轉錄結果來看,學生不僅在輪流發言環節暴露了錯誤概念,在自由討論環節也存在錯誤表述,其中一些錯誤表述對應的是新出現的錯誤概念,為概念測試題中所沒有.為體現錯誤概念的普遍性,杜絕個案及頭腦風暴,在提取和歸納這些錯誤概念時,頻次≤2的錯誤概念都舍掉.據此統計出在自由討論中新出現的錯誤概念及其頻次如表2.

表2 新出現的錯誤概念及頻次

續表

從表2可看出,新出現的錯誤概念雖然種類較多,但頻次普遍較低,大部分比例在10%以下.這是由于概念測試題的選項設置固定了學生討論的情境,學生關注的焦點大都集中在所設置的選項上,而新出現的錯誤概念是學生在自由討論時不經意間流露出來的.

S1思路比較新穎,少數持有者(比例為2.9%)認為接地后鋁球和大地成為一個整體,且對帶電棒來說,整個鋁球相當于近端,大地則成為遠端,并依據大地帶負電的前提,得出鋁球帶上正電的錯誤結論.實際上接地后鋁球和大地應成為一個等勢體,鋁球帶正電將導致其與大地不等勢.

S2在所有新出現的錯誤概念里頻次最多,持有者(比例達到16.3%)認為在本題中因為接地點在鋁球右端,所以分布在右端的正電荷將被導到大地,而如果接地點選在鋁球左端,那么分布在左端的負電荷會被導到大地.這些學生忽略了在金屬導體中正電荷不會移動的前提,同時在理解接地時沒有從電勢能高低的角度來思考問題.

S3的持有者(比例為4.8%)知道接地會使鋁球的電勢變為0,也知道鋁球中正電荷不能移動,但卻沒有深入思考鋁球電勢變為0的條件是什么,武斷地認為鋁球上的正電荷不會被中和.有學生甚至沒有理解“中和”的涵義,在已經正確判斷大地的電子會上來,鋁球的負電荷會增多的情況下,依然認為正電荷沒有被中和.

S4比較特殊,持有者(比例為6.7%)認為鋁球接地后,不再處于靜電平衡狀態,鋁球不是一個等勢體,其表面不是一個等勢面,但也未說出鋁球表面具體的電荷分布,可認為持有者對接地和靜電平衡等概念是比較模糊的,在疑惑的情況下只能給出一個無理由的理解.

S5(持有者比例為7.7%)與前述錯誤概念M1相比,兩種錯誤概念的持有者均認為鋁球電勢是否為0與其表面有無電荷存在必然聯系.不同在于,與M1相反,持有S5的學生依據接地后鋁球表面還有電荷分布,判定鋁球表面電勢不能為0.這些學生忽略了接地時V地=V∞=0這一基本前提,錯誤地根據鋁球上的電荷分布來判斷其電勢是否為0.

持有S6的學生(比例為2.9%)較少,但較有代表性,這些學生對鋁球發生靜電感應及接地的過程理解是正確的,但在比較接地前后鋁球和帶電棒(施感電荷)間的作用力變化時,混淆了鋁球的合場強和帶電棒在鋁球表面激發的場強,因而得出錯誤的結果.

4 結論與建議

通過對概念測試題選項中的錯誤概念統計及分析,得到表1所述的6條錯誤概念(編碼以M開頭),還結合學生回答情況統計圖2得到各條錯誤概念的頻次及百分比.從統計結果看出,各條錯誤概念的頻次都比較高,說明其在被試學生中的廣泛程度較高.

通過統計分析學生在自由討論環節新出現的錯誤概念,得到6條錯誤概念(編碼以S開頭),記入表2中.可看出新出現的錯誤概念頻次都比較低,但種類頗多,這是由于本輪測試設置了具體的討論內容,一定程度上限制了學生思維的發散,但概念測試題涉及到的錯誤概念,仍有繼續研究的空間.

本研究得到的錯誤概念,點明了學生在學習導體的靜電平衡時存在的障礙和誤區,當涉及靜電感應、靜電平衡和接地等相關概念的理解時,這些錯誤概念可以作為參考,讓教師和學生更有針對性地進行教與學.

由于研究樣本、時間和水平的限制,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,以便在后續研究中得到改善.

參考文獻：

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