大學(xué)生對電磁學(xué)概念錯(cuò)誤理解的調(diào)研

薛丹丹 郭芳俠 高倩男

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119）

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)，已經(jīng)具有了大量的關(guān)于物理體系的觀念，特別是在電磁學(xué)中.這些觀念可能是由之前的經(jīng)驗(yàn)、日常語言或者前邊的學(xué)習(xí)，以及對專家解釋的贊同所引起的.但是，通常由“常識(shí)”的解釋或者缺乏精確性的語言所導(dǎo)致的前概念是錯(cuò)誤概念.這些概念一旦形成，就會(huì)非常持久，很難改變［1］.因此，在教學(xué)中關(guān)注學(xué)生的錯(cuò)誤概念是極其必要的.電磁學(xué)是物理中一個(gè)重要的知識(shí)領(lǐng)域，它涵蓋了電場、磁場、恒定電流、感應(yīng)電流等許多概念.學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁學(xué)中存在很多錯(cuò)誤概念.倘若這些錯(cuò)誤概念得不到及時(shí)解決，必將影響學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)以及對知識(shí)的正確應(yīng)用.為了讓教師了解學(xué)生的電磁學(xué)錯(cuò)誤概念，進(jìn)行有針對性的教學(xué)，不斷提高教學(xué)效率，本文首先以問卷的形式，調(diào)查學(xué)生在電磁學(xué)概念學(xué)習(xí)中的現(xiàn)狀，然后通過調(diào)查結(jié)果，分析學(xué)生在電磁學(xué)概念中的錯(cuò)誤概念和形成的原因，最后針對錯(cuò)誤概念提出一些建議.

1 CSEM簡介

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

CSEM是由32道單選題構(gòu)成，主要涉及了11個(gè)話題，分別是電荷在導(dǎo)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(yīng)電荷和電場，磁場力，電磁感應(yīng)，磁場疊加，法拉第定律，牛頓第三定律，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)對應(yīng)的題號如表1所示.

表1 知識(shí)點(diǎn)與對應(yīng)題號

總之，CSEM不是一個(gè)涵蓋整個(gè)電磁領(lǐng)域概念的清單，而是一個(gè)非常好的對學(xué)生電磁學(xué)方面知識(shí)進(jìn)行總觀的質(zhì)性評估工具.

2 調(diào)查方法

由于我國對學(xué)生電磁學(xué)錯(cuò)誤概念的研究比較少，并且電磁學(xué)概念本身覆蓋面比較廣，我國目前還沒有形成一個(gè)比較好的量表用于研究學(xué)生的電磁學(xué)錯(cuò)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(diào)查工具.然后選取陜西師范大學(xué)2014級物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生（大一新生）為調(diào)查對象，分別是物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班和物理教育專業(yè)3個(gè)班的學(xué)生.4個(gè)班總?cè)藬?shù)為234名，分別來自全國28個(gè)省份.這些學(xué)生剛從高中畢業(yè)，還沒有學(xué)習(xí)電磁學(xué)專業(yè)課程，所以對電磁學(xué)概念的理解，依然停留在高中水平.問卷發(fā)放了234份，收回233份，有效問卷226份.為了促使學(xué)生認(rèn)真作答，問卷的作答是在教師的監(jiān)督下進(jìn)行的，每個(gè)班用40分鐘的時(shí)間完成問卷調(diào)查，等學(xué)生完成之后，將問卷收回并進(jìn)行分析.

3 調(diào)查結(jié)果及分析

為了比較全面地了解學(xué)生在電磁學(xué)概念理解中的情況，筆者將問卷中各個(gè)選項(xiàng)選擇的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后分析了百分率，從中得到每道題的正確率和錯(cuò)誤率最高的選項(xiàng).

3.1 CSEM調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)

筆者將226名學(xué)生在CSEM中的調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2.

續(xù)表

3.2 對比國內(nèi)外學(xué)生關(guān)于CSEM問卷的正確率

國外也運(yùn)用CSEM對5 000多名物理專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，為了清楚地看出國內(nèi)外學(xué)生在電磁學(xué)概念理解中是否存在差異，筆者分別將國內(nèi)和國外學(xué)生在CSEM問卷中各題的正確率進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖1所示.

圖1 國內(nèi)和國外學(xué)生在CSEM問卷中的正確率

分析圖1，我們可以發(fā)現(xiàn)，總體而言，我國大學(xué)生在CSEM問卷中的正確率顯著高于國外大學(xué)生的正確率，32個(gè)問題中約有65.63%的問題，國內(nèi)學(xué)生的正確率是國外學(xué)生正確率的2倍多，問題26達(dá)到了6倍多，只有問題13和問題27，我國學(xué)生的正確率略低于國外學(xué)生的正確率，但相差不到14%.分析其中的原因：（1）可能和國內(nèi)國外物理課程的設(shè)置有關(guān)，在國外電學(xué)和磁學(xué)作為初中的必修課程，包括靜電、直流電和磁場，但所講的內(nèi)容相對簡單，高中時(shí)學(xué)習(xí)靜電力、電磁，但作為選修課程.而我國初中學(xué)生對電流、電壓、電阻進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，并且簡單學(xué)習(xí)了磁場和電磁感應(yīng).在高中系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了庫侖定律、電場、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)等.（2）可能和研究對象有關(guān)，國外運(yùn)用CSEM問卷對多個(gè)學(xué)校進(jìn)行調(diào)查，而筆者只以陜西師范大學(xué)為例，陜西師范大學(xué)所錄取的學(xué)生依據(jù)高考成績，可以認(rèn)為是中等偏上，所以基礎(chǔ)還是比較好的，當(dāng)然還有一些其他原因.但從總體上分析，學(xué)生在電磁學(xué)概念理解中存在的困難是具有相似性的.比如國內(nèi)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(xué)生在電磁學(xué)中存在的錯(cuò)誤概念也具有共性.

3.3 關(guān)于各個(gè)知識(shí)點(diǎn)中的錯(cuò)誤概念

按照概念領(lǐng)域和對應(yīng)題號對學(xué)生在CSEM中調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示.

表3 各個(gè)知識(shí)點(diǎn)中的典型錯(cuò)誤

3.4 形成錯(cuò)誤概念的原因及建議

學(xué)生形成錯(cuò)誤概念的原因是多樣的，主要有：

（1）學(xué)習(xí)參考書中習(xí)題設(shè)計(jì)的不合理.比如在參考書中點(diǎn)電荷的初速度一般都與磁場方向垂直，從而導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為無論在什么時(shí)候，都可以直接利用F＝Bvq求洛倫茲力的大小.

（2）不恰當(dāng)?shù)念惐?比如同性磁鐵相互排斥，異性磁鐵相互吸引，從而認(rèn)為磁鐵的N極相當(dāng)于正電荷，S極相當(dāng)于負(fù)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(nèi)，所以洛倫茲力也在電荷速度與磁場所確定的平面內(nèi).

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

（4）電磁學(xué)概念本身的抽象性.比如在學(xué)習(xí)電場時(shí)，說電場是一種物質(zhì)，而這種物質(zhì)在我們?nèi)粘Ｉ钪锌床坏矫恢詫W(xué)生理解起來比較困難，容易認(rèn)為電場線就代表電場本身等.

學(xué)生形成錯(cuò)誤概念的原因是多方面的，但物理概念不僅是物理基礎(chǔ)知識(shí)的重要組成部分，也是整個(gè)物理知識(shí)體系的支撐點(diǎn)，更是構(gòu)成物理規(guī)律，建立物理公式和完善物理理論的基礎(chǔ)和前提［3］，所以在電磁學(xué)概念教學(xué)中一定要重視學(xué)生已經(jīng)形成的一些錯(cuò)誤概念，為了讓學(xué)生更好地理解電磁學(xué)概念，教師首先應(yīng)認(rèn)識(shí)到學(xué)生可能存在的錯(cuò)誤概念，在教學(xué)過程中注意引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突［4］，多利用數(shù)字媒體教學(xué)，比如在電磁學(xué)概念中運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)仿真，使抽象的電磁學(xué)概念更加形象［5］，關(guān)注學(xué)生類比能力的培養(yǎng)，注意糾正學(xué)生不恰當(dāng)?shù)念惐鹊?比如在給學(xué)生講授產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因是閉合線圈中的磁通量發(fā)生改變時(shí)，可以利用磁鐵和帶有燈泡的導(dǎo)線圈做實(shí)驗(yàn).先讓學(xué)生猜想哪些情況下燈泡可能會(huì)亮，即產(chǎn)生感應(yīng)電流，再根據(jù)學(xué)生的猜想依次做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)使學(xué)生恍然大悟.由于課堂中教師演示實(shí)驗(yàn)不可能照顧到所有學(xué)生，所以可以鼓勵(lì)學(xué)生多去做網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，在http：∥phet.colorado.edu／en／simulation／generator中提供了大量生動(dòng)的電磁學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

4 總結(jié)

本文通過運(yùn)用CSEM問卷對陜西師范大學(xué)226名物理專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了我國大學(xué)生對電磁學(xué)概念的理解程度高于國外學(xué)生，但在導(dǎo)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(cuò)誤概念.在錯(cuò)誤概念中，學(xué)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(qū)分磁通量及其變化率；在磁場力中不明白洛倫茲力的產(chǎn)生條件，及其大小的計(jì)算和方向的判斷；在力，場，功和電勢中對電勢、場強(qiáng)、功等之間的關(guān)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(xué)生對庫侖定律掌握的相對比較好，但仍有少數(shù)學(xué)生對庫侖定律中各個(gè)量的含義比較模糊.針對這些錯(cuò)誤概念，分析出學(xué)生形成錯(cuò)誤概念的原因可能是：（1）學(xué)習(xí)參考書中習(xí)題設(shè)計(jì)的不合理.（2）不恰當(dāng)?shù)念惐?（3）力學(xué)中形成的錯(cuò)誤概念的影響.（4）電磁學(xué)概念本身的抽象性等.并提出了通過引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，多利用數(shù)字媒體教學(xué)，關(guān)注學(xué)生類比能力的培養(yǎng)等方式提高學(xué)生對電磁學(xué)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(xué)論.西安：陜西師范大學(xué)出版社，2013.195

4 陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué).北京：北京師范大學(xué)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