高中生靜電學錯誤概念和思維策略研究
——以導體的靜電屏蔽為例

吳壽寵

(六盤水市第二十三中學,貴州 六盤水 553000)

1 研究背景

教育部新修訂的《普通高中物理課程標準》(2017年版)明確指出,要落實立德樹人的根本任務,將培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)貫穿于高中物理學科教學中,物理學科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面．其中,物理觀念的學習是物理學科學習的基礎,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[1],因此錯誤概念的研究不論對于科學教育理論的發(fā)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[2].

有鑒于此,本研究以導體的靜電屏蔽為例,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(tǒng)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設計提供參考.

為方便表述,本研究中的“錯誤概念”是廣義的,其由兩部分組成: (1) 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; (2) 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,在進行本研究前剛學完導體的靜電屏蔽的知識.

2.2 研究方法

與傳統(tǒng)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屏蔽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[3].

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,每一名學生都有固定的編號.首先是小組中每位組員輪流發(fā)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(jù)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(tǒng)計出學生在輪流發(fā)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(tǒng)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(xiàn)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

圖1 題目示意圖

學生小組討論中用到的概念測試題:用細線將中性小鋁球懸掛在一個(很高的)金屬筒中心處,一個帶正電的塑料棒以如圖1所示方式接近小球,金屬壁在塑料棒和小球之間.下列關于該情形下電荷分布的說法哪個(些)是錯誤的?

(1) 金屬筒處于靜電平衡時,是一個等勢體,外表面應該分布同種電荷,另外由于靜電屏蔽,鋁球不帶電.

(2) 帶電棒靠近金屬筒時,筒外側感應上負電荷,由于電荷守恒,筒內側帶上等量的正電荷.

(3) 只有完全封閉的導體才能起靜電屏蔽的作用,金屬筒沒有完全封閉,所有小鋁球上的電荷會分離.

(4) 由于感應起電,金屬筒外表面電荷左負右正,金屬壁上正負電荷產生的電場會導致鋁球上電荷分離.

(5) 金屬筒靠近帶電棒一端,感應電荷在筒外壁為負內壁為正,因而鋁球上感應的電荷為左負右正.

在本題中,帶正電的塑料棒接近時,金屬筒達到靜電平衡,是一個等勢體,筒外壁帶電情況為左負右正,筒內壁不帶電荷,筒中的小鋁球由于靜電屏蔽作用,沒有電荷分離.因此本題的答案是全選,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(fā)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(tài),導體是等勢體,其表面是等勢面[4].

(3) 等勢體.當導體是等勢體時,導體內外各處電勢相等,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[5].

(4) 靜電屏蔽.封閉(可以不完全)導體殼(不論接地與否)內部靜電場不受殼外電荷影響,接地封閉導體殼外部靜電場不受殼內電荷影響,這種現(xiàn)象叫靜電屏蔽.靜電屏蔽總是伴隨靜電感應過程,其實質是殼外(施感)電荷的電場與殼外壁(感應)電荷的電場在殼內部相互抵消;接地情況下殼內(施感)電荷的電場與殼內壁(感應)電荷的電場相互抵消.

3.2 錯誤概念統(tǒng)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(fā)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(fā)言環(huán)節(jié),未按規(guī)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(shù)÷實到人數(shù)×100%.

(1)

而選項1到5被選擇百分比的計算公式為

該項選擇人數(shù)÷(實到人數(shù)-未選擇人數(shù))×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(xiàn)象,因此統(tǒng)計給出的數(shù)據(jù)中,反映的是每個選項被選擇的人數(shù)占總選擇人數(shù)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(shù)越多,反之則說明對該選項理解正確的學生人數(shù)越少.由圖2可知,對選項5理解正確的學生人數(shù)最多,占總選擇人數(shù)的82.5%,選項3和4差不多,選擇的學生人數(shù)比例分別為70.9%和69.9%,選擇選項1和2的學生人數(shù)較少,比例分別為61.2%和57.3%,另有8.0%(人數(shù)為9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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計出其頻次如表1.

表1 各選項對應的錯誤概念及頻次

續(xù)表

由表1可看出,本題各選項對應錯誤概念的持有者比例都在15%以上.其中持有N1的學生(比例為38.8%)較多,他們認為當帶電棒靠近時,因為金屬筒發(fā)生靜電感應變成等勢體,所以其外表面分布同種電荷.這些持有者對靜電感應及等勢體等科學概念存在錯誤的理解.

持有N2的學生(比例為42.7%)接近半數(shù)為最多,他們同樣不能正確理解靜電感應的概念,忽略了金屬筒會對筒內起到靜電屏蔽作用,導致在運用電荷守恒定律分析時得出外負內正的錯誤結論.

N3的持有者(比例為29.1%)雖不是最多,但N3的表述卻最具有代表性,即使到了自由討論環(huán)節(jié),大部分學生最大的爭論即是本題中金屬殼是否能對殼內的小鋁球起到靜電屏蔽作用,除少數(shù)堅定認為能外,一些學生甚至在能與不能間來回搖擺,足見多數(shù)學生對靜電屏蔽的條件理解比較模糊.

持有N4的學生(比例30.1%)嘗試從電場的角度來解釋金屬筒不能對筒內起靜電屏蔽作用的原因,一開始結論就已錯誤,因此自然認為金屬筒外的感應電荷產生的電場會影響到筒里面的鋁球,其實忽略了筒外帶電棒產生的電場疊加.

N5的持有者(比例為17.5%)其實是同時持有N2和N3兩條錯誤概念,所以人數(shù)相對最少,他們對靜電平衡和靜電屏蔽概念及條件的理解都存在問題,所以才“順理成章”得出金屬筒感應電荷外負內正,且不能對筒內鋁球起靜電屏蔽作用的錯誤結論.

3.2.2 自由討論中新出現(xiàn)的錯誤概念統(tǒng)計分析

從錄音轉錄結果來看,學生不僅在輪流發(fā)言環(huán)節(jié)暴露了錯誤概念,在自由討論環(huán)節(jié)也存在錯誤表述,其中一些錯誤表述對應的是新出現(xiàn)的錯誤概念,為概念測試題中所沒有.為體現(xiàn)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(jù)此統(tǒng)計出在自由討論中新出現(xiàn)的錯誤概念及其頻次如表2.

表2 新出現(xiàn)的錯誤概念及頻次

從表2可看出,學生又暴露出兩個新的錯誤概念,其中T1的持有者(比例為7.8%)雖然知道金屬筒發(fā)生靜電感應并達到靜電平衡,沒有正確理解靜電平衡的概念,認為金屬筒處于靜電平衡時不是一個等勢體.

T2是比較新穎的,其持有者(比例為4.9%)嘗試從電場線的角度來分析金屬筒是否對筒內起靜電屏蔽,他們其實和N4的持有者一樣,忽略了電場的疊加.但不同的是,他們認為是筒外帶電棒(施感電荷)產生的電場對筒內的小鋁球造成了影響.

在自由討論環(huán)節(jié),學生新出現(xiàn)的錯誤概念不僅頻次相對較低,而且種類相對較少,結合討論過程分析,一方面是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,其思維發(fā)散性受到一定的限制,而新出現(xiàn)的錯誤概念是學生在自由討論時不經意間流露出來的.另一方面也說明診斷測試題各選項已較全面地概括了學生存在的錯誤概念,而自由討論中新出現(xiàn)的錯誤概念對其形成了互補.

3.2.3 自由討論中學生的思維策略及水平歸類

通過對錯誤概念的統(tǒng)計分析可見,大部分學生在討論中,不同程度地持有各類錯誤概念.通過探索學生在解決問題時所運用的思維策略,并根據(jù)思維水平分類標準,嘗試對各類思維策略進行歸類闡述,以期盡可能地分析出學生存在錯誤概念的原因.為更方便分析小組討論錄音中學生在解決問題時運用的思維策略,本研究在對學生的思維水平進行分類時,借鑒了畢格斯教授SOLO分類評價法和美國教師沃爾弗德等開發(fā)的PTA量表法及美國學者Schoenfeld的多重評價法,該方法在廣西師范大學周麗潔(2009)的研究成果[6]中已得到實踐.基于該方法可將學生的思維水平標準分類如表3.

表3 學生思維水平分類標準

限于研究時間及精力,只在持有錯誤概念的學生中,選取部分有代表性的解釋及討論進行定性分析.

對于此題一些學生憑直覺思維思考問題,如持有T2的學生的典型片段如下.

33:那鋁球會產生影響嗎?它會不會…

64:我覺得會啊,它會不會外面的電場線是這樣鉆進去,從上面那個…上面不是沒有蓋嘛,就可以鉆進去.

11:圓筒上面有蓋啊……

64:上面沒有蓋啊,哈哈.

64號學生抓住了題目中“圓筒沒有上蓋”的點,憑直覺認為電場線可以鉆進去,不附加任何理由,但是其不恰當?shù)闹庇X思維導致了錯誤的結論.該生沒有注意塑料棒的電場線的具體形狀,也沒考慮筒外壁感應電荷產生的電場線的影響,這些忽略促使其錯誤概念不可避免地產生.以該生為代表的少數(shù)學生對問題中涉及的概念理解比較模糊,分析時往往憑借不恰當?shù)闹庇X思維,或將問題錯誤簡化,沒有動用知識儲備去深刻思考,只描述實驗現(xiàn)象或無關的解釋或泛泛而談等.其思維策略應該屬于表3描述的水平四.

多數(shù)學生依然采用正向思維思考問題,如同時持有N3和T1的學生的典型片段如下.

74:我選的是1和5,對于第1個選項,由于處在靜電平衡時它是一個等勢體,然后外表面應該分布同種電荷,然后它說由于靜電屏蔽,鋁球不帶電,它的說法我認為只是部分正確,金屬筒是處在一種靜電平衡,但不代表它是一個等勢體,而且它內部也有正負電荷的分布,所以不可能是一個等勢體,而且等勢體的條件是它要是一個導體,這個金屬,金屬它…而且因為它并不閉合,所以不能夠說它是…它滿足靜電屏蔽的條件,所以1是錯的.

該學生基于知識儲備N3和T1進行錯誤地正向推理,因為“筒內壁有電荷分布”,所以“不可能是等勢體”,因為“金屬筒不閉合”,所以“不能起靜電屏蔽作用”,這些推理依據(jù)也構成了他所持錯誤概念的基本框架.而從語氣還可聽出,他對自己的答案自信不是很足,也許之前他還沒遇到過類似的問題情境.該類學生多數(shù)采用正向推理或類比經驗的思維策略,但因面臨新的問題情境,無法有效地進行類比遷移,只能臨時構建自己的理解體系,且其思維缺乏系統(tǒng)性和連貫性.這些學生在分析時往往沒有抓住正確的知識點,且容易受到思維定勢的影響,沒有足夠的創(chuàng)新思維,導致誤用科學知識進行不合理的回答[7].其思維策略可歸入表3描述的水平三.

一些學生嘗試利用以前的經驗來類比分析,如某學生的典型片段如下.

13:……然后第3個,“完全封閉的導體才能起到靜電屏蔽的作用”,這個,這個我覺得應該是錯誤的它這句話,我記得當時有一個是內壁……就是它如果接地的話,它只有接地它才能封……它才能完全屏蔽,不接地它不是不能屏蔽掉,然后第3個我覺得是錯的.

該生雖然選對了選項,但其推理過程卻是錯誤的,其錯誤概念正是在推理過程中外顯了出來.其在分析時只是照搬以前的經驗“接地使殼外對殼內完全屏蔽”,不注意問題情境變成了殼內對殼外的屏蔽條件,同樣出現(xiàn)了負遷移.這類學生的思維策略同樣可歸入表3描述的水平三.

有學生嘗試依據(jù)書上的內容進行分析,但在學習遷移上存在障礙,如持有N3的學生的典型片段如下.

14:57號正在找,正在查書.

57:哦,那個“閉合的導體殼,接地時殼內外電場互不影響,殼不接地時,僅能屏蔽殼外電場對殼內電場的影響,不能屏蔽殼內之間電荷對殼外電場的影響.”哎這個,這樣的話,那就是應該就是一個封閉的導體才能夠起到靜電屏蔽的作用.

57號學生畢竟能通過查書正確找到了本題涉及的概念,但其未能結合具體實例加深理解,固執(zhí)地揪住“閉合”不放,理解存在偏差,最終將書上的內容理解成N3.這類學生主要采用的思維策略有正向推理和類比遷移,也有一部分進行逆向推理,他們能正確認識到問題情境所涉及的相關概念,根據(jù)合理的科學知識作出解釋,但思維不夠靈活,考慮不夠全面,理解存在偏差,在學習遷移上存在障礙,故未能作出合理解釋.其思維策略可歸入表3描述的水平二.

4 結論與建議

通過對概念測試題選項中的錯誤概念統(tǒng)計及分析,得到表1所述的5條錯誤概念(編碼以N開頭),還結合學生回答情況統(tǒng)計圖2得到各條錯誤概念的頻次及百分比.從統(tǒng)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(tǒng)計分析學生在自由討論環(huán)節(jié)新出現(xiàn)的錯誤概念,得到2條錯誤概念(編碼以T開頭),記入表2中.新出現(xiàn)的錯誤概念和診斷測試題概括的錯誤概念形成了互補,進一步完善了學生對靜電屏蔽這一物理概念存在的誤區(qū).當涉及靜電感應、靜電平衡和靜電屏蔽等相關概念的理解和運用時,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.

進一步分析發(fā)現(xiàn)持有錯誤概念的學生,在解釋和討論概念測試題時,其思維策略及思維水平存在一定的差異.多數(shù)學生在解決問題時,之所以不同程度地表現(xiàn)出錯誤概念,是因為新的問題情境與學生原有的知識體系存在差異,而學生容易受到思維定勢的影響,進行負的類比遷移;或依賴不恰當?shù)闹庇X思維,并對問題進行錯誤簡化.

為使學生在解決電磁學問題時能正確使用相關思維策略,提升其思維水平,教師在教學中應注意創(chuàng)設問題情境,積極鼓勵學生正確利用原有知識結構類比聯(lián)想、正向推理等思維策略,進行有效地學習遷移;學生在學習中應積極思考,注意問題情境與原有圖示的差異,合理調用知識儲備,增強思維的全面性、靈活性和創(chuàng)新性.

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,及在后續(xù)研究中得到改善.