高中生静电学概念理解研究——以导体的静电平衡为例

吴寿宠

(六盘水市第二十三中学,贵州 六盘水 553000)

1 研究背景

物理概念的学习是物理知识学习的基础,学生对概念理解的程度直接影响其后继学习.有关错误概念的研究成果有助于科学教育者深入理解学生学习科学的认知结构,及提升科学教学成效,因此错误概念的研究不论对于科学教育理论的发展,还是对于实际的教学实践都具有重要意义.

目前对高中生物理错误概念的研究文献中,相较于力学专题,对静电学专题的概念研究较少,且对大范围概念的研究较多,结合具体概念的研究较少;研究方法上多以问卷调查法和访谈为主.

有鉴于此,本研究以导体的静电平衡为例,对高中生在静电学学习中所具有的错误概念及其广泛程度进行统计分析,并探索上述错误概念的形成机制,从而为教师进行静电学方面的教学备课提供参考.

为方便表述,本研究中的“错误概念”是广义上的,其由两部分组成: 学生在正式学习之前在生活中形成的关于某方面的错误理解; 学生在以往的正式学习中形成的关于某方面的错误理解.

2 研究对象、方法和步骤

2.1 研究对象

本研究选取六盘水市第二十三中学高二理科两个班的学生共计145名,物理选修3-1为其必修课,在进行本研究前其刚学完导体的静电平衡的知识.

2.2 研究方法

与传统的问卷调查或访谈不同,本研究的方法主要有小组讨论法和录音法.首先针对导体的静电平衡部分的可能存在的错误概念,精心设计出概念测试题;课堂上将学生分成若干小组,要求学生先给出个人答案,再与本组组员讨论该题目,在讨论过程中,学生对某一物理概念的思考和推理过程外显,从而暴露出自己的错误概念.

课上征得各小组同意后,利用相应的录音设备(手机、录音笔等)将其讨论内容记录下来.通过录音的方法,不仅可以有效地记录每位学生的观点,还可以在研究过程中还原真实的情景,使得研究的资料更加真实、可靠.

2.3 研究步骤

两个班的学生讨论分批进行,为方便研究,要求145名学生按3～4人固定编成43组,每1名学生都有固定的编号.首先是小组中每位组员轮流发言,要求说明自己的编号、选择答案的选项号和选择的理由,然后小组内进行自由讨论,讨论时长根据题目而定,一般不超过10min.

课后通过对所有录音进行转录和分析,首先统计出学生在轮流发言时选择答案的选项号,由于概念测试题的选项中包含部分错误概念,因此统计出部分选项所占百分比再归类编码,即可得到相应的错误概念及其频次;其次找出学生在自由讨论过程中出现的各种错误说法,进一步将其归类整合,提炼出新的错误概念及其频次.

3 结果与讨论

3.1 概念测试题及相关科学概念

学生小组讨论中用到的概念测试题如下.

图1 题目示意图

如图1所示,用细线将一个中性铝球悬挂着,将一个带正电的塑料棒靠近铝球(但不接触),最后用一根导线将铝球接地.关于铝球和塑料棒间的(电场力)作用力在接地前后的变化,下列说法哪个(些)错误的?

(1) 接地后铝球电势变为0,其表面没有感应电荷,作用力变为0.

(2) 接地前后铝球都处于静电平衡状态,接地不会影响铝球上的电荷分布,所以电场力不变.

(3) 接地前后,带电棒在铝球表面激发的电场不变,故铝球表面电荷分布不变,其所受电场力不变.

(4) 接地后导体右边正电荷被中和,左边负电荷保持不变,所以电场力变大.

(5) 接地后铝球上的电子被导到大地,铝球和塑料棒间的总的作用力变成排斥力.

(6) 接地后铝球右端的正电荷被中和,左端负电荷往右移,并均匀分布在整个导体上,所以无法判断作用力的大小变化.

本题中,当带正电的塑料棒靠近铝球时,使铝球表面带上左负右正的感应电荷,达到静电平衡,且由于距离关系,铝球和带电棒间的电场力总体为吸引力;铝球接地后,大地的电子上来中和掉了远端(右边)的正电荷,并使近端(左边)的负电荷重新分布,再次达到静电平衡,铝球表面电势变为0,最终使电场力(吸引力)增大.故本题的答案为全选,即所有选项都表述错误，本题所涉及到的科学概念如下.

(1) 静电感应:实质是导体中的自由电子在外界电荷的电场作用下重新分布,达到静电平衡的过程.当导体球发生静电感应时,靠近外界(施感)电荷的一端(近端)感应异种电荷,远离外界电荷的一端(远端)将感应同种电荷.

(2) 静电平衡:当自由电子不做宏观运动时,导体处于静电平衡状态,导体是等势体,其表面是等势面.

(3) 接地:将导体接地会使导体与大地等势,即φ地=0.在导体球静电感应后将其接地,不论接地点在哪一端,都会使导体球远端的电荷流走(负电荷)或被中和(正电荷),并使近端的电荷重新分布(但不会均匀分布),最终导体球重新达到静电平衡.

(4) 等势体:指导体内外各处电势相等,当导体是等势体时,导体内部净电荷密度为0,电荷只能分布在导体表面;导体外部,紧靠导体表面的点的场强方向与导体表面垂直,场强大小与导体表面对应点的电荷密度成正比.

3.2 错误概念统计分析

参加本次小组讨论的学生应到43组共145人,实到37组共123人,缺6组共22人.在轮流发言中,学生对本题的作答情况如图2所示.

图2 各选项被选择所占百分比

需要说明的是,对于在轮流发言环节,未按规定说出所选选项的学生,记入“未选择”,该项百分比的计算公式为

未选择人数÷实到人数×100%.

(1)

而选项1到6被选择百分比的计算公式为

该项选择人数÷(实到人数-未选择人数)×100%.

(2)

由于上述概念测试题为不定项选择题,学生在选择时存在多选现象,因此统计给出的数据中,反映的是每个选项被选择的人数占总选择人数的百分比.

本题设计答案为全选,因此某一选项被选择比例越大,说明对该选项理解正确的学生人数越多,反之则说明对该选项理解正确的学生人数越少.由图2可知,对选项1理解正确的学生人数最多,占总选择人数的86.5%,选项2和5次之,选择的学生人数比例都为76.9%,选择选项3和6的学生人数差不多,比例分别为73.1%和72.1%,选择选项4的学生人数较少,占总选择人数的52.9%,另外有15.4%(人数为19人)的学生未表明选项.

3.2.1 概念测试题选项中的错误概念统计分析

因本题要求选出错误的选项,且所有选项都表述错误,当统计到学生没有选择某一选项时,即认为学生存在该选项对应的错误概念.因此可提取每个选项对应的错误概念,并结合图2统计出其频次如表1.

表1 各选项对应的错误概念及频次

由表1可看出,学生对本题各选项对应错误概念的持有比例较为可观.其中持有M1(代指该编码表示的错误概念,下同)的学生比例最低,但也达到13.5%,这些学生认为,因为接地使铝球电势变为0,所以铝球表面也没有感应电荷,因而铝球和带电棒间的电场力变为0.

持有M2的学生(比例为23.1%),没有意识到接地后铝球是重新达到静电平衡,因而得出接地不会影响铝球上的电荷分布的错误结论.

有26.9%的学生持有M3,他们从带电棒在铝球表面激发的电场不变的角度考虑,没有理解接地所带来的影响,也得出铝球和带电棒间的电场力不变的结论.

持有M4的学生(比例为47.1%)接近半数为最多,他们虽然知道接地使铝球上的正电荷被中和,并得出了铝球和带电棒间的电场力变大的正确结论,但认为左边的负电荷保持不变则是错误的.

持有M5的学生(比例为23.1%)同样没有理解接地的含义,认为接地使铝球上的电子被导到大地,铝球上只剩下正电荷,这样铝球和带电棒间的作用力变成排斥力.

27.9%的学生持有M6,他们意识到接地后铝球左端的负电荷会发生移动,但错误地认为负电荷最终会均匀分布,得出无法判断铝球和带电棒间的作用力大小变化的结论,没有考虑铝球重新达到静电平衡的条件.

3.2.2 自由讨论中新出现的错误概念统计分析

从录音转录结果来看,学生不仅在轮流发言环节暴露了错误概念,在自由讨论环节也存在错误表述,其中一些错误表述对应的是新出现的错误概念,为概念测试题中所没有.为体现错误概念的普遍性,杜绝个案及头脑风暴,在提取和归纳这些错误概念时,频次≤2的错误概念都舍掉.据此统计出在自由讨论中新出现的错误概念及其频次如表2.

表2 新出现的错误概念及频次

续表

从表2可看出,新出现的错误概念虽然种类较多,但频次普遍较低,大部分比例在10%以下.这是由于概念测试题的选项设置固定了学生讨论的情境,学生关注的焦点大都集中在所设置的选项上,而新出现的错误概念是学生在自由讨论时不经意间流露出来的.

S1思路比较新颖,少数持有者(比例为2.9%)认为接地后铝球和大地成为一个整体,且对带电棒来说,整个铝球相当于近端,大地则成为远端,并依据大地带负电的前提,得出铝球带上正电的错误结论.实际上接地后铝球和大地应成为一个等势体,铝球带正电将导致其与大地不等势.

S2在所有新出现的错误概念里频次最多,持有者(比例达到16.3%)认为在本题中因为接地点在铝球右端,所以分布在右端的正电荷将被导到大地,而如果接地点选在铝球左端,那么分布在左端的负电荷会被导到大地.这些学生忽略了在金属导体中正电荷不会移动的前提,同时在理解接地时没有从电势能高低的角度来思考问题.

S3的持有者(比例为4.8%)知道接地会使铝球的电势变为0,也知道铝球中正电荷不能移动,但却没有深入思考铝球电势变为0的条件是什么,武断地认为铝球上的正电荷不会被中和.有学生甚至没有理解“中和”的涵义,在已经正确判断大地的电子会上来,铝球的负电荷会增多的情况下,依然认为正电荷没有被中和.

S4比较特殊,持有者(比例为6.7%)认为铝球接地后,不再处于静电平衡状态,铝球不是一个等势体,其表面不是一个等势面,但也未说出铝球表面具体的电荷分布,可认为持有者对接地和静电平衡等概念是比较模糊的,在疑惑的情况下只能给出一个无理由的理解.

S5(持有者比例为7.7%)与前述错误概念M1相比,两种错误概念的持有者均认为铝球电势是否为0与其表面有无电荷存在必然联系.不同在于,与M1相反,持有S5的学生依据接地后铝球表面还有电荷分布,判定铝球表面电势不能为0.这些学生忽略了接地时V地=V∞=0这一基本前提,错误地根据铝球上的电荷分布来判断其电势是否为0.

持有S6的学生(比例为2.9%)较少,但较有代表性,这些学生对铝球发生静电感应及接地的过程理解是正确的,但在比较接地前后铝球和带电棒(施感电荷)间的作用力变化时,混淆了铝球的合场强和带电棒在铝球表面激发的场强,因而得出错误的结果.

4 结论与建议

通过对概念测试题选项中的错误概念统计及分析,得到表1所述的6条错误概念(编码以M开头),还结合学生回答情况统计图2得到各条错误概念的频次及百分比.从统计结果看出,各条错误概念的频次都比较高,说明其在被试学生中的广泛程度较高.

通过统计分析学生在自由讨论环节新出现的错误概念,得到6条错误概念(编码以S开头),记入表2中.可看出新出现的错误概念频次都比较低,但种类颇多,这是由于本轮测试设置了具体的讨论内容,一定程度上限制了学生思维的发散,但概念测试题涉及到的错误概念,仍有继续研究的空间.

本研究得到的错误概念,点明了学生在学习导体的静电平衡时存在的障碍和误区,当涉及静电感应、静电平衡和接地等相关概念的理解时,这些错误概念可以作为参考,让教师和学生更有针对性地进行教与学.

由于研究样本、时间和水平的限制,本研究存在着许多局限和不足之处,在深度和广度上仍有较大的提升空间,希望得到同行的批评与指正,以便在后续研究中得到改善.

参考文献：

1 李雁冰,刁彭成. 科学教育中“错误概念”初探[J]. 全球教育展望,2006(35)： 5.

2 薛海国. 中学生电磁学课程学习中错误概念的调查研究[D]. 西南大学硕士论文,2006.

3 张萍,涂青云,莫艳萍.课堂中的合作学习——同伴教学法对物理概念学习的促进作用[J]. 中国大学教学，2012(6)：56-59.

4 阎金铎,郭玉英主编.中学物理教学概论 第3版[M].北京:高等教育出版社,2008.

5 廖伯琴等.普通高中课程标准实验教科书.物理必选修3-1[M](第5版).济南:山东科学技术出版社,2011.

6 梁灿彬,秦光戎,梁竹建. 普通物理学教程·电磁学 第2版[M]. 北京:高等教育出版社,2004:44-71.