高中生静电学错误概念和思维策略研究——以导体的静电屏蔽为例

吴寿宠

(六盘水市第二十三中学,贵州 六盘水 553000)

1 研究背景

教育部新修订的《普通高中物理课程标准》(2017年版)明确指出,要落实立德树人的根本任务,将培养学生的核心素养贯穿于高中物理学科教学中,物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面．其中,物理观念的学习是物理学科学习的基础,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[1],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[2].

有鉴于此,本研究以导体的静电屏蔽为例,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设计提供参考.

为方便表述,本研究中的“错误概念”是广义的,其由两部分组成: (1) 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; (2) 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,在进行本研究前刚学完导体的静电屏蔽的知识.

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屏蔽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[3].

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,每一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

图1 题目示意图

学生小组讨论中用到的概念测试题:用细线将中性小铝球悬挂在一个(很高的)金属筒中心处,一个带正电的塑料棒以如图1所示方式接近小球,金属壁在塑料棒和小球之间.下列关于该情形下电荷分布的说法哪个(些)是错误的?

(1) 金属筒处于静电平衡时,是一个等势体,外表面应该分布同种电荷,另外由于静电屏蔽,铝球不带电.

(2) 带电棒靠近金属筒时,筒外侧感应上负电荷,由于电荷守恒,筒内侧带上等量的正电荷.

(3) 只有完全封闭的导体才能起静电屏蔽的作用,金属筒没有完全封闭,所有小铝球上的电荷会分离.

(4) 由于感应起电,金属筒外表面电荷左负右正,金属壁上正负电荷产生的电场会导致铝球上电荷分离.

(5) 金属筒靠近带电棒一端,感应电荷在筒外壁为负内壁为正,因而铝球上感应的电荷为左负右正.

在本题中,带正电的塑料棒接近时,金属筒达到静电平衡,是一个等势体,筒外壁带电情况为左负右正,筒内壁不带电荷,筒中的小铝球由于静电屏蔽作用,没有电荷分离.因此本题的答案是全选,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[4].

(3) 等势体.当导体是等势体时,导体内外各处电势相等,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[5].

(4) 静电屏蔽.封闭(可以不完全)导体壳(不论接地与否)内部静电场不受壳外电荷影响,接地封闭导体壳外部静电场不受壳内电荷影响,这种现象叫静电屏蔽.静电屏蔽总是伴随静电感应过程,其实质是壳外(施感)电荷的电场与壳外壁(感应)电荷的电场在壳内部相互抵消;接地情况下壳内(施感)电荷的电场与壳内壁(感应)电荷的电场相互抵消.

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5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5理解正确的学生人数最多,占总选择人数的82.5%,选项3和4差不多,选择的学生人数比例分别为70.9%和69.9%,选择选项1和2的学生人数较少,比例分别为61.2%和57.3%,另有8.0%(人数为9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

续表

由表1可看出,本题各选项对应错误概念的持有者比例都在15%以上.其中持有N1的学生(比例为38.8%)较多,他们认为当带电棒靠近时,因为金属筒发生静电感应变成等势体,所以其外表面分布同种电荷.这些持有者对静电感应及等势体等科学概念存在错误的理解.

持有N2的学生(比例为42.7%)接近半数为最多,他们同样不能正确理解静电感应的概念,忽略了金属筒会对筒内起到静电屏蔽作用,导致在运用电荷守恒定律分析时得出外负内正的错误结论.

N3的持有者(比例为29.1%)虽不是最多,但N3的表述却最具有代表性,即使到了自由讨论环节,大部分学生最大的争论即是本题中金属壳是否能对壳内的小铝球起到静电屏蔽作用,除少数坚定认为能外,一些学生甚至在能与不能间来回摇摆,足见多数学生对静电屏蔽的条件理解比较模糊.

持有N4的学生(比例30.1%)尝试从电场的角度来解释金属筒不能对筒内起静电屏蔽作用的原因,一开始结论就已错误,因此自然认为金属筒外的感应电荷产生的电场会影响到筒里面的铝球,其实忽略了筒外带电棒产生的电场叠加.

N5的持有者(比例为17.5%)其实是同时持有N2和N3两条错误概念,所以人数相对最少,他们对静电平衡和静电屏蔽概念及条件的理解都存在问题,所以才“顺理成章”得出金属筒感应电荷外负内正,且不能对筒内铝球起静电屏蔽作用的错误结论.

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

从表2可看出,学生又暴露出两个新的错误概念,其中T1的持有者(比例为7.8%)虽然知道金属筒发生静电感应并达到静电平衡,没有正确理解静电平衡的概念,认为金属筒处于静电平衡时不是一个等势体.

T2是比较新颖的,其持有者(比例为4.9%)尝试从电场线的角度来分析金属筒是否对筒内起静电屏蔽,他们其实和N4的持有者一样,忽略了电场的叠加.但不同的是,他们认为是筒外带电棒(施感电荷)产生的电场对筒内的小铝球造成了影响.

在自由讨论环节,学生新出现的错误概念不仅频次相对较低,而且种类相对较少,结合讨论过程分析,一方面是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,其思维发散性受到一定的限制,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.另一方面也说明诊断测试题各选项已较全面地概括了学生存在的错误概念,而自由讨论中新出现的错误概念对其形成了互补.

3.2.3 自由讨论中学生的思维策略及水平归类

通过对错误概念的统计分析可见,大部分学生在讨论中,不同程度地持有各类错误概念.通过探索学生在解决问题时所运用的思维策略,并根据思维水平分类标准,尝试对各类思维策略进行归类阐述,以期尽可能地分析出学生存在错误概念的原因.为更方便分析小组讨论录音中学生在解决问题时运用的思维策略,本研究在对学生的思维水平进行分类时,借鉴了毕格斯教授SOLO分类评价法和美国教师沃尔弗德等开发的PTA量表法及美国学者Schoenfeld的多重评价法,该方法在广西师范大学周丽洁(2009)的研究成果[6]中已得到实践.基于该方法可将学生的思维水平标准分类如表3.

表3 学生思维水平分类标准

限于研究时间及精力,只在持有错误概念的学生中,选取部分有代表性的解释及讨论进行定性分析.

对于此题一些学生凭直觉思维思考问题,如持有T2的学生的典型片段如下.

33:那铝球会产生影响吗?它会不会…

64:我觉得会啊,它会不会外面的电场线是这样钻进去,从上面那个…上面不是没有盖嘛,就可以钻进去.

11:圆筒上面有盖啊……

64:上面没有盖啊,哈哈.

64号学生抓住了题目中“圆筒没有上盖”的点,凭直觉认为电场线可以钻进去,不附加任何理由,但是其不恰当的直觉思维导致了错误的结论.该生没有注意塑料棒的电场线的具体形状,也没考虑筒外壁感应电荷产生的电场线的影响,这些忽略促使其错误概念不可避免地产生.以该生为代表的少数学生对问题中涉及的概念理解比较模糊,分析时往往凭借不恰当的直觉思维,或将问题错误简化,没有动用知识储备去深刻思考,只描述实验现象或无关的解释或泛泛而谈等.其思维策略应该属于表3描述的水平四.

多数学生依然采用正向思维思考问题,如同时持有N3和T1的学生的典型片段如下.

74:我选的是1和5,对于第1个选项,由于处在静电平衡时它是一个等势体,然后外表面应该分布同种电荷,然后它说由于静电屏蔽,铝球不带电,它的说法我认为只是部分正确,金属筒是处在一种静电平衡,但不代表它是一个等势体,而且它内部也有正负电荷的分布,所以不可能是一个等势体,而且等势体的条件是它要是一个导体,这个金属,金属它…而且因为它并不闭合,所以不能够说它是…它满足静电屏蔽的条件,所以1是错的.

该学生基于知识储备N3和T1进行错误地正向推理,因为“筒内壁有电荷分布”,所以“不可能是等势体”,因为“金属筒不闭合”,所以“不能起静电屏蔽作用”,这些推理依据也构成了他所持错误概念的基本框架.而从语气还可听出,他对自己的答案自信不是很足,也许之前他还没遇到过类似的问题情境.该类学生多数采用正向推理或类比经验的思维策略,但因面临新的问题情境,无法有效地进行类比迁移,只能临时构建自己的理解体系,且其思维缺乏系统性和连贯性.这些学生在分析时往往没有抓住正确的知识点,且容易受到思维定势的影响,没有足够的创新思维,导致误用科学知识进行不合理的回答[7].其思维策略可归入表3描述的水平三.

一些学生尝试利用以前的经验来类比分析,如某学生的典型片段如下.

13:……然后第3个,“完全封闭的导体才能起到静电屏蔽的作用”,这个,这个我觉得应该是错误的它这句话,我记得当时有一个是内壁……就是它如果接地的话,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个我觉得是错的.

该生虽然选对了选项,但其推理过程却是错误的,其错误概念正是在推理过程中外显了出来.其在分析时只是照搬以前的经验“接地使壳外对壳内完全屏蔽”,不注意问题情境变成了壳内对壳外的屏蔽条件,同样出现了负迁移.这类学生的思维策略同样可归入表3描述的水平三.

有学生尝试依据书上的内容进行分析,但在学习迁移上存在障碍,如持有N3的学生的典型片段如下.

14:57号正在找,正在查书.

57:哦,那个“闭合的导体壳,接地时壳内外电场互不影响,壳不接地时,仅能屏蔽壳外电场对壳内电场的影响,不能屏蔽壳内之间电荷对壳外电场的影响.”哎这个,这样的话,那就是应该就是一个封闭的导体才能够起到静电屏蔽的作用.

57号学生毕竟能通过查书正确找到了本题涉及的概念,但其未能结合具体实例加深理解,固执地揪住“闭合”不放,理解存在偏差,最终将书上的内容理解成N3.这类学生主要采用的思维策略有正向推理和类比迁移,也有一部分进行逆向推理,他们能正确认识到问题情境所涉及的相关概念,根据合理的科学知识作出解释,但思维不够灵活,考虑不够全面,理解存在偏差,在学习迁移上存在障碍,故未能作出合理解释.其思维策略可归入表3描述的水平二.

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5条错误概念(编码以N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2条错误概念(编码以T开头),记入表2中.新出现的错误概念和诊断测试题概括的错误概念形成了互补,进一步完善了学生对静电屏蔽这一物理概念存在的误区.当涉及静电感应、静电平衡和静电屏蔽等相关概念的理解和运用时,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.

进一步分析发现持有错误概念的学生,在解释和讨论概念测试题时,其思维策略及思维水平存在一定的差异.多数学生在解决问题时,之所以不同程度地表现出错误概念,是因为新的问题情境与学生原有的知识体系存在差异,而学生容易受到思维定势的影响,进行负的类比迁移;或依赖不恰当的直觉思维,并对问题进行错误简化.

为使学生在解决电磁学问题时能正确使用相关思维策略,提升其思维水平,教师在教学中应注意创设问题情境,积极鼓励学生正确利用原有知识结构类比联想、正向推理等思维策略,进行有效地学习迁移;学生在学习中应积极思考,注意问题情境与原有图示的差异,合理调用知识储备,增强思维的全面性、灵活性和创新性.

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,及在后续研究中得到改善.