对国外学生形成电学概念的研究

2009-04-02 10:05蔡才福
物理教学探讨 2009年1期
关键词:电势差电灯电学

谭 琦 吴 伟 蔡才福

摘要:本文介绍和分析了国外关于学生电学概念发展的研究,总结了国外学生对电学概念的理解情况和存在的思维模型,以期对我国中学物理教学有所启示。

关键词:电学概念;思维模型

中图分类号:G633.7 文献标识码:A文章编号:1003-6148(2009)1(S)-0013-3

1 引言

自上世纪80年代以来,国外物理教育研究最明显的特征是对学生相异概念研究的大量增加,其中电学领域是相异概念研究的主要内容之一,比如学生对直流电路概念理解的研究,研究对象包括儿童(Cosgrove et al.,1985;Shipstone, D. ,1984) 、中学生(Dupin et al. ,1987;Eylon et al., 1990;Koumaras et al.,1997)、大学生(McDermott et al. 1992;Viennot et al., 1992;Peters,P.1982)。研究发现,学生对电学概念有自己的理解,而且在进行科学思维活动时常常用他们自己的概念模型来思考问题。下面分别从学生对电学概念的理解、存在的思维模型和电学概念教学研究三个方面介绍国外的研究结果,以期对我国中学物理电学教学及研究有所启示和借鉴。

2 学生关于电学概念的理解

2.1 电势与电势差

研究发现,一些学生容易混淆电势和电势差,错误地认为电灯的亮度取决于其某一端的电势大小,而不是电灯两端间电势差的大小。如图1所示,开关闭合后,要求学生判断四个电灯的亮度。35%的学生认为电灯从较亮到较暗是:A>B=C>D,有的学生解释是:“电灯A最亮是因为它的电势最高,电灯B和C一样亮是因为它们有相同的电势,电灯D最暗是因为它的电势最低。”(McDermott et al. ,1992)。

2.2 电压与电流

电流在闭合电路中才有,所以学生常常认为电压也是如此。R.Cohen等 (1983)以145名以色列高中生为研究对象调查他们对电学概念的理解,发现学生把电压当作电流的一部分。如图2所示,电源是理想电源,当把电灯N取走使DE间断路时,关于D、E间的电压,有80%的学生认为是零。这说明他们实际上持有“电流为零,所以电压也为零”的观念。

2.3 电阻

Laurent Liegeois(2002)发现,学生通过R=U/I的关系式来理解电阻的含义,常常很难掌握电阻这个概念。学生容易认为电阻与电势差成正比,或电阻与电流成反比。当需要同时考虑电阻、电流和电势差三者之间的关系时, 中学生常感到非常困难。当只讨论两个量之间的关系时,许多学生习惯的思维模型是“A 越大, B 越大”。Viennot等(1992)把从数学关系出发的这种理解称为“来自公式的推理”。

2.4 电源

不管外部电路的结构是什么样的,理想电源两端总是提供恒定电压。在比较图3中电灯的亮度时,许多学生没有做出正确的判断。其中一个有代表性的回答是:“电灯E和D在亮度上相等,但是比A要暗;两个灯上电势差是相等的,但和A的不一样”。(McDermott et al. ,1992)相反,他们认为电源总是提供恒定的电流。其中一个学生在调查中的回答是:“A、B和C(是)相等的(在亮度上),要比D和E 亮,跟通过A的相同电流在第三个电路上分给了D和E。”R.Cohen等(1983)在研究中也发现学生把电池看成是提供恒定电流的装置。

2.5 导线中的电场

S.Rainson等(1994)研究了瑞典和法国大学生对电场叠加的理解,发现一些学生认为静电学和电路是两个独立的学科。电场很少作为分析电流引起的原因,学生把原因归结于电源、电压等;有时会颠倒因果,例如认为导线中的电流引起电场。在关于导线中电场的场源的问题中,一些学过麦克斯韦方程的大学生中有52%的学生认为场源是电源,10%的学生认为场源是电压(没有提到电源),18%的学生认为场源是导线中的电流或电子。

3 学生关于电学概念的思维模型

3.1 电流消耗模型

由于没有直观体验,学生对电路中的电流往往凭空想象。受到电流概念中“流”的影响,学生认为越靠近电源正极的地方电流会越大;电流通过电路元件时,后面的电路元件得到的电流是前面用完剩下的;电灯和其它用电器,只是让电流流进并将电流消耗的设备,而不是纯粹让电流通过。对许多学生来说,电流守恒只是一个抽象的概念,在具体的问题分析中并不持有这样的观念。McDermott 等(1992)对一些学过微积分的大学生进行测试,也有人持“电流消耗”(used up)的观点,他们认为电池持续地产生电流,并且被电路中的元件“用完”。如图1中开关闭合后,要求学生判断四个电灯的亮度,35%的学生认为电灯从较亮到较暗的顺序为:A>B=C>D,其中有学生认为既然电流被A、B和C“消耗”,就只有较少的电流剩下给D灯了。在这种模型中,电流被认为是依赖于时间顺序的一个事件,当电流经过电路元件后,它剩下的部分回到电源负极。这种模型也被称为顺序模型(Shipstone,1984)或衰减模型(Osborne,1983)。

3.2 单极模型和撞击模型

电流从电源正极出发到电灯那里,并全部被用完,连接负极的导线被看成是不需要的或额外增加的,在电路中没有什么作用,这种思维模型被称为单极模型(Osborne,1981)或接受模型(Fredette et al.,1980)。也有学生认为电灯能亮起来的原因是“正”和“负”的电流从电池两极出发到电灯处相遇产生能量,使电灯亮起来,Osborne(1983)称其为撞击模型。

3.3 分享模型

分享模型是指电流总是在节点处均分(Paul et al.,2004),持有这种观点的学生会认为图4中支路1和支路2的电流总是相等的。

3.4 局部推理模型

采用局部推理的学生忽略一个地方的变化对整个电路的影响(R.Cohen et al., 1983)。在一次笔试中要求学生预测图1中开关S断开后,电灯B亮度的变化,许多学生认为亮度不变,因为电灯B是并联的另一个支路。他们没有认识到并联支路的互相不影响的条件,即直接与理想电源两端并联的两个支路是相互独立的(McDermott et al. ,1992)。

3.5 线性推理模型

Paul Brna(1988)总结指出,学生有把电路中相联系的两种属性归为“一种增大另一种也增大”的线性思维特点,比如电压越大,电阻越大;电阻越大,功率越大;电池越多,电压越大。学生往往关注电路元件的数量而不是电路结构。在McDermott等人(1992)的研究中,一位将做教师的学生认为图3中B、C、D、E一样亮,但是比A要暗。他认为这四个电灯的亮度是A的一半,因为电源同样的力量被用在这两个支路的两个电灯上。换句话说,这个学生认为两个相同的电灯与一个电池连接构成的电路中,不管电灯是怎么连接的,效果一样。Paul等(2004)在对1135名学生的调查中发现,27%的学生认为并联的两个电池提供更多的能量;46%的学生认为串联的两个电池提供更多的能量;17%的学生认为不管电源是并联还是串联都提供相同的能量。

4 电学概念教学策略的研究发展

上述学生关于电学概念的理解表明,学生不能将基本的电学概念连贯成一个解释框架,对预测和解释电路里发生的事件缺少科学模型。在解释电路有关现象时,很多学生依赖于直觉和公式。R.Cohen等人(1983)的研究表明,对于许多学生来说,电压只是计算得到的结果或电压表上的示数而已,因此他们并不认为在电路断开的地方存在电压。尽管在电势差以及电场的教学上中学和大学阶段都用了很多时间,但许多学生仍认为电流才是最基本的概念。由于受日常生活的影响,学生往往把电流和水流作简单的类比,导致电流消耗等观念,缺乏对电流守恒的真正理解。

Eylon和Ganile(1990)注意到学生解释电路有关现象时,不能将宏观的现象与微观的概念联系起来。比如电流与电荷运动的联系,学生都用电压、电势差解释电路现象,很少用电场、电场力来解释,更难理解“电池—电势差—电场—力—电荷的运动”这样的内在联系。

A.Barbas等人(1997)在总结相关研究后指出学生理解电学概念存在问题的两个主要来源:一是缺乏必要的系统推理,系统推理即把电路看成一个整体,所有组成部分是彼此影响而且任何扰动都是向各个方向传播的;二是缺乏连续的科学模型,特别是对电路中的现象和微观本质之间的联系缺乏理解。关于中学生的实证研究也表明,他们不能把静电学的概念和电路中发生的现象联系起来(Benseghir et al.,1996)。学生缺乏这种联系导致学生不能把电路看成一个整体进行各部分相互影响的分析。(B.S.Eylon et al.,1990)

Eylon和Ganile(1990)认为可从不同层面来考虑,学生对简单电路的理解,一是定量的关系;二是实质性的关系,比如改变系统中一个元件会如何影响其它元件或参数;三是宏观与微观之间的关系。学生对定量关系的理解和应用是令人满意的,但学生缺乏对电路的实质性理解,对带电微粒的运动、电场力、场和电势之间的联系很少考虑。基于此种认识,Eylon等认为要使学生对电路里发生的现象能用学科术语定性地推理判断,他们需要发展关于微观过程的丰富精致的模型,这些模型能帮助他们来理解所观察到的现象背后的过程。

Eylon等人主张的基于微观过程理解的教学策略得到了许多研究者的认可。Beth Ann Thacker等(1999)以问卷调查和访谈的形式进行了比较研究,研究对象包括美国俄亥俄州立大学使用传统教材的90名学生(A组)和密歇根弗林特大学的29名使用强调微观过程模型教材的学生(B组)。测试题之一是在闭合开关S的瞬间,电流表A1中的电流怎样变化(如图5)。研究表明,A组34%的同学能正确回答,其中18%的同学给出了正确的解释;B组97%的同学给出了正确的回答,且其中90%的同学给出了正确的解释。

P.E.Hirvonen(2007)研究了使用基于表面电荷的教学方法来促进学生对基础电学中直流电路的理解。教学干预的内容包括静电学、基于表面电荷的微观模型来解释电场的存在等。研究发现,学生的前知识包含跟电路相关的许多朴素的微观模型,而且学生试图在没有电场概念的情况下建立静电学和直流电路之间的联系 。在教学干预后,学生几乎完全放弃了朴素的模型,30%的学生达到了期望的理解的水平,50%的学生达到一定程度的理解,这种理解为他们进一步的学习打下基础。

研究表明,这种教学方法能在提供合适的微观模型基础上,促使学生整体和全面的理解直流电路,帮助学生放弃朴素的思维模型。

5 结束语

电学的许多概念都是抽象的,在电学概念的学习中,尽管学生能够看到实际电路和一些实验现象,但对于电学概念揭示的本质和电路中物理过程的理解往往建立在想象的基础上。国外相关研究表明,使学生建立基于微观过程理解的电学概念模型是促使学生电学相异概念转变和电学概念有效教学的重要途径。

参考文献:

[1]A.Barbas &D.Psillos.Causal; Reasoning as a Base for Advancing a Systemic Approach to Simple Electrical Circuits[J].Research in Science Education,1997,27(3):445-459.

[2]Benseghir,A.&Closset;,J.The electrostatics-electrokinetics transition:historical and educational difficulties[J].Int.J.Sci.Educ,1996,18: 179-191.

[3]Beth Ann Thacker,Uri Ganiel & Donald Boys.Macroscopic phenomena and microscopic processes: Student understanding of transients in direct current electric circuits[J].Phys.Educ.Res.,Am.J.Phys.Suppl.,1999,67(7):S25-S31.

[4]McDermott, L., & Shaffer, P. Research as a guide for curriculum development: An example from introductory electricity, Part I: Investigation of student understanding[J]. American Journal of Physics, 1992,60:994-1003.

[5]Paula Vetter Engelhardt and Robert J.Beichner.Students' understanding of direct current resistive electrical circuits[J].Am.J.Phys,2004,72 (1):98-115.

[6]P E Hirvonen. Surface-charge-based micro-modelsa solid foundation for learning direct current circuits about direct current circuits[J].Eur.J.Phys,2007,28:581-592.

(栏目编辑赵保钢)

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