理工科大学生对静电学重要物理模型理解现状的调查研究

张静，汤伟，徐大海 （长江大学物理与光电工程学院物理教育研究所，湖北 荆州434023）

汤祖军 （荆州市实验中学，湖北 荆州434020）

静电学在电磁学中占有重要地位，但静电学是一个具有挑战性的教学内容，因为如电场、静电相互作用等重要物理模型并不是学生日常生活所熟悉的，它们具有较高的复杂性和抽象性。同时，静电是日常生活中经常遇到的现象，学生关于静电有很多迷思概念。但是，与物理学中的其他主题不一样，关于静电学的迷思概念和概念转变的困难性并没有进行深入的研究。Mustafa等注意到用评价工具来评价学生关于电磁学的概念是一个不同于物理学其他主题的任务［1］，Esra Bilal等通过综述已有研究发现，静电学的研究主要关注电场力和电场等迷思概念的研究［2］。关于学生对重要物理模型理解现状的研究并不多，且研究对象主要为中小学生，尚未对大学生进行深入研究。为此，笔者对理工科大学生对静电学重要物理模型理解现状进行了调查研究。

1 静电学的重要物理模型

通过对电磁学相关教材［3，4］的研究和国际物理课程文件［5］的比较，基于物质科学中物质和相互作用这2个核心概念，研究确定了静电学的重要物理模型及各模型所包含的要素：

1）物质微观结构模型，该模型包括电荷、导体和电介质的微观结构。

2）电场模型，该模型包括电场的性质、电场力、电场强度、电势能、电势、电场线等。

3）静电相互作用模型，该模型包括电场与电荷、导体、电介质的相互作用。

2 研究方法

样本来自湖北某一本院校二年级理工科学生 （未学习 《大学电磁学》课程），《大学物理》课程在该校二年级开设，样本量为137人。样本高中所在省份涉及湖北、湖南、河北、浙江、贵州、山西、广西、天津8个省或自治区，其中男生占总数的73%，女生占总数的27%。

采用纸笔测试和诊断性访谈来确定学生对静电学重要物理模型的理解现状。研究测试量表试题全部选自国际电磁学权威测试量表CSEM、BEMA 或相关研究文献中的相关试题，以保证试题的效度，测试总题目数为21题。为获取学生选择答案的理由以供进一步分析，研究的测试题采用二阶测试 （Twostage test），即学生需要提供得到答案的解释。

为研究测试量表的质量，应用Rasch模型对试题的质量进行整体分析，检测测试量表的信度。测试量表的整体信度是表征问卷项目可靠性的重要指标，应用Rasch模型分析结果显示，测试样本信度为0．81，测试题目信度为0．98，表明量表的综合信度较高，具有良好的内部一致性信度。

为了确定学生在静电学各重要物理模型上的具体表现类型，研究采用成绩－集中度分析的方法。成绩－集中度方法是美国物理教育研究者Bao和Redish［6］提出的，通过学生选项的分布情况来分析学生的认知模式。集中度描述了学生对选项的集中程度。学生选择越集中，集中度越高，反之，学生选择的越分散，集中度越低［7］。其利用成绩（答对率）和集中度这2个因素，采用二因素分析来研究学生答题的方式。将学生的成绩和集中度分别划分为低（L）、中 （M）、高 （H）3个水平 （见表1），从成绩和集中度，2个因素的组合中得到7种模式类型，如表2所示。

表1 成绩和集中度的3种水平

3 调查结果

表2 学生回答模式类型

3．1 学生对静电学重要物理模型理解现状的整体分析

图1 成绩－集中度散点图

用Matlab7．0 绘制出成绩－集中度的散点图 （见图1），图中上下2 条曲线是界限曲线，任意点应只能落在最大值和最小值之间。从图1可以看出，大学生对静电学重要物理模型或要素的理解类型较多的集中在LM 和MM 区间，即学生对静电学重要模型具有2个比较集中的错误模式或普遍模式。为对这些错误或普遍模式进行具体分析，对各试题学生的回答模式类型、所属物理模型、及涉及的具体要素或情境进行分析，如表3所示。

从表3分析可发现，即使考查的是同一物理模型的相关内容，学生在不同题目或情境下的回答模式类型不同，甚至有些差别很大，如 “金属导体上的电荷分布和电势分布”的问题，学生对于熟悉情境或具有对称性良好的情境表现较好，对于不熟悉或缺乏对称的情境表现较差，表明在学生头脑中同时存在科学模型和相异模型，学生在解决问题时在科学模型与相异模型间摇摆，明显受到情境的影响，具有情境依赖性，因此回答没有固定模式。

表3 按成绩和集中度类型分类

3．2 学生对静电学重要物理模型理解现状的具体分析

1）物质的微观结构模型。由表3可以看出，对于物质微观结构模型，学生对电荷的理解较好，属于HM 型，57．8% 的学生认为 “电荷是带电的基本粒子的基本属性”，25%的学生认为 “电荷是一切实物物质的基本属性”，这些均属于科学模型。但仍有14%的学生认为 “电荷是带电体的基本属性”，4%的学生认为 “电荷是一种物质”，这些是学生普遍的相异模型。

对于金属导体模型，53%的学生正确认为 “金属导体中仅电子可自由移动”，但部分学生对于带正电的晶格情况不清楚，27%的学生错误认为 “电子和质子如电液一般均可自由移动”。

对于电介质模型，很少有学生持有科学模型，属于LL类。学生所持有的相异模型有：电介质内的带电粒子无论如何都无法移动，因此其不能带电；电介质在一定条件下 （如摩擦起电）才能带电，但不能发生类似静电感应现象 （即极化）。学生不能解释摩擦过的物体能够吸引轻小物体等实际现象，很多学生解释该现象时认为小纸屑本身带电，或电场就对微小物体有作用。

2）电场模型。由表3可以看出，学生对电场模型的理解及相关要素的掌握不好，属于ML、LM、LL类型，学生普遍具有1个或2个典型的错误模式。对于电场模型，57%的学生错误认为 “电场不是物质，因为电场看不见、摸不着，不是由分子、原子构成”，或 “电场并不真实存在，是为了描述电荷之间的相互作用而假想出来的”，38%的学生虽然认为 “电场是物质”，但对电场的物质属性没有清楚认识，仅是记住该结论。

对于电场线，27%的学生将电场线与轨迹线混淆，16%的学生对电场线的认识会受情境的影响；对于电场的叠加，25%的学生认为 “导体对电场有隔绝作用”，学生没有正确理解金属导体屏蔽电场这一现象，将 “屏蔽”理解为 “隔绝”，38%的学生认为 “绝缘体对电场有隔绝作用”。且学生易将电荷、电场强度与电势概念进行混淆，习惯从力的角度解决问题，很少从能量的角度考虑，对电势的理解较模糊，仅建立定量关系；对“静电平衡时导体上电势处处相等”没有真正理解，习惯用电荷分布来判断导体上电势的大小。

3）静电相互作用模型。由表3可以看出，学生对电荷之间的相互作用规律，即库仑定律掌握较好，属于HH 型。但57%的学生持有超距作用模型，即电荷与电荷间的相互作用不需要介质和时间，学生应用库仑定律、牛顿第三定律、同性相斥、异性相吸来判断相互作用的大小和方向，24%的学生持有超距作用模型与场作用模型的混合模型，即学生知道电荷与电荷间的相互作用通过场来传递，但在解决实际问题时未从空间场的分布来分析问题，如金属导体上的电荷分布，金属筒内带电小球的运动等，表明学生并未真正建立场作用模型。而且学生对电场对金属导体、电介质的作用机制并不清楚，对静电屏蔽、极化现象的微观过程缺乏相应的图景。

4 研究启示

4．1 静电学教学存在的主要问题剖析

基于调查结果和进一步诊断性访谈发现，静电学教学存在的主要问题有以下3类：

1）学生会对教师传授的 “物理名词”产生错误理解。教师对 “物理名词”的理解往往与学生的理解是有差异的，但大多数教师并不了解学生所想。如“屏蔽”，学生的理解通常是 “隔绝”电场或电荷，而不是科学的 “合场强为0”的认识，显然这是学生望文生义。如果教师大量使用学生未理解的 “物理名词”将会增加学生的认知负荷，降低学习效率，产生厌学情绪。

2）很多学生仅仅靠记忆记住静电学中的某些结论，而未真正理解。静电学部分是物理学中较为抽象和具有挑战性的教学内容，学生在生活中仅仅有少量的现象和实验可以观察，而初中静电学部分的教学内容极少，高中静电学部分也没有深入讲解。如学生仅记住 “丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮摩擦过的橡胶棒带负电”、“带电体能吸引纸屑、头发等轻小物体”等等结论。因此，当问题情境稍加变化，学生就无法解答，表现出情境依赖性。对熟悉情境能够正确解答，但陌生情境则出现错误，其根本原因在于学生未建立对这些模型的科学理解。

3）中学教师 “自主研发”了大量与科学模型相异或有缺陷的模型，学生的很多错误还来自于教师的误导，教师纯粹为了学生能够快速解题而归纳总结出自认为 “高效”的结论，而实际上这些结论的得到抹去了中间的思维过程，因此导致学生在理解这些结论时，同样会演化出更多的相异模型。

4．2 静电学教学的建议

1）静电学教学应关注学生对相关重要模型的建构。静电学教学有其特殊性，它不同于力学、光学等其他内容，因为其重要模型 “物质微观结构模型”是微观层面，而重要模型 “电场”看不见，摸不着，学生很难建立起 “电场”的图景。因此教学中应让学生亲身经历模型的建构过程，教师不能用 “物理名词”来代替学生的理解，教学过程中需要让学生暴露自己初始模型，并且通过共享展示、检验、修正、反思等环节，使学生对重要模型的理解不断得到发展。

2）教学时应强调从真实问题中抽象模型，不要过早引入数学公式和物理名词。静电学教学应在学生对物理现象、物理模型、物理原理及过程给出定性描述和解释之后，再建立相关概念及概念所对应物理名词，最后再用数学表征来建立相关物理量之间的联系，这样才有利于学生对重要物理模型及模型间关系的深入理解。学生只有经历在真实情境中建构模型来解决实际问题，才能建立起理论与实际之间的关系，从而在不同情境中灵活调用知识，激活知识，形成稳定的科学模型。

3）教师应转变教学思路。对于静电学中大量抽象模型应利用多种手段，如实验、动画、仿真等相结合的方式，让学生在感性认识中加深印象，看似 “高效”的结论只会抹杀学生的创新思维。甚至可以利用仿真动画来实现电场线、轨迹线、电场、电势差的动态和量化表征，从而让学生能够在活动中、在“游戏”中去区别这些容易混淆的概念或模型。

5 结论

1）静电学重要物理模型测试量表由21个二阶测试题构成，测试量表具有较高的综合信度，可作为测试理工科大学生对静电学重要物理模型理解现状的参考工具。

2）理工科大学生尚未能形成关于静电学重要物理模型的科学而稳定模型，特别需加强对 “物质的微观结构模型”和“电场模型”的学习。

3）静电学教学应重视重要模型的教学，并应强调让学生经历从真实问题中抽象模型、建构模型的过程，可采用多种手段和方法来帮助学生建构对重要模型的深入理解。

［1］Baser M．Effect of instruction based on conceptual change activities on students’understanding of static electricity concepts［J］．Research in Science ＆Technological Education，2007，25 （2）：243～267．

［2］Bilal E，Erol M．Investigating students’conceptions of some electricity concepts［J］．Lat Am J Phys Educ，2009，3 （2）：193～201．

［3］陈秉乾，舒幼生，胡望雨．电磁学专题研究 ［M］．北京：高等教育出版社，2001．

［4］赵凯华．电磁学 ［M］．第3版．北京：高等教育出版社，2011．

［5］Lei Bao，Edward F R．Concentration Analysis：A Quantitative Assessment of Student States［J］．American Journal of Physics，2001，69（s1）：s45～s54．

［6］王春凤，郭玉英．集中度分析：定量分析中学生学习力学概念时的认知模式 ［J］．物理教师，2004，25 （7）：1～3，6．