對(duì)國(guó)外學(xué)生形成電學(xué)概念的研究

譚　琦　吳　偉　蔡才福

摘要：本文介紹和分析了國(guó)外關(guān)于學(xué)生電學(xué)概念發(fā)展的研究，總結(jié)了國(guó)外學(xué)生對(duì)電學(xué)概念的理解情況和存在的思維模型，以期對(duì)我國(guó)中學(xué)物理教學(xué)有所啟示。

關(guān)鍵詞：電學(xué)概念；思維模型

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2009)1(S)-0013-3

1 引言

自上世紀(jì)80年代以來，國(guó)外物理教育研究最明顯的特征是對(duì)學(xué)生相異概念研究的大量增加，其中電學(xué)領(lǐng)域是相異概念研究的主要內(nèi)容之一，比如學(xué)生對(duì)直流電路概念理解的研究，研究對(duì)象包括兒童(Cosgrove et al.,1985；Shipstone, D. ,1984) 、中學(xué)生(Dupin et al. ,1987；Eylon et al., 1990；Koumaras et al.，1997)、大學(xué)生(McDermott et al. 1992；Viennot et al., 1992；Peters,P.1982)。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)電學(xué)概念有自己的理解，而且在進(jìn)行科學(xué)思維活動(dòng)時(shí)常常用他們自己的概念模型來思考問題。下面分別從學(xué)生對(duì)電學(xué)概念的理解、存在的思維模型和電學(xué)概念教學(xué)研究三個(gè)方面介紹國(guó)外的研究結(jié)果，以期對(duì)我國(guó)中學(xué)物理電學(xué)教學(xué)及研究有所啟示和借鑒。

2 學(xué)生關(guān)于電學(xué)概念的理解

2.1 電勢(shì)與電勢(shì)差

研究發(fā)現(xiàn)，一些學(xué)生容易混淆電勢(shì)和電勢(shì)差，錯(cuò)誤地認(rèn)為電燈的亮度取決于其某一端的電勢(shì)大小，而不是電燈兩端間電勢(shì)差的大小。如圖1所示，開關(guān)閉合后，要求學(xué)生判斷四個(gè)電燈的亮度。35%的學(xué)生認(rèn)為電燈從較亮到較暗是：A＞B=C＞D，有的學(xué)生解釋是：“電燈A最亮是因?yàn)樗碾妱?shì)最高，電燈B和C一樣亮是因?yàn)樗鼈冇邢嗤碾妱?shì)，電燈D最暗是因?yàn)樗碾妱?shì)最低?！?McDermott et al. ,1992)。

2.2 電壓與電流

電流在閉合電路中才有，所以學(xué)生常常認(rèn)為電壓也是如此。R.Cohen等 (1983）以145名以色列高中生為研究對(duì)象調(diào)查他們對(duì)電學(xué)概念的理解，發(fā)現(xiàn)學(xué)生把電壓當(dāng)作電流的一部分。如圖2所示，電源是理想電源，當(dāng)把電燈N取走使DE間斷路時(shí)，關(guān)于D、E間的電壓，有80%的學(xué)生認(rèn)為是零。這說明他們實(shí)際上持有“電流為零，所以電壓也為零”的觀念。

2.3 電阻

Laurent Liegeois(2002)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通過R=U/I的關(guān)系式來理解電阻的含義，常常很難掌握電阻這個(gè)概念。學(xué)生容易認(rèn)為電阻與電勢(shì)差成正比,或電阻與電流成反比。當(dāng)需要同時(shí)考慮電阻、電流和電勢(shì)差三者之間的關(guān)系時(shí), 中學(xué)生常感到非常困難。當(dāng)只討論兩個(gè)量之間的關(guān)系時(shí),許多學(xué)生習(xí)慣的思維模型是“A 越大, B 越大”。Viennot等(1992)把從數(shù)學(xué)關(guān)系出發(fā)的這種理解稱為“來自公式的推理”。

2.4 電源

不管外部電路的結(jié)構(gòu)是什么樣的，理想電源兩端總是提供恒定電壓。在比較圖3中電燈的亮度時(shí)，許多學(xué)生沒有做出正確的判斷。其中一個(gè)有代表性的回答是：“電燈E和D在亮度上相等，但是比A要暗；兩個(gè)燈上電勢(shì)差是相等的，但和A的不一樣”。(McDermott et al. ,1992)相反，他們認(rèn)為電源總是提供恒定的電流。其中一個(gè)學(xué)生在調(diào)查中的回答是：“A、B和C(是)相等的(在亮度上)，要比D和E 亮，跟通過A的相同電流在第三個(gè)電路上分給了D和E?！盧.Cohen等(1983)在研究中也發(fā)現(xiàn)學(xué)生把電池看成是提供恒定電流的裝置。

2.5 導(dǎo)線中的電場(chǎng)

S.Rainson等（1994）研究了瑞典和法國(guó)大學(xué)生對(duì)電場(chǎng)疊加的理解，發(fā)現(xiàn)一些學(xué)生認(rèn)為靜電學(xué)和電路是兩個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。電場(chǎng)很少作為分析電流引起的原因，學(xué)生把原因歸結(jié)于電源、電壓等；有時(shí)會(huì)顛倒因果，例如認(rèn)為導(dǎo)線中的電流引起電場(chǎng)。在關(guān)于導(dǎo)線中電場(chǎng)的場(chǎng)源的問題中，一些學(xué)過麥克斯韋方程的大學(xué)生中有52%的學(xué)生認(rèn)為場(chǎng)源是電源，10%的學(xué)生認(rèn)為場(chǎng)源是電壓(沒有提到電源)，18%的學(xué)生認(rèn)為場(chǎng)源是導(dǎo)線中的電流或電子。

3 學(xué)生關(guān)于電學(xué)概念的思維模型

3.1 電流消耗模型

由于沒有直觀體驗(yàn)，學(xué)生對(duì)電路中的電流往往憑空想象。受到電流概念中“流”的影響，學(xué)生認(rèn)為越靠近電源正極的地方電流會(huì)越大；電流通過電路元件時(shí)，后面的電路元件得到的電流是前面用完剩下的；電燈和其它用電器，只是讓電流流進(jìn)并將電流消耗的設(shè)備，而不是純粹讓電流通過。對(duì)許多學(xué)生來說，電流守恒只是一個(gè)抽象的概念，在具體的問題分析中并不持有這樣的觀念。McDermott 等(1992）對(duì)一些學(xué)過微積分的大學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，也有人持“電流消耗”(used up)的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為電池持續(xù)地產(chǎn)生電流，并且被電路中的元件“用完”。如圖1中開關(guān)閉合后，要求學(xué)生判斷四個(gè)電燈的亮度，35%的學(xué)生認(rèn)為電燈從較亮到較暗的順序?yàn)椋篈＞B=C＞D，其中有學(xué)生認(rèn)為既然電流被A、B和C“消耗”，就只有較少的電流剩下給D燈了。在這種模型中，電流被認(rèn)為是依賴于時(shí)間順序的一個(gè)事件，當(dāng)電流經(jīng)過電路元件后，它剩下的部分回到電源負(fù)極。這種模型也被稱為順序模型(Shipstone,1984)或衰減模型(Osborne,1983)。

3.2 單極模型和撞擊模型

電流從電源正極出發(fā)到電燈那里，并全部被用完，連接負(fù)極的導(dǎo)線被看成是不需要的或額外增加的，在電路中沒有什么作用，這種思維模型被稱為單極模型(Osborne,1981)或接受模型（Fredette et al.,1980）。也有學(xué)生認(rèn)為電燈能亮起來的原因是“正”和“負(fù)”的電流從電池兩極出發(fā)到電燈處相遇產(chǎn)生能量，使電燈亮起來，Osborne(1983)稱其為撞擊模型。

3.3 分享模型

分享模型是指電流總是在節(jié)點(diǎn)處均分(Paul et al.,2004)，持有這種觀點(diǎn)的學(xué)生會(huì)認(rèn)為圖4中支路1和支路2的電流總是相等的。

3.4 局部推理模型

采用局部推理的學(xué)生忽略一個(gè)地方的變化對(duì)整個(gè)電路的影響(R.Cohen et al., 1983）。在一次筆試中要求學(xué)生預(yù)測(cè)圖1中開關(guān)S斷開后，電燈B亮度的變化，許多學(xué)生認(rèn)為亮度不變，因?yàn)殡姛鬊是并聯(lián)的另一個(gè)支路。他們沒有認(rèn)識(shí)到并聯(lián)支路的互相不影響的條件，即直接與理想電源兩端并聯(lián)的兩個(gè)支路是相互獨(dú)立的(McDermott et al. ,1992)。

3.5 線性推理模型

Paul Brna(1988)總結(jié)指出，學(xué)生有把電路中相聯(lián)系的兩種屬性歸為“一種增大另一種也增大”的線性思維特點(diǎn)，比如電壓越大，電阻越大；電阻越大，功率越大；電池越多，電壓越大。學(xué)生往往關(guān)注電路元件的數(shù)量而不是電路結(jié)構(gòu)。在McDermott等人（1992)的研究中，一位將做教師的學(xué)生認(rèn)為圖3中B、C、D、E一樣亮，但是比A要暗。他認(rèn)為這四個(gè)電燈的亮度是A的一半，因?yàn)殡娫赐瑯拥牧α勘挥迷谶@兩個(gè)支路的兩個(gè)電燈上。換句話說，這個(gè)學(xué)生認(rèn)為兩個(gè)相同的電燈與一個(gè)電池連接構(gòu)成的電路中，不管電燈是怎么連接的，效果一樣。Paul等(2004)在對(duì)1135名學(xué)生的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，27%的學(xué)生認(rèn)為并聯(lián)的兩個(gè)電池提供更多的能量；46%的學(xué)生認(rèn)為串聯(lián)的兩個(gè)電池提供更多的能量；17%的學(xué)生認(rèn)為不管電源是并聯(lián)還是串聯(lián)都提供相同的能量。

4 電學(xué)概念教學(xué)策略的研究發(fā)展

上述學(xué)生關(guān)于電學(xué)概念的理解表明，學(xué)生不能將基本的電學(xué)概念連貫成一個(gè)解釋框架，對(duì)預(yù)測(cè)和解釋電路里發(fā)生的事件缺少科學(xué)模型。在解釋電路有關(guān)現(xiàn)象時(shí)，很多學(xué)生依賴于直覺和公式。R.Cohen等人(1983)的研究表明，對(duì)于許多學(xué)生來說，電壓只是計(jì)算得到的結(jié)果或電壓表上的示數(shù)而已，因此他們并不認(rèn)為在電路斷開的地方存在電壓。盡管在電勢(shì)差以及電場(chǎng)的教學(xué)上中學(xué)和大學(xué)階段都用了很多時(shí)間，但許多學(xué)生仍認(rèn)為電流才是最基本的概念。由于受日常生活的影響，學(xué)生往往把電流和水流作簡(jiǎn)單的類比，導(dǎo)致電流消耗等觀念，缺乏對(duì)電流守恒的真正理解。

Eylon和Ganile(1990)注意到學(xué)生解釋電路有關(guān)現(xiàn)象時(shí)，不能將宏觀的現(xiàn)象與微觀的概念聯(lián)系起來。比如電流與電荷運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，學(xué)生都用電壓、電勢(shì)差解釋電路現(xiàn)象，很少用電場(chǎng)、電場(chǎng)力來解釋，更難理解“電池—電勢(shì)差—電場(chǎng)—力—電荷的運(yùn)動(dòng)”這樣的內(nèi)在聯(lián)系。

A.Barbas等人(1997)在總結(jié)相關(guān)研究后指出學(xué)生理解電學(xué)概念存在問題的兩個(gè)主要來源：一是缺乏必要的系統(tǒng)推理，系統(tǒng)推理即把電路看成一個(gè)整體，所有組成部分是彼此影響而且任何擾動(dòng)都是向各個(gè)方向傳播的；二是缺乏連續(xù)的科學(xué)模型，特別是對(duì)電路中的現(xiàn)象和微觀本質(zhì)之間的聯(lián)系缺乏理解。關(guān)于中學(xué)生的實(shí)證研究也表明，他們不能把靜電學(xué)的概念和電路中發(fā)生的現(xiàn)象聯(lián)系起來（Benseghir et al.,1996）。學(xué)生缺乏這種聯(lián)系導(dǎo)致學(xué)生不能把電路看成一個(gè)整體進(jìn)行各部分相互影響的分析。(B.S.Eylon et al.,1990)

Eylon和Ganile(1990)認(rèn)為可從不同層面來考慮，學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單電路的理解，一是定量的關(guān)系；二是實(shí)質(zhì)性的關(guān)系，比如改變系統(tǒng)中一個(gè)元件會(huì)如何影響其它元件或參數(shù)；三是宏觀與微觀之間的關(guān)系。學(xué)生對(duì)定量關(guān)系的理解和應(yīng)用是令人滿意的，但學(xué)生缺乏對(duì)電路的實(shí)質(zhì)性理解，對(duì)帶電微粒的運(yùn)動(dòng)、電場(chǎng)力、場(chǎng)和電勢(shì)之間的聯(lián)系很少考慮?；诖朔N認(rèn)識(shí)，Eylon等認(rèn)為要使學(xué)生對(duì)電路里發(fā)生的現(xiàn)象能用學(xué)科術(shù)語定性地推理判斷，他們需要發(fā)展關(guān)于微觀過程的豐富精致的模型，這些模型能幫助他們來理解所觀察到的現(xiàn)象背后的過程。

Eylon等人主張的基于微觀過程理解的教學(xué)策略得到了許多研究者的認(rèn)可。Beth Ann Thacker等(1999)以問卷調(diào)查和訪談的形式進(jìn)行了比較研究，研究對(duì)象包括美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)使用傳統(tǒng)教材的90名學(xué)生(A組)和密歇根弗林特大學(xué)的29名使用強(qiáng)調(diào)微觀過程模型教材的學(xué)生(B組)。測(cè)試題之一是在閉合開關(guān)S的瞬間，電流表A1中的電流怎樣變化(如圖5)。研究表明，A組34%的同學(xué)能正確回答，其中18%的同學(xué)給出了正確的解釋；B組97%的同學(xué)給出了正確的回答，且其中90%的同學(xué)給出了正確的解釋。

P.E.Hirvonen(2007)研究了使用基于表面電荷的教學(xué)方法來促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)電學(xué)中直流電路的理解。教學(xué)干預(yù)的內(nèi)容包括靜電學(xué)、基于表面電荷的微觀模型來解釋電場(chǎng)的存在等。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的前知識(shí)包含跟電路相關(guān)的許多樸素的微觀模型，而且學(xué)生試圖在沒有電場(chǎng)概念的情況下建立靜電學(xué)和直流電路之間的聯(lián)系 。在教學(xué)干預(yù)后，學(xué)生幾乎完全放棄了樸素的模型，30%的學(xué)生達(dá)到了期望的理解的水平，50%的學(xué)生達(dá)到一定程度的理解，這種理解為他們進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

研究表明，這種教學(xué)方法能在提供合適的微觀模型基礎(chǔ)上，促使學(xué)生整體和全面的理解直流電路，幫助學(xué)生放棄樸素的思維模型。

5 結(jié)束語

電學(xué)的許多概念都是抽象的，在電學(xué)概念的學(xué)習(xí)中，盡管學(xué)生能夠看到實(shí)際電路和一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但對(duì)于電學(xué)概念揭示的本質(zhì)和電路中物理過程的理解往往建立在想象的基礎(chǔ)上。國(guó)外相關(guān)研究表明，使學(xué)生建立基于微觀過程理解的電學(xué)概念模型是促使學(xué)生電學(xué)相異概念轉(zhuǎn)變和電學(xué)概念有效教學(xué)的重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

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(欄目編輯趙保鋼)