大学生对电磁学概念错误理解的调研

薛丹丹 郭芳侠 高倩男

（陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710119）

学生在学习物理时，已经具有了大量的关于物理体系的观念，特别是在电磁学中.这些观念可能是由之前的经验、日常语言或者前边的学习，以及对专家解释的赞同所引起的.但是，通常由“常识”的解释或者缺乏精确性的语言所导致的前概念是错误概念.这些概念一旦形成，就会非常持久，很难改变［1］.因此，在教学中关注学生的错误概念是极其必要的.电磁学是物理中一个重要的知识领域，它涵盖了电场、磁场、恒定电流、感应电流等许多概念.学生在学习电磁学中存在很多错误概念.倘若这些错误概念得不到及时解决，必将影响学生后续的学习以及对知识的正确应用.为了让教师了解学生的电磁学错误概念，进行有针对性的教学，不断提高教学效率，本文首先以问卷的形式，调查学生在电磁学概念学习中的现状，然后通过调查结果，分析学生在电磁学概念中的错误概念和形成的原因，最后针对错误概念提出一些建议.

1 CSEM简介

CSEM是由Moloney等人在4年实践中不断修改和完善中形成的用于评估学生对电磁学概念的理解程度的问卷.问卷中每个选项的合理性和适当性都征求了42个大学教授的意见.这份问卷还被以多种形式运用于来自30个不同大学的5 000多名物理专业的新生，运用KR－20的方法对CSEM的可靠性进行分析，得出可靠性r大约是0.75，这是一个非常合理的值［2］.CSEM是被实践证明了的对探索学生的错误概念非常可靠、有效的测量工具.

CSEM是由32道单选题构成，主要涉及了11个话题，分别是电荷在导体和绝缘体上的分布，电场力和场的叠加，库仑定律，电场力，功、电势、场和力，感应电荷和电场，磁场力，电磁感应，磁场叠加，法拉第定律，牛顿第三定律，每个知识点对应的题号如表1所示.

表1 知识点与对应题号

总之，CSEM不是一个涵盖整个电磁领域概念的清单，而是一个非常好的对学生电磁学方面知识进行总观的质性评估工具.

2 调查方法

由于我国对学生电磁学错误概念的研究比较少，并且电磁学概念本身覆盖面比较广，我国目前还没有形成一个比较好的量表用于研究学生的电磁学错误概念，而国外在这方面的研究比较成熟，因此笔者将国外的CSEM翻译为中文作为自己的调查工具.然后选取陕西师范大学2014级物理学专业的学生（大一新生）为调查对象，分别是物理创新实验班和物理教育专业3个班的学生.4个班总人数为234名，分别来自全国28个省份.这些学生刚从高中毕业，还没有学习电磁学专业课程，所以对电磁学概念的理解，依然停留在高中水平.问卷发放了234份，收回233份，有效问卷226份.为了促使学生认真作答，问卷的作答是在教师的监督下进行的，每个班用40分钟的时间完成问卷调查，等学生完成之后，将问卷收回并进行分析.

3 调查结果及分析

为了比较全面地了解学生在电磁学概念理解中的情况，笔者将问卷中各个选项选择的人数进行统计，然后分析了百分率，从中得到每道题的正确率和错误率最高的选项.

3.1 CSEM调查结果统计

笔者将226名学生在CSEM中的调查结果统计如表2.

续表

3.2 对比国内外学生关于CSEM问卷的正确率

国外也运用CSEM对5 000多名物理专业的学生进行了调查，为了清楚地看出国内外学生在电磁学概念理解中是否存在差异，笔者分别将国内和国外学生在CSEM问卷中各题的正确率进行对比，对比结果如图1所示.

图1 国内和国外学生在CSEM问卷中的正确率

分析图1，我们可以发现，总体而言，我国大学生在CSEM问卷中的正确率显著高于国外大学生的正确率，32个问题中约有65.63%的问题，国内学生的正确率是国外学生正确率的2倍多，问题26达到了6倍多，只有问题13和问题27，我国学生的正确率略低于国外学生的正确率，但相差不到14%.分析其中的原因：（1）可能和国内国外物理课程的设置有关，在国外电学和磁学作为初中的必修课程，包括静电、直流电和磁场，但所讲的内容相对简单，高中时学习静电力、电磁，但作为选修课程.而我国初中学生对电流、电压、电阻进行了系统学习，并且简单学习了磁场和电磁感应.在高中系统地学习了库仑定律、电场、带电粒子在磁场中的运动等.（2）可能和研究对象有关，国外运用CSEM问卷对多个学校进行调查，而笔者只以陕西师范大学为例，陕西师范大学所录取的学生依据高考成绩，可以认为是中等偏上，所以基础还是比较好的，当然还有一些其他原因.但从总体上分析，学生在电磁学概念理解中存在的困难是具有相似性的.比如国内国外在问题1，2，13，14，21，22，27和31的正确率都相对比较低，说明学生在电磁学中存在的错误概念也具有共性.

3.3 关于各个知识点中的错误概念

按照概念领域和对应题号对学生在CSEM中调查结果进行分析，分析结果如表3所示.

表3 各个知识点中的典型错误

3.4 形成错误概念的原因及建议

学生形成错误概念的原因是多样的，主要有：

（1）学习参考书中习题设计的不合理.比如在参考书中点电荷的初速度一般都与磁场方向垂直，从而导致学生认为无论在什么时候，都可以直接利用F＝Bvq求洛伦兹力的大小.

（2）不恰当的类比.比如同性磁铁相互排斥，异性磁铁相互吸引，从而认为磁铁的N极相当于正电荷，S极相当于负电荷.将洛伦兹力和电场力类比，电荷所受的电场力在电荷的速度与电场所确定的平面内，所以洛伦兹力也在电荷速度与磁场所确定的平面内.

（3）力学中形成的错误概念的影响.比如，在力学中学生形成了运动的物体必受力的错误概念，将加速度与速度混淆，从而使学生不能正确判断带电粒子只在电场力作用下的运动状态.

（4）电磁学概念本身的抽象性.比如在学习电场时，说电场是一种物质，而这种物质在我们日常生活中看不到摸不着，所以学生理解起来比较困难，容易认为电场线就代表电场本身等.

学生形成错误概念的原因是多方面的，但物理概念不仅是物理基础知识的重要组成部分，也是整个物理知识体系的支撑点，更是构成物理规律，建立物理公式和完善物理理论的基础和前提［3］，所以在电磁学概念教学中一定要重视学生已经形成的一些错误概念，为了让学生更好地理解电磁学概念，教师首先应认识到学生可能存在的错误概念，在教学过程中注意引发学生的认知冲突［4］，多利用数字媒体教学，比如在电磁学概念中运用网络仿真，使抽象的电磁学概念更加形象［5］，关注学生类比能力的培养，注意纠正学生不恰当的类比等.比如在给学生讲授产生感应电流的原因是闭合线圈中的磁通量发生改变时，可以利用磁铁和带有灯泡的导线圈做实验.先让学生猜想哪些情况下灯泡可能会亮，即产生感应电流，再根据学生的猜想依次做实验验证，在实验中会使学生恍然大悟.由于课堂中教师演示实验不可能照顾到所有学生，所以可以鼓励学生多去做网络仿真实验，在http：∥phet.colorado.edu／en／simulation／generator中提供了大量生动的电磁学方面的实验，学生可以随时随地进行实验.

4 总结

本文通过运用CSEM问卷对陕西师范大学226名物理专业的学生进行调查，发现了我国大学生对电磁学概念的理解程度高于国外学生，但在导体和绝缘体，库仑定律，力和场的叠加，力、场、功和电势，磁场力和法拉第定律中依然存在大量错误概念.在错误概念中，学生对静电屏蔽原理理解得最差；其次是法拉第定律中不能区分磁通量及其变化率；在磁场力中不明白洛伦兹力的产生条件，及其大小的计算和方向的判断；在力，场，功和电势中对电势、场强、功等之间的关系掌握得不够好；在场的叠加中，容易将左手定则和右手定则的适用条件混淆等.学生对库仑定律掌握的相对比较好，但仍有少数学生对库仑定律中各个量的含义比较模糊.针对这些错误概念，分析出学生形成错误概念的原因可能是：（1）学习参考书中习题设计的不合理.（2）不恰当的类比.（3）力学中形成的错误概念的影响.（4）电磁学概念本身的抽象性等.并提出了通过引发学生的认知冲突，多利用数字媒体教学，关注学生类比能力的培养等方式提高学生对电磁学概念理解的建议.

1 Dr .Camille L. Wainwright. Toward Learning and Uder－standing Electricity：Challenging persistent Misconce－ptions.http：∥fg.ed.pacificu.edu／wainwright／indx.html

2 David P. Maloney，Thomas L.O′Kuma，Curtis Hiegge－lke，Alan Van Heuvelen.Surveying students′conceptual knowledge of electricity and magnetism.American Association of Physics Teacher.2001：12～28

3 王较过，李贵安.物理教学论.西安：陕西师范大学出版社，2013.195

4 陈琦，刘儒德.当代教育心理学.北京：北京师范大学出版社，2012.278

5 Cairo Dias Barbosa，José Gidauto Dos Santos Lima Junior.The use of web simulator as an auxiliary to the physical teaching：Concepts about electromagnetism in the distance education mode. American Journal of Electromagnetics and Applications，2014；2（4）：34～38