高中物理功的迷思概念調(diào)查研究

高中物理功的迷思概念調(diào)查研究顏開申俊偉李賀國（吳川市第一中學(xué)524500）摘要功是物理概念中比較抽象的概念之一，在高中物理中起著重要的作用。功是能量轉(zhuǎn)化的量度。有關(guān)功的相關(guān)概念的教學(xué)是否完整、到位、正確，不僅關(guān)系到功的計算能力的提高，而且直接關(guān)系到學(xué)生對能的全面理解，并最終影響學(xué)生有關(guān)學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。本文通過試題評測和抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)了功的相關(guān)內(nèi)容之后，仍然存在的主要迷思概念，并對主要迷思概念的產(chǎn)生原因進行了分析，得出傳統(tǒng)的教學(xué)難以轉(zhuǎn)變學(xué)生的迷思概念的結(jié)論，最后提出了改革物理課堂教學(xué)策略的一些教學(xué)建議。關(guān)鍵詞功迷思概念調(diào)查研究一、調(diào)查目的本調(diào)查旨在了解高中學(xué)生在物理《功》的學(xué)習(xí)過程中是否普遍存在迷思概念的現(xiàn)象，并通過調(diào)查找出迷思概念產(chǎn)生的原因，為改革我國傳統(tǒng)的物理課堂教學(xué)提供理論和實踐依據(jù)。本研究屬于全國教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃國家一般項目《信息技術(shù)環(huán)境下促進理解的有效教學(xué)研究》的子課題《信息技術(shù)環(huán)境下促進學(xué)習(xí)者辨析迷思概念的研究》的研究內(nèi)容。二、調(diào)查方法1、調(diào)查對象本調(diào)查的研究對象取自廣東省國家級示范性普通高中吳川市第一中學(xué)2022屆高二年級3個教學(xué)班的學(xué)生，共183人進行測試。其中有效答卷153份。被試兩班均為理科平行班，學(xué)生年齡分布為17-18周歲。被調(diào)查學(xué)生均已學(xué)過高中物理功的相關(guān)知識。2、評測工具（1）自編《高中物理功迷思概念測試題》。測試題為半開放性試題，測試時間為2022年4月10日。試題編寫結(jié)合我們多年來的教學(xué)經(jīng)驗，針對學(xué)生易混淆、易出現(xiàn)“迷思”的問題編寫而成的診斷性試題。（2）依據(jù)（1）設(shè)計的問題進行統(tǒng)計分析的結(jié)果，針對反映出來的問題和一些測試題中無法體現(xiàn)或體現(xiàn)較模糊的問題對學(xué)生進行抽樣調(diào)查，以探求學(xué)生產(chǎn)生迷思概念的原因。三、調(diào)查項目設(shè)計與分析本次評測問卷共五道大題，分別從功的物理意義；摩擦力做功；作用力與反作用力做功；平衡力做功；洛倫茲力做功；力和位移的大小和方向的判斷等問題對學(xué)生的迷思概念進行檢測。下面是每道題的統(tǒng)計分析。1、用自己的話說說你對“功”這個概念的理解。（1）設(shè)計目的：以開放性問題探求高中生對功的概念的心智模型。（2）結(jié)果統(tǒng)計：說明方式結(jié)果統(tǒng)計百分比如果一個物體受力的作用，且在力的方向上發(fā)生一段位移，則這個力對物體做了功。（或類似）87%功是能量轉(zhuǎn)化的量度。（或類似）42%其他18%未答6%合計153（3）主要的發(fā)現(xiàn)與分析：在高中階段，我們希望學(xué)生對功的理解建立在“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一心智模型的基礎(chǔ)之上。但從學(xué)生的回答情況來看，只有%的學(xué)生做到了這一點，%的學(xué)生對功這一概念的理解還停留在初中所學(xué)的“機械功的定義”的水平。出現(xiàn)這種情況的主要原因是高中階段學(xué)生做了大量“判斷某個力是否做功”的訓(xùn)練題，使得“機械功的定義”被過度強化所致。在其他回答中，主要答案是類似“功是力在空間上的積累”的說法。我們認為這并不意味著這部分學(xué)生對功的理解水平到了更高的層次，他們只是對老師上課時拓展的這個內(nèi)容有著模糊的理解或印象。2、判斷以下說法的正誤，并說明理由。（1）設(shè)計目的：檢測高中生對摩擦力做功、作用力與反作用力做功和平衡力做功的迷思概念。（2）結(jié)果統(tǒng)計：問題回答是否未答合計①靜摩擦力一定不做功，滑動摩擦力一定做功。181323153②靜摩擦力一定做正功，滑動摩擦力一定做負功。51417153③如果一個力做正功，它的反作用力一定做負功。57906153④平衡力做功的代數(shù)和一定為零。135162153（3）主要的發(fā)現(xiàn)與分析：統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在第①②④這三問中超過86％的學(xué)生能正確回答，其中%的學(xué)生能正確的舉例說明，%的學(xué)生答對但沒有舉例，另外%的學(xué)生答對但舉出了錯誤的例子。這是由于學(xué)生已經(jīng)多次做過這樣的問題，不論是否真正理解，大多都能憑印象答對。但第③問在多次做過的情況下仍有%的學(xué)生做錯或未答，說明學(xué)生對作用力和反作用力做功存在迷思概念，他們只注意到作用力與反作用力“大小相等，方向相反”的特點，而忽視了這兩個力是“作用在不同的物體上”，而不同的物體可以有不同的位移。aab3、如圖所示，斜面a放在光滑的水平面上，斜面光滑，把b物體放在斜面的頂端由靜止開始滑下，則在下滑過程中，a對b的彈力對b做功嗎？為什么？（1）設(shè)計目的：檢測高中生對“力的方向上的位移”的理解。（2）結(jié)果統(tǒng)計：回答結(jié)果統(tǒng)計百分比做功，b在彈力的方向上有位移31%不做功，b在彈力的方向上沒有位移119%未答3%合計153（3）主要的發(fā)現(xiàn)與分析：從學(xué)生回答的情況來看，只有%的學(xué)生能發(fā)現(xiàn)由于斜面a向右滑動，b物體的對地運動方向并不是沿著斜面向下，因此與彈力的夾角大于90度，應(yīng)該做負功。由于答錯的學(xué)生給出的理由都是“彈力的方向與b運動的方向垂直”，而并沒有說明斜面是否運動，我們第二天在答錯的學(xué)生中進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其中約23%的學(xué)生是由于認為斜面固定在地面而答錯，另外77%的學(xué)生則是明知斜面向右移動還做出了錯誤的回答。說明大部分學(xué)生對高中階段求功時速度和位移都應(yīng)以地面為參考系這一要求沒有明確的認識。FFA4、如圖所示，物體A的質(zhì)量為2kg，置于光滑的水平面上，水平拉力2N，不計繩子與滑輪的摩擦和滑輪的質(zhì)量，在物體A向右移動0.4m的過程中，請計算拉力F做功多少？（1）設(shè)計目的：檢測高中生對“力的作用點的位移”的理解。（2）結(jié)果統(tǒng)計：回答結(jié)果統(tǒng)計百分比W=F×S=2N×(2×m)=129%W=F×S=2N×m=20%其他答案或未答4%合計153（3）主要的發(fā)現(xiàn)與分析：本題學(xué)生答對率很高，說明教師在教學(xué)中注重對“力的作用點的位移”這一要點的強調(diào)，學(xué)生普遍掌握得比較好。5、如圖所示，在豎直平面內(nèi)放置一玻璃管，在玻璃管的a端放置一個直徑比玻璃管直徑略小的帶負電小球。玻璃管右邊的空間存在著垂直于紙面向外的勻強磁場。磁場的左邊界與玻璃管平行，右邊界足夠遠。玻璃管帶著小球以水平速度v0垂直于左邊界向右運動，由于水平外力的作用，玻璃管進入磁場后速度保持不變，經(jīng)一段時間后小球從玻璃管b端飛出。問：在這個過程中小球所受的洛倫茲力做功嗎？為什么？····································Labv0B（1）設(shè)計目的：綜合檢測學(xué)生對洛倫茲力做功和“力的方向上的位移”的理解。（2）結(jié)果統(tǒng)計：回答結(jié)果統(tǒng)計百分比做功，洛侖茲力向上，小球位移向上，力的方向上有位移。95%不做功，洛侖茲力始終與小球運動方向垂直，力的方向上沒有位移。30%不做功，洛侖茲力提供向心力，向心力方向始終與小球運動方向垂直。18%未答10%合計153（3）主要的發(fā)現(xiàn)與分析：本題為高中物理的難點和易錯點，對學(xué)生的能力有很高的要求。在答錯的%的學(xué)生中，所有學(xué)生給出的理由都是：小球隨玻璃管一起向右運動，由左手定則判斷洛倫茲力向上，使小球向上加速，因此力的方向上有位移，洛倫茲力作正功。這部分同學(xué)沒有考慮到由于小球向上加速，合速度（對地）的方向應(yīng)該斜向上，而洛倫茲力應(yīng)該垂直于合速度的方向。雖然有%的學(xué)生給出了正確的判斷，但都沒有在試卷上給出令人信服的解釋。其中部分學(xué)生給出的理由居然是“洛侖茲力提供向心力，向心力方向始終與小球運動方向垂直”，說明他們實際上根本沒有分析清楚物理過程。為了確定答對的學(xué)生是否清楚洛侖茲力不做功的原因，我們在第二天通過個別提問的方法對給出正確判斷的部分學(xué)生進行抽樣調(diào)查。在抽樣調(diào)查的六名學(xué)生中，有一人能正確說明在這個問題中洛侖茲力不做功的原因，其余五名學(xué)生都提到老師在課堂上說過“洛倫茲力總是與速度方向垂直，所以永不做功”，因此他們給出了“不做功”的判斷。本題反映出學(xué)生在兩個問題上存在“迷思”。一是對洛倫茲力的方向應(yīng)該垂直于合速度的方向這一點沒有明確的認識；二是對合力做的功應(yīng)該等于各分力做功的代數(shù)和這一基本方法掌握不好。四、調(diào)查總結(jié)通過試題評測和抽樣調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)完高中物理“功”的相關(guān)內(nèi)容后仍然存在不少“迷思概念”，現(xiàn)總結(jié)如下：1、部分學(xué)生把功的物理意義等同于初中物理“機械功的定義”，很少考慮凡是能量轉(zhuǎn)化的過程都必然伴隨著做功，功是能量轉(zhuǎn)化的量度。2、大部分學(xué)生對高中階段求功時速度和位移都應(yīng)以地面為參考系這一要求沒有明確的認識。3、對合力做的功應(yīng)該等于各分力做功的代數(shù)和這一基本方法掌握不好。五、教學(xué)建議針對調(diào)查中出現(xiàn)的上述問題，我們提出以下教學(xué)建議。1、教師在分析判斷做功問題時應(yīng)多提及做功時伴隨著哪些能量轉(zhuǎn)化，使學(xué)生脫離初中“機械功”的框架。2、教師在處理解題步驟時應(yīng)重視參考系的選取。3、合力做的功等于各分力做功的代數(shù)和這一基本方法在習(xí)題中較少遇到，但教師應(yīng)給予足夠的重視。