高中物理功的迷思概念調查研究

高中物理功的迷思概念調查研究顏開申俊偉李賀國（吳川市第一中學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。功是能量轉化的量度。有關功的相關概念的教學是否完整、到位、正確，不僅關系到功的計算能力的提高，而且直接關系到學生對能的全面理解，并最終影響學生有關學習能力的培養(yǎng)。本文通過試題評測和抽樣調查發(fā)現(xiàn)了學生在學習了功的相關內容之后，仍然存在的主要迷思概念，并對主要迷思概念的產生原因進行了分析，得出傳統(tǒng)的教學難以轉變學生的迷思概念的結論，最后提出了改革物理課堂教學策略的一些教學建議。關鍵詞功迷思概念調查研究一、調查目的本調查旨在了解高中學生在物理《功》的學習過程中是否普遍存在迷思概念的現(xiàn)象，并通過調查找出迷思概念產生的原因，為改革我國傳統(tǒng)的物理課堂教學提供理論和實踐依據(jù)。本研究屬于全國教育科學“十一五”規(guī)劃國家一般項目《信息技術環(huán)境下促進理解的有效教學研究》的子課題《信息技術環(huán)境下促進學習者辨析迷思概念的研究》的研究內容。二、調查方法1、調查對象本調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2022屆高二年級3個教學班的學生，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，學生年齡分布為17-18周歲。被調查學生均已學過高中物理功的相關知識。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。試題編寫結合我們多年來的教學經(jīng)驗，針對學生易混淆、易出現(xiàn)“迷思”的問題編寫而成的診斷性試題。（2）依據(jù)（1）設計的問題進行統(tǒng)計分析的結果，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)較模糊的問題對學生進行抽樣調查，以探求學生產生迷思概念的原因。三、調查項目設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）結果統(tǒng)計：說明方式結果統(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，我們希望學生對功的理解建立在“功是能量轉化的量度”這一心智模型的基礎之上。但從學生的回答情況來看，只有%的學生做到了這一點，%的學生對功這一概念的理解還停留在初中所學的“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生做了大量“判斷某個力是否做功”的訓練題，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％的學生能正確回答，其中%的學生能正確的舉例說明，%的學生答對但沒有舉例，另外%的學生答對但舉出了錯誤的例子。這是由于學生已經(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%的學生做錯或未答，說明學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）設計目的：檢測高中生對“力的方向上的位移”的理解。（2）結果統(tǒng)計：回答結果統(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：從學生回答的情況來看，只有%的學生能發(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，應該做負功。由于答錯的學生給出的理由都是“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生中進行調查，發(fā)現(xiàn)其中約23%的學生是由于認為斜面固定在地面而答錯，另外77%的學生則是明知斜面向右移動還做出了錯誤的回答。說明大部分學生對高中階段求功時速度和位移都應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）設計目的：檢測高中生對“力的作用點的位移”的理解。（2）結果統(tǒng)計：回答結果統(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：本題學生答對率很高，說明教師在教學中注重對“力的作用點的位移”這一要點的強調，學生普遍掌握得比較好。5、如圖所示，在豎直平面內放置一玻璃管，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）設計目的：綜合檢測學生對洛倫茲力做功和“力的方向上的位移”的理解。（2）結果統(tǒng)計：回答結果統(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，對學生的能力有很高的要求。在答錯的%的學生中，所有學生給出的理由都是：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。這部分同學沒有考慮到由于小球向上加速，合速度（對地）的方向應該斜向上，而洛倫茲力應該垂直于合速度的方向。雖然有%的學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生進行抽樣調查。在抽樣調查的六名學生中，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。本題反映出學生在兩個問題上存在“迷思”。一是對洛倫茲力的方向應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、調查總結通過試題評測和抽樣調查，我們發(fā)現(xiàn)學生在學完高中物理“功”的相關內容后仍然存在不少“迷思概念”，現(xiàn)總結如下：1、部分學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化的過程都必然伴隨著做功，功是能量轉化的量度。2、大部分學生對高中階段求功時速度和位移都應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、教學建議針對調查中出現(xiàn)的上述問題，我們提出以下教學建議。1、教師在分析判斷做功問題時應多提及做功時伴隨著哪些能量轉化，使學生脫離初中“機械功”的框架。2、教師在處理解題步驟時應重視參考系的選取。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題中較少遇到，但教師應給予足夠的重視。