分析高中生对电磁感应实验的推理外文翻译资料

分析高中生对电磁感应实验的推理

作者：Katarina Jelicic,1,2 Maja Planinic,1,* and Gorazd Planinsic3

国籍：克罗地亚

出处：The American Physical Society

中文译文：

摘要

电磁感应是一个重要而又复杂的物理主题，属于克罗地亚高中课程的一部分。 使用六个电磁学的演示实验（其中三个与电磁感应有关）对9名克罗地亚人的物理能力不同的高中学生进行了采访。 要求学生观察，描述和解释实验。 对学生解释的分析表明，电磁学的基本概念，特别是在认识和解释电磁感应现象方面，存在许多概念和推理上的困难。 在面试知识框架内描述和分析了访谈中形成的三种学生电磁感应的心理模型，这些模型在学生中屡见不鲜。

1. 导言

电磁感应是一个复杂的物理主题，它结合了电磁学中许多定律和概念的知识。在对电磁感应进行推理时，学生必须整合并应用有关基本概念的知识，例如磁场，磁通量，洛伦兹力，电动势（emf），电场，电流和电磁力。电磁学领域的先前研究表明，学生在电磁感应方面存在许多困难，但在潜在的电磁概念方面也存在许多困难。

关于学生对电磁的理解归纳法，一些研究记录了学生识别和解释该现象的能力较弱，并进行了相关的实验。为了研究学生如何形成解释性假设，Park [9]在他们的电学和磁学课程之前采访了六个大学物理教育专业的学生，发现学生在实验中并没有意识到电磁感应现象，因为磁铁掉在里面铝管。他们所有六个人都预计塑料和铝管的下降时间相同。 Loftus [13]在了解电磁感应的情况下调查了中学生的困难。学生们必须解释三个实验（闭环悬浮和不让悬浮环悬浮在电磁体上，将电磁线圈移动到电磁体上时点亮灯以及加热电磁炉上的烹饪锅）。研究表明，学生在实验解释方面存在问题，只有少数学生成功地正确解释了每个实验。错误的推理通常包括代理发送和对象接收某种东西（例如，力，电荷，光）来解释观察结果。一些学生期望该主体和物体需要物理接触才能发生这种现象。

感应电动势的原因，感应电动势与感应电流之间的差异以及确定感应电流方向的方法通常对于学生来说尚不清楚。 Bagno和Eylon [8]的研究发现，只有10％的学生提到磁场变化是感应电动势的原因，并且学生难以正确应用伦茨定律。当确定感应电流或感应磁场的方向时，学生们似乎常常把“反对变化”这一短语误解为“处于相反的方向”。 Guisasola等。 [12]发现，超过20％的一年级大学生将感应电流或电动势解释为归因于该区域或空间中（不变的）磁场的存在。学生们似乎认为穿过环的磁力线是感应电动势的原因。 Thong和Gunstone报告[16]表示，大多数被调查的学生（大学本科二年级学生，以物理为主要学科）并不了解库仑磁场和感应电场之间的差异，并试图用静电势来描述感应电场。当没有感应电流时，学生也难以识别感应电动势[13]。磁通量似乎是一个很难理解的概念，学生倾向于将其与磁场混淆。在一些研究中记录了一年级大学生的这种趋势以及他们没有注意到作为电磁感应原因的磁通量的变化[3,16]。 Saareleinen，Laaksonen和Hirvonen [3]发现了许多学生对电场和磁场概念的困难，并建议学生对电场和磁场的理解不佳，因为矢量场可能解释了学生从库仑理论概念图转变的困难。 （主要依靠力的概念）到麦克斯韦式（主要使用场的概念）。这些困难也将反映在学生对磁通量概念的理解不充分的基础上，除了对磁场概念的困难外，还包括对磁场线的理解[4,5]，以及要求给磁通量分配一个向量。表面[3]。由于磁通量概念和变化率概念的困难，学生们经常使用法拉第定律而没有足够的不足之处，站立[12,16]。

在更高级的水平上，一些研究证明了大学生在认识到执行法拉第定律的正确整合途径时遇到的问题，特别是在涉及运动方程[14,15]的问题中，以及他们无法理解洛伦兹定律的等价问题。力和电磁感应现象的场模型解释[15]。

J给出了学生关于EMI的困难的概述，我们在这里以更简洁的形式讨论了这一问题，并增加了有关伦茨定律的困难[8]。确定的主要学生困难似乎如下：

bull;在课程中教授的现象难以识别EMI；

bull;在没有感应电流时难以识别EMI；

bull;解释由磁场引起的EMI；

bull;理解磁通量的概念，并用磁场识别磁通量；

bull;在没有适当理解的情况下适用法拉第法律；

bull;难以理解和应用伦茨定律；

bull;基于场模型（法拉第定律）和洛伦兹力，难以理解感应现象解释的等价性；

bull;将法拉第定律中的电路区域与积分区域混淆。

先前研究中记录的另一层学生困难可能是认识论性质的。 Bagno和Eylon研究了初中学生对电磁学的了解[8]的结构，发现他们缺乏电磁学上的思想层次，并且通常不认识中心思想。他们的结果表明，学生的知识结构缺乏组织性，导致检索信息时遇到困难，并且学生倾向于记住数学关系而不发展必要的概念性理解。当学生思考电磁现象时，知识的缺乏组织和学生对其连贯性的需求不足[21]。

这项研究的目的是调查高中生的心理模型和电磁感应的推理困难，并回答以下问题

研究问题：

bull;高中学生在电磁感应推理方面的主要困难是什么？

bull;学生掌握哪种电磁感应心理模型，并且一直使用它们吗？

2 理论背景

与机械学不同，电磁学的概念和现象通常不是学生日常语言和经验的一部分，因此，与电磁学相比，学生在电磁学中拥有强大的预先形成的概念的可能性较小[22]。这在高中生中尤为明显，因为电磁学的领域并不是他们在高中上课之前会接触太多的东西，除了在小学时非常短暂。大多数有关学生对电磁概念理解的物理学教育研究都涉及大专或大学学生，而很少有高中生。但是，在高中（可能的情况下），学生可以构成物理学的概念基础，包括一些物理现象的心理模型，这些模型以后可以进一步扩展和完善。

3 数据收集与分析

我们采访了克罗地亚萨格勒布三所不同学校的九名高中生。被采访者学生（年龄16-17岁）是他们的第三年四年制高中课程，交通便利采样。便利抽样是一项非概率抽样，由根据其便捷的可访问性选择主题组成[34]。参加者是通过面试官（K. J.）老师网络选择的。选出这9名学生的学校是普通城市学校，都遵循相同的物理课程，在四年的高中教育期间每周有两次物理课，并且没有进行任何数学或物理的课外活动。在这些高中，物理是一门必修课。克罗地亚的分级系统是一个五级系统，等级从最低（不令人满意1）到最高（优异5）不等。从每所学校中选出了三名学生，其中上一学期的最终物理成绩从平均（3）到优秀（5）不等。

所有采访均在不迟于一个月后进行学生对电磁学的最终评估。根据学生对物理课的描述，使用传统方法向学生讲授物理知识，包括电磁学领域。这种方法主要包括通过讲课进行教学，并由老师进行了一些示范，但没有学生进行动手实验。在面试之前，向学生解释并描述了面试的目的和过程，只有同意的学生才能参加。参与是自愿的，学生没有因参与而获得奖励。在面试过程中，向学生展示了六个演示性实验，他们可以自己进行研究：

1. Oersted实验（图1），

图1.实验1：奥斯特实验。 将一根电线放在指南针上方，然后接通电流。

1. 演示电流周围各个点的磁场方向的实验，载流线圈（图2），

图2.实验2：展示载流线圈周围各个点的磁场方向。 将小罗盘放在线圈内，然后接通电流。 在演示过程中，学生可以将指南针移动到线圈内部和周围。

1. 一个实验，证明载流线上的磁力（图3），

图3.实验3：展示载流线上的磁力。接通电流时，根据磁体的方向，载流导线会向上或向下跳动。

1. 展示了使用一个线圈和一块磁铁的电磁感应的实验（图4），

图4.实验4：演示电磁感应。将磁铁插入线圈中，在其中放置一段时间，然后再次从线圈中取出。允许学生自己进行实验，以尝试进入线圈的磁体的不同方向或速度。显示了另一个实验，该实验使用了另一个线圈，其绕组数少于第一个。

1. 展示了使用两个线圈和磁铁的电磁感应的实验（图5），以及一个演示伦茨定律的实验（图6）。

图6.实验6：论证伦茨定律。 将铝环从绳子上悬挂下来，并与带有铁芯的大线圈（电磁铁）平行放置。 直流电源打开，一段时间后关闭。

学生们最熟悉的是实验1、4、6，是他们的老师进行的示范性实验，而不是实验2、3和5。在开始第一个实验之前，先进行了一项不包括在研究中的附加实验。如图所示，这样学生就可以练习这项研究必需的思考型技巧[35]。这项额外的实验包括将指南针放在学生面前，并要求他们描述他们所观察到的情况，并提供解释说明为什么针总是最终指向同一方向，但是却被旋转了。

在六个实验的每个实验中，要求学生观察实验并描述他们的观察结果。在向面试官保证学生注意到了感兴趣的现象之后，她要求他们为观察结果提出一个解释，而又不试图影响或干扰他们的推理。如果学生得出了错误的结论，他们并没有得到纠正，而是提出了一些其他问题，这些问题挑战了他们的推理能力，以便获得有关其解释的更多信息。采访的平均时间为45分钟。有些采访比较短，有些比较长。有些发生在放学前（克罗地亚的学生有时在下午上学），有些则在放学后发生。所有学生似乎都有动力，并且一直待到面试结束，尽管他们可以随时离开，甚至在面试过程中也可以离开。有趣的是，最短的采访（27分钟）是与其中一个男孩（Saul_3）一起进行的，他非常有进取心，并且表现出了很多事实和概念知识，因此很快就得出了他关于实验的结论。女孩通常比男孩更健谈，每次对女孩的采访都持续了超过45分钟，而对男孩的采访则少于45分钟。没有一个学生在面试过程中表现出注意力的丧失，例如，通过在结尾时给出较短的答案或不提供任何答案。面试后，学生会得到有关他们的答案的反馈，并有机会与面试官讨论他们的答案。

4 结果与讨论

前三个实验被认为是入门实验。在进行最后三个有关电磁感应的实验之前，我们试图了解学生的电磁学基础知识。表I和表II列出了学生对每个实验的解释及其主要困难的摘要。

5 研究与讨论

研究结果表明，用传统方法讲授物理的高中生可能对电磁学的基本概念缺乏功能上的理解，这也可能严重妨碍他们对电磁感应这一复杂现象的推理。他们在推理中表现出许多概念上和程序上的困难。在回答我们的第一个研究问题时，我们已经确定并描述了这些困难。据我们所知，其中一些是从以前的研究中已知的，但某些以前尚未被发现。学生们知道载流线会产生磁场，但是即使进行了实验也未能描述它。他们将电效应与磁效应相混淆，无法确定磁力的方向，完全避免了磁通量的概念。这些发现与马洛尼的研究一致等。 [1]。新的困难与学生对磁场线的形状，磁极的位置以及线圈的磁场起源的误解有关。一个突出的新困难是，当线圈没有电流流过时，线圈可能会产生磁场，这在访谈中曾多次表达，这是学生对电磁感应的解释的一部分。

在传统的电磁学教学开始后一个月，学生似乎没有电磁感应模型，并且在提示他们构造一些模型但没有帮助的过程中，他们主要基于简化的推理元素构造了不足的模型（ p-prims）和可用的概念性资源。对教学的重要暗示可能是，应鼓励学生在互动环境中在教学过程中更多地创建解释和模型，在那里他们可以与其他学生和老师讨论他们的不同模型，并有机会测试他们的模型。想法，然后加以完善。本研究中发明的模型仅少数学生一直使用。看来，对于大多数学生而言，模型是用于创建解释的临时工具，并且他们并没有过多地担心在不同的解释中保持一致。如果可能的话，物理老师应该尝试创造和利用机会，以获取见识并干预学生的推理，

这项定性研究的结果在创建有关电磁感应的调查表时得到了应用，该调查表已在克罗地亚的大量高中生样本中使用。不久之后，我们计划分析和发布该数据，以量化学生在电磁感应方面的困难，并提供解决这些问题的教程。

Analyzing high school studentsrsquo; reasoning about electromagnetic induction

Katarina Jelicic,1,2 Maja Planinic,1,* and Gorazd Planinsic3

1Department of Physics, Faculty of Science, University of Zagreb, Bijenicka 32, 10000 Zagreb Croatia

2XV. gymnasium, Jordanovac 8, 10000 Zagreb, Croatia

3Department of Physics, Faculty of Mathematics and Physics, University of Ljubljana,

Jadranska

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