物理概念學習之挑戰及處方

Wheijen Chang^1*

¹物理系, 國立彰化師範大學, 彰化縣, Taiwan

* Presenter:Wheijen Chang, email:wjnchang@gmail.com

● 高山上的氣壓特別低，是因為高度高、溫度低、空氣稀薄，或以上皆是呢?
● 鎢絲燈泡並不符合「歐姆定律」，那麼V=IR成立嗎? P=V²/R可以用嗎?
● 氦氣球升空的過程，力學能能否守恆?浮力是保守力嗎?
● 「杜卜勒效應」公式中的速度(v)，是相對於什麼參考點?
物理概念的理解，經常困擾著學生，而生活中處處皆物理的奧妙，卻總是令人神往。本文整合筆者過去多年來研究結果，及發表在「物理雙月刊」「觀念物理」專欄，20餘篇文章(及學習單)的內容，歸納出國內學生物理概念學習的常見困難。包含:
(1)定律限制條件的掌握:學生套用公式時，常忽略了定律的限制條件，或過度解讀該定律的限制，例如:角動量守恆時，動量是否必然守恆?反之又如何呢?
(2)因果關係的理解及推導:因果關係是物理概念的重要元素，但物理公式並未展現其因果關係，而推導流程也不一定順著物理量間之因果流程，造成解題的困難。
(3)物理量的指認與系統取定:解題時需確認公式中物理量的指認對象，而其依據常取決於因果關係的釐清，進而影響系統的取定。例如:引用「力學能守恆」時，重力是內力還是外力?系統是否包含地球?
(4)相似術語的比較及釐清:術語是概念推理最基本的工具，若術語意義混淆不清，將無法有效理解概念的意義。如:「功能定理」的“能”，指的是哪種能量? F=ma的F是什麼力? a是哪種加速度?磁力線與磁力有何不同?
(5)多重定律的選定及整合:學生心目中有許多熱門定律(公式)，這些熟悉的定律，往往扼殺了其他相關定律的引用，導致解題的瓶頸。如:PV=nRT，PM=ρRT，P=ρgh三個與氣壓有關的公式，適用的對象各為何?理論模型有何不同?
上述的困難突顯了物理教與學所需注意的概念細節，透過生活實例或演示教具，搭配問題，進行問與答，可以有效協助學生掌握這些細節，理解物理概念的因果邏輯，進而靈活地引用在解題上。

Keywords: 物理概念, 學習困難, 物理演示, 概念改變