國內外電路學相關概念

一、人類對電本質理解的演進

在中國，古人認為「電」的現象是陰氣與陽氣相激而生成的，《說文解字》

有「電，陰陽激燿也，從雨從申」。《字彙》有「雷從回，電從申。陰陽以回薄而 成雷，以申洩而為電」。在《論衡》書中有關於靜電的記載，當琥珀或玳瑁經摩

擦後,便能吸引輕小物體，也記述了以絲綢摩擦起電的現象，但古代中國對於電 並沒有太多了解。

西元前 600 年左右，古希臘哲學家泰利斯（Thales,640-546B.C.）就知道琥 珀的摩擦會吸引絨毛或木屑，這種現象稱為靜電(static electricity)。而英文 中的電（Electricity）在古希臘文的意思就是“琥珀＂(amber)，希臘文的靜電 為(elektron)。18 世紀時西方開始探索電的種種現象，美國的科學家富蘭克林

（Franklin,1706-1790）認為電是一種沒有重量的流體，存在於所有物體中當物 體得到比正常份量多的電就稱為帶正電；若少於正常份量，就被稱為帶負電，所 謂「放電」就是正電流向負電的過程，這個理論並不完全正確，但是正電、負電 兩種名稱則被保留下來。電流的概念並首次被提出，1752 年富蘭克林在一個風箏 實驗中，證明了空中的閃電與地面上的電是同一回事。在 1800 年，義大利的伏 特（Voult,1745-1827）用銅片和錫片浸於食鹽水中，並接上導線，製成了第一 個電池，他提供首次的連續性的電源，堪稱現代電池的元祖。1831 年英國的法拉 第（Faraday,1791-1867）利用磁場效應的變化，展示感應電流的產生。1851 年 他又提出物理電力線的概念。這是首次強調從電荷轉移到電場的概念。

1865 年蘇格蘭的馬克斯威爾（Maxwell）提出電磁場理論的數學式，這理論 提供了位移電流的觀念，磁場的變化能產生電場，而電場的變化能產生磁場。馬 克斯威爾預測了電磁波輻射的傳播存在，而在 1887 年德國赫茲（Hertz）展示出 這樣的電磁波。結果馬克斯威爾將電學與磁學統合成一種理論。馬克斯威爾電磁 理論的發展也針對微觀方面的現象做出解釋，並指出電荷的分裂性而非連續性的 存在，1895 年羅倫茲（Lorentz）假設這些分裂性的電荷是電子（electron），而 電子的作用就依馬克斯威爾電磁方程式的電磁場來決定。1897 年英國湯姆生

（Thomson）證實這些電子的電性是帶負電性。而人類一直以自然界中存在的「粒 子」與「波」來描述「電」的世界。到了 19 世紀，量子學說的出現，使得原本

構築的粒子世界又重新受到考驗。海森堡（Werner Heisenberg）所提出的「測 不準原理」認為一個粒子的「移動速度」和「位置」無法同時測得；電子不再是 可數的顆粒；也不是繞著固定的軌道運行。1923 年，德布洛伊（Louis de Broglie）

提出當微小粒子運動時，同時具有粒子性和波動性，稱為「質-波二重性」，而薛 丁格（Erwin Schrodinger）用數學的方法，以函數來描述電子的行為，並且用 波動力學模型得到電子在空間存在的機率分布。

隨著科學的演進，人類逐漸理解「電」的物理量所能取得的數值是不連續 的，它們所反映的規律是屬於統計性的。雖然人類對｢電｣的探索與研究早就開 始，但直至二十世紀，才了解｢電｣具有波動和粒子的二元性。在科學知識的發展 上，｢電｣學概念的演進應算是漫長而仍持續發展的。

二、電路學迷思概念之研究

由實際從事國小自然科學教學的教師反映及師院負責輔導實習的教授得到 經驗，在電磁學單元中的電學單元是國小學生概念學習上較感困難的部分（陳義 勳，1994）。電學難學的主要原因是當學生初學電學課程時，很難接受或學會電 學的抽象概念如電壓、電流等，這些概念對一般的中學生而言，都很抽象（陳瓊 森，1993），遑論心智發展更未成熟的國小學生，導致學生對此概念之學習理解 未臻理想，就很難以電流、電力、電壓、電能等這些抽象的概念來推理、思考或 解決問題。以下就研究者蒐集有關國內外學者，針對電路學相關概念之研究提出 探討，分述如下：

Maichle(1981)探討學生在直流電路中，電池的電流如何傳遞的概念，研究 結果，發現85％的13至15歲學童，以及36位的大學生當中有15位，具有下列兩種 迷思概念：

1.每一顆新電池中已儲存好確定量的電流。

2.這些在電池中的電流，一段時間後會被電器用品給消耗掉。

而進一步探究電流如何被消耗掉的方式時，學童具有下列幾種模式：

1.單極模式：電池正極流出電流，到燈泡處因發亮完全消耗。

2.衝突模式：電池正負極分別流出電流，到達燈泡使燈泡發亮。

3.變弱模式：串聯兩顆燈泡時，正極端的電線電流較強，靠近正極的燈泡也較 亮。

4.分享模式：串聯兩顆燈泡時，正極端的電線電流較強，負極端的電線電流較 弱，但兩顆燈泡一樣亮。

Osborne(1983)針對8至12歲的學童，先提供他們乾電池、電線、燈泡等元件，

再請學童操作設法連接好電路使燈泡發亮，結果呈現學童具有四種單一電池極點 或燈泡接點的迷思模式：

1.電池正極直接碰觸燈泡基座。

2.電池正極連接一條電線到燈泡基座。

3.電池正極連接一條電線回到電池負極，然後把燈泡基座與電池正極相碰觸。

4.電池正極和負極各連一條電線到燈泡，但都接在燈泡的基座端。

Shepardon（l993）對四年級的學童進行質性晤談，研究發現:學童對電路概 念的認知乃基於先備程序性與陳述性的理解。在電路單元教學之前，學童即存有 多種電流模式，並以操作過程的程序性知識來描述電路，但在教學之後，學童對 電路便具有較精確的程序性理解，不過對電流模式仍不甚瞭解。Shepardson 和 Moje（1994）認為：兒童對電流的理解有助於電路的連結，反之，電路連結的理 解亦會有助於電流的理解。

徐順益（1986）對國民中學物理科教師的調查研究指出高達60％的教師，認 為電學直流電路部份的教學是極為困難或有困難，因此而建議，物理教師在職進 修的班級應該包含有「如何教電學」這一類的課程。

陳啟明(1991)在台灣中部地區，以封閉式的紙筆測驗來探究高一學生，共263 人有效樣本，從測驗得知學生在基本電學上最主要的迷思概念如下：

1.電流在電路中流經電路元件時，會被部份損耗。

2.電池所提供的總電流是定值的，不隨著電路中電路元件的變化而改變。

3.電池與燈泡形成通路的條件為：電池的二端接到燈泡的一端，不論底端或側 邊皆可。

4.局部性的推理，忽略部分電路的變化對整體電路的影響。

5.以電流逐步覆蓋電路的想法，即上游電路元件與電壓不受下游電路元件改變 的影響來推理。

陳瓊森（1993）利用二段式紙筆測驗，並施以結構性晤談，探究24位高一學 生在直流電路的概念結構。研究結果發現學生的直流電路受電池的作用的概念，

可分為三大類型：

1.電池提供固定電壓型。

2.電池提供固定電流型。

3.電池提供固定電壓電流混合型。

此外，針對並聯電路中的「節點」，學生也有不同的想法。陳瓊森（1993）

發現高中生對並聯電路與節點間電流之關係的想法可歸納成下列幾種：

1.總電流等於分支電流的和，且路徑長的電路分配較少的電流。

2.總電流等於分支電流的和。

3.總電流平均分配電流給分支。

4.並聯電路電流相等。

王淑琴和郭重吉(1994)以紙筆測驗方式研究109 位大學一年級修畢普通物 理之學童，再分析學童回答後，篩選出6 位具有代表性的學童，進行DOE 晤談以 探究其電學方面的另有架構。研究中指出大學生在電學方面較共通的另有架構

有：1.電池提供定值電流。2.對直流電路有局部的推理。3.對電流微觀概念具有 鋼珠模型。4.具有順序推理法則。5.電流微觀模型有受阻模式。6.泛用歐姆定律。

7.電位差與電位能同義。8.電阻大則消耗能量多。

葉俊豪、陳瓊森（ 1995）在利用定性與定量測驗來探究學生對直流電路的 知識結構，研究以紙筆測驗與個別晤談了解高二學生直流電路概念、直流電路問 題之知識結構，發現串聯電路中受到「電壓」、「電流」、「電阻」的各種相關 概念的影響，可分為：

1.串聯電路中的電流相等及電阻會消耗電流。

2.串聯電路之總電阻為分電阻的和。

3.串聯電路總電壓為各個電阻分電壓之和。

4.串聯電路中個別電阻的電壓都等於電池的電壓。

5.串聯電路電壓遞減。

6.串聯電路的電阻值會依序累積，故後面電路的電阻值等於其與之前所有電 阻值的加總。

7.串聯電路中個別電阻的電流等於電池的電壓除以其個別電阻值。

8.串聯電路的電阻均分電池的電壓與電阻值的大小無關。

另外受試者對於並聯電路中，受到「電壓」、「電流」、「電阻」概念影 響，所產生的並聯電路概念有：1.並聯電路電壓相等； 2.並聯電路總電壓為各 個電阻電壓之和； 3.並聯電路電流相等； 4.並聯後電阻之和等於分電阻； 5.

並聯電路中各分支電流都等於電池的電流； 6.有從共同節點畫出來的分支才算 並聯； 7.節點處，總電流等於各分支電流之和； 8.節點處，總電流平均分配給 各分支電流。

謝秀月(1993)以國小自然科學第十二冊電動機單元為例，探討科學教材(教 科書和教學指引)內容的迷思概念，對學童學習科學概念的影響。在報告中深入

探討教材中可能導致教師與學童產生另有想法的內容，針對部分可能誤導學童與 教師的內容說明其原理加以說明，並提出修正教材的建議。例如：「電動機會轉 動，是因為磁鐵的相同磁極互相排斥造成的，所以電樞必須纏繞鐵釘才可以使電 動機轉動」的迷思概念。許多教師就誤以為一定要使用鐵釘作鐵心當電樞，才能

探討教材中可能導致教師與學童產生另有想法的內容，針對部分可能誤導學童與 教師的內容說明其原理加以說明，並提出修正教材的建議。例如：「電動機會轉 動，是因為磁鐵的相同磁極互相排斥造成的，所以電樞必須纏繞鐵釘才可以使電 動機轉動」的迷思概念。許多教師就誤以為一定要使用鐵釘作鐵心當電樞，才能