חשמל הוא אחד התחומים הבסיסיים בפיסיקה שיש לו חשיבות רבה בכל הרמות השונות של הוראת הפיסיקה. הוא נושא קשה והרבה תלמידים מצהירים שהם לא מבינים את הנושא. מצב זה שונה מתחומים אחרים בפיסיקה כאשר בתחומים אלה התלמידים לפחות מאמינים שהם מבינים.

במהלך העשרים שנים האחרונות, נערכו הרבה מחקרים בתחום הנ"ל. רוב המחקרים הנ"ל התייחסו לתפיסות ולתמונות השכליות, Mental Models, שיש ללומדים בגילאים שונים והתמקדו בעיקר בתפקודם, Functioning, של מעגלים חשמליים פשוטים (רמה מאקרוסקופית). מתוך המחקרים הנ"ל נמצא שההבנה של התפיסות והמושגים הבסיסיים בחשמל אינה משימה פשוטה, שהתפיסות האלטרנטיביות שהלומדים מחזיקים בהם עקשניות ועמידות מאוד בפני שינוי ושחלק מהתפיסות האלטרנטיביות נוצרו במהלך ההוראה.

בהמשך, נציג סקירת ספרות שבה סיכום לחלק גדול מהמאמרים הנ"ל שטיפלו בנושא של תפיסות ותמונות שכליות השורדות בקרב תלמידים בגילאים שונים ואף בקרב מורים אודות הנושא של מעגלים חשמליים פשוטים. סקירה זו מתארת את הממצאים העיקריים של המחקרים הנ"ל המתארים את התפיסות ואת התמונות השכליות אודות הנושא הנ"ל והן משליכות אור על הקשיים הקוגניטיביים המונעים מהתלמידים לאמץ את התפיסות המקובלות מבחינה מדעית.

סקירת ספרות:

חשמל הוא נושא קשה ומחקרים אחדים הראו שההבנה של התפיסות והמושגים הבסיסיים בחשמל אינה משימה פשוטה (Gentner & Gentner, 1993; White, Frederiksen & Spoehr, 1993). זה נובע מכמה גורמים ביניהם:

         א.         חשמל הוא תחום "בלתי-נראה" ואינו מוחשי בשונה ממכניקה ותחומים אחרים בפיסיקה (Biswas, Schwartz, Bhuva, Bransford, Balac & Katzlberger, 1997). למשל, לא ניתן לראות אלקטרונים זורמים בתוך החוטים כהוכחה לקיומו של זרם חשמלי. ולא ניתן להרגיש בהפרש הפוטנציאלים או במתח הקיים בין שתי נקודות בחוט ואף לא ניתן לראות אותו. ניתן להבחין ולראות שמנורה של 10 ואט דולקת בצורה יותר בהירה מאשר מנורה של 5 ואט, אבל לא ניתן לראות את הזרם או להרגיש בהתנגדות שגרמו לאפקט זה כמו שמרגישים בהשפעה של כוחות החיכוך כאשר דוחפים גוף בעל מקדם חיכוך מסויים מעל למשטח בעל מקדם חיכוך שונה. אי ההתנסות המוחשית בחשמל גורמת לכך שהתלמידים נדרשים ללמוד תחום מורכב "ובלתי-נראה", דבר המקשה עליהם להתמודד עם המושגים האבסטראקטיים והבסיסיים בחשמל כמו זרם ומתח (Biswas, Schwartz, Bhuva, Bransford, Balac & Katzlberger, 1997).

         ב.         מושגים בסיסיים בחשמל כמו: זרם, מתח והתנגדות נעשה בהם שמוש בשפה היום-יומית והם מקבלים משמעות ופרשנות שונות מאשר המשמעות והפרשנות הקיימות בשפה המדעית. למשל, בשפה היום-יומית למושג זרם יש ספקטרום רחב של משמעויות שהבולט ביניהם הוא אנרגיה בשונה מהמשמעות המדעית הפיסיקלית המקובלת של מושג הזרם. אם המורה אינו ער להבדלים בין השפה והצורה שבה הוא מדבר על תופעות בחשמל לבין השפה והצורה שבה תלמידיו מדברים על אותן התופעות, נוצרת אי-הבנה בינו לבין תלמידיו דבר שמהווה מכשול נוסף המקשה על הבנת המושגים הבסיסיים בחשמל (Duit & Rhaneck, 1998).

רוב המחקרים שטיפלו בתפיסות השגויות ובתמונות השכליות, Mental Models, בתחום של מעגלים חשמליים פשוטים (Borges & Gilbert, 1999; Summers, Kruger & Mant, 1998; Biswas, et al, 1997 ; Stocklmayer & Treagust, 1996; Cosgrove, 1995; Heller & Finley, 1992; Shipstone, 1985 ) התמקדו בעיקר ברמה המאקרוסקופית, כלומר הם התייחסו לתופעות הקשורות להתנהגותם ולתפקודם, Functioning, של מעגלים חשמליים פשוטים כאשר התנהגות המעגל החשמלי מתוארת בעזרת מושגים של משתנים מאקרוסקופיים, כמו זרם, מתח והתנגדות כפי שנמדדים במכשירי המדידה השונים ( Eylon & Ganiel, 1990). מעטים מהם התייחסו לתפיסות ולתמונות השכליות הקשורות לרמה המיקרוסקופית, כלומר לתהליכים המתוארים בעזרת מודלים כמו המודלים המתארים את טבעו ומהותו של הזרם החשמלי ( Eylon & Ganiel, 1990).

רוב המחקרים שנערכו בתחום הנ"ל ושהתמקדו ברמה המאקרוסקופית, השתמשו באותו המבנה הבסיסי (Borges & Gilbert, 1999). הנחקרים קיבלו בטריה, חוטי הולכה ומנורה. הם התבקשו להשתמש בציוד זה בכדי לבנות מעגל חשמלי שבו המנורה תדלק. במהלך הפעילות נעשית צפייה להתנהגותם (Osborn, Freyberg, 1985; Tiberghien, 1983). אחרי זה, נערך אתם ראיון והם התבקשו להסביר את מה שעשו ולתאר את מה שחשבו במהלך הפעילות. מתוך הפרוטוקולים שהתקבלו, החוקרים זיהו את הרעיונות ואת התפיסות שיש לנחקרים על מעגלים חשמליים פשוטים (Fredette, Lochhead, 1980; Osborn, 1983; Tiberghien, 1983; Osborn, Freyberg, 1985; Shipston 1985; Cosgrove, 1989; Summers, Kruger, Mant, 1998; Borges, Gilbert, 1999). נמצא כי בלי ,קשר לגיל, הנחקרים מחברים את המנורה לבטריה באחת מהדרכים המתוארות בדיאגרמות שבציור (1).

המחקרים הנ"ל הראו כי בדרך כלל הנחקרים משתמשים בהסברים כלליים ביותר עבור תפקודו של מעגל חשמלי פשוט המורכב ממנורה אחת המחוברת אל בטרייה. בדרך כלל הם טוענים כי ישנו קשר סיבתי בין הבטריה לבין המנורה כך שישנו גורם (a cause) הנמצא בתוך הבטריה, וישנו אפקט שזה הארת המנורה, וסוכן סיבתי (a causal agent) פועל בין שניהם. הסוכן הסיבתי הנ"ל נקרא "חשמל", "זרם" או "אנרגיה". "החשמל" או "הזרם" מאוחסנים בתוך הבטריה והם יכולים להיות גם במנוחה בתוך החוטים (Duit & Rhoneck, 1998). הנחקרים משתמשים במושגים אלה באופן מתחלף וזהה כך שבשבילם הם לפעמים בעלי אותו המובן ואותה המשמעות. בעצם אי-ההבחנה הזו שבין המושגים הנ"ל ומושגים נוספים כמו "מתח", "הספק" ואחרים יוצרת בעיה ומקור ליצירת תפיסות שגויות שיהיה אחר כך קשה לשנותם (Arnold & Miller, 1987; Shipstone, 1985; Eylon & Ganiel, 1990; Summers, Kruger & Mant, 1998; Borges & Gilbert, 1999).

רוב המחקרים שהשתמשו במבנה הבסיסי שתואר לעיל התייחסו בעיקר לרעיונות, לתפיסות ולמודלים שיש לנחקרים על תפקודם של מעגלים חשמליים פשוטים (Functioning of simple circuits) ברמה המאקרוסקופית. בנוסף לשמוש במבנה הבסיסי הנ"ל, החוקרים השתמשו במעגלים יותר מורכבים, למשל כאלה שמכילים יותר ממנורה אחת או המכילים שלוב של מנורות ונגדים (קבועים ומשתנים) בטור או במקביל וכולי. שוב זה עדיין במסגרת של מעגלים חשמליים פשוטים במטרה ולזהות את התפיסות והמודלים שיש לנחקרים על תפקודם של מעגלים חשמליים פשוטים (ברמה המאקרוסקופית).להלן תאור של כל התפיסות, המודלים והתמונות השכליות שנחשפו אודות תפקודם של מעגלים חשמליים פשוטים  ברמה המאקרוסקופית (Borges, Gilbert, 1999):

1.      המודל החד-קוטבי (Unipolar model):

שם זה נבחר ע"י Osborn (1981). Fredette ו- Lochhead (1980) קראו למודל זה בשם: "The sink model". לפי מודל זה יש זרימה של ה-"זרם" או ה-"חשמל" (הסוכן הסיבתי) מההדק החיובי של הבטריה אל הבסיס של המנורה ושם הוא נצרך, כאשר הצרכן הוא המנורה. הרעיון של שמור ה-"חשמל" אינו קיים אצל הנחקרים המחזיקים במודל זה והם בעצם אינם מבחינים בין זרם לאנרגיה. ניתן לקרוא לתהליך זה בשם  "האפקט הסיבתי הליניארי" בין הבטריה והמנורה והוא אינו דורש את קיומו של מעגל סגור, ועל כן אלה שמחזיקים במודל זה חושבים שחוט אחד בין הבטריה והמנורה מספיק. החוט השני הנמצא במעגלים הנמצאים בחיי היום-יום אינו הכרחי או שהוא סתם חוט נוסף הדרוש בכדי שהמנורה תדלק, אבל בלי תפקיד פעיל במעגל החשמלי. ישנם כאלה שטוענים שהחוט השני רק עוזר בכדי להביא יותר "זרם" למנורה אבל קיומו אינו הכרחי. מתוך זה בולטת העובדה שהדו-קוטביות, bipolarity, של הבטריה ושל המנורה אינה מופנמת בקרב אלה שמחזיקים במודל זה.  בדרך כלל מודל זה נמצא אצל ילדים צעירים (Osborn, Freyberg, 1985) והוא נוטה להעלם תוך כדי למידה (instruction). מה שמפליא שרעיון כזה קיים גם אצל תלמידי תיכון שהם כבר לקראת סוף לימודיהם בחשמל כפי שדווח ע"י Shipstone (1985).

2.      מודל שני-המרכיבים The two-component model:

הוא נקרא גם בשם: החשמל כזרמים מנוגדים Electricity as opposing currents (Borges, Gilbert, 1999), וגם בשם The clashing current model (Shipstone, 1985; Osborn, 1983).לפי מודל זה אין הבחנה בין זרם לבין אנרגיה. הזרם נתפס כאנרגיה או כחשמל שזורם דרך החוטים שבמעגל החשמלי משני ההדקים של הבטריה אל המנורה. מניחים כי זרם "חיובי" וזרם "שלילי" נעים לאורך שני חוטים נפרדים והם נפגשים במנורה ומתרחש  שם סוג מסויים של ריאקציה (כימית) שכתוצאה ממנה נוצר חום ואור במנורה (Borges, Gilbert, 1999; Shipstone, 1985; Osborn, 1983 ). מודל זה נפוץ באופן מיוחד בקרב ילדים מגיל 10 עד 13 שנים והוא נעלם לקראת סוף הלימוד בביה"ס התיכון (Osborn, Freyberg, 1985). בנוסף המודל נעלם עם עלייה בגיל (Shipstone, 1985).

3.      מודל הזרם הנצרך The current consumption model: 

מודל זה נקרא גם בשם "מודל הזרם הדועך- The attenuation model" (Osborn, 1983), ובשם "The sequence model" (Shipstone, 1984) וגם בשם "החשמל כזורם- Electricity as flow" (Borges, Gilbert, 1999). לפי מודל זה, לכל הרכיבים במעגל החשמלי יש שני חיבורים (הדו-קוטביות מופנמת). נחקרים שמחזיקים במודל זה אינם מבחינים בין המושגים: זרם, אנרגיה, חשמל ומתח. הזרם נתפס כ- "משהו" שזורם במעגל מהבטריה למנורה (לרכיב החשמלי). הבטריה היא המקור של ה- "משהו" הזה, היא אינה פעילה, היא מאחסנת בתוכה את ה- "משהו" הזה והיא מתרוקנת כאשר משתמשים בכל ה- "משהו" הזה שמאוחסן בתוכה. ה-"זרם" זורם מסביב למעגל החשמלי בכוון אחד בלבד. ה-"זרם" עוזב את הבטריה מיציאה אחת (קוטב אחד), חלק ממנו נצרך כאשר הוא עובר דרך רכיב התנגדותי במעגל (resistive circuit component) כך שפחות זרם חוזר לבטריה. כאשר הזרם עובר דרך כמה רכיבים בטור אז כל רכיב עוקב לזה שלפניו מקבל פחות זרם ממנו. במלים אחרות הזרם לפני הרכיב יותר גדול מזה שאחריו. טיעונים כאלה הם טיעונים סדרתיים-Sequential reasoning. לפי מודל זה אם נעשה שינוי מסוים בנקודה מסוימת במעגל החשמלי אז הזרם מושפע כאשר הוא מגיע לנקודה הנ"ל אבל לא לפני. אינפורמציה על השינוי שהתרחש עוברת רק בכוון הזרם. טיעונים כאלה הם טיעונים מקומיים (Local reasoning) ואין התייחסות למעגל החשמלי כאל מערכת אינטראקטיבית אחת, ז"א ששינוי בנקודה מסוימת במעגל החשמלי משפיע על המעגל החשמלי כלו והזרם בכל חלקי המעגל מושפע משינוי זה. לדוגמא אם לנגד מסוים יש השפעה מסוימת אז אפקט זה צריך להיות שינוי בעוצמת הזרם שעובר דרכו כך שהזרם שעוזב את הנגד שונה מזה שנכנס אליו ( לפני ואחרי) והאינפורמציה על השינוי הנ"ל נעה קדימה בכוון הזרם בלבד. Summers, Kruger ו- Mant מדווחים על "חקר מקרה" שבו מורה שלמדה בעבר פיסיקה וכימיה עד גיל 14 וביולוגיה עד גיל 16 מחזיקה במודל זה כתפיסה קדם מדעית לפני שלמדה קורס שיכשיר אותה ללמד את נושא המעגלים החשמליים הפשוטים בביה"ס היסודי (Summers, Kruger, Mant, 1998). המחקרים הראו שהרעיון של צריכת ה-"זרם" אינו נעלם תוך כדי למידה פורמלית (Formal Instruction). הוא נשאר אטראקטיבי עבור התלמידים אפילו אחרי למידה (Duit, rhoneck, 1998). למשל מאוד מעניין ואולי מפליא שמודל זה נמצא בקרב 7 מתוך 18 סטודנטים בוגרי פיסיקה והנדסה שאמורים להיות מורים לפיסיקה בעתיד (Shipstone, 1985).

4.      מודל מקור הזרם הקבוע Constant current source model:

מודל זה נקרא גם בשם "Sharing model" (Shipstone, 1984). לפי מודל זה, לכל הרכיבים במעגל החשמלי יש שני חיבורים (הדו-קוטביות מופנמת). הזרם זורם מסביב למעגל החשמלי בכוון נתון רק אם המעגל סגור. הבטריה היא מקור של זרם קבוע. ז"א הזרם שהבטריה מספקת הוא תמיד זהה ובעל אותו ערך בלי קשר למעגל אליו הבטריה מחוברת. הבטריה הולכת ומתרוקנת עם הזמן וזה המקור היחיד לשינוי בזרם. לפי מודל זה, הזרם מתחלק באופן שווה בין רכיבים התנגדותיים במעגל המחוברים בטור או במקביל. למשל, לפי מודל זה מנורות זהות המחוברות בטור דולקות באותה העוצמה כי הזרם התחלק ביניהן בצורה שווה, כך שכל מנורה קיבלה אותה כמות של "זרם", אבל עדיין הזרם אינו נשמר. לפי Shipstone (1984) מודל זה נובע מאסימילציה (Assimilation) של חלק מהחוקים הקשורים בתפקודם של המעגלים בתוך המודלים של הילדים. למשל החוק שמנורות זהות המחוברות בטור או במקביל דולקות בעוצמת הארה זהה.

5.      המודל האוהמי Ohm’s model:

זהו המודל הנכון מבחינה מדעית. לפי מודל זה הזרם זורם מסביב למעגל החשמלי בכוון אחד, רק כאשר המעגל סגור, והוא מעביר את האנרגיה. הזרם נשמר כאשר מבדילים בין הזרם לבין האנרגיה. המעגל החשמלי מתנהג כמו מערכת אנטראקטיבית אחת, כך שאם נעשה שינוי בנקודה מסויימת אז זה גורם ליצירת פולסים של גלים אלקטרומגנטיים שנעים רחוק מנקודה זו, בשני הכוונים, מסביב למעגל החשמלי. כתוצאה, המתחים והזרמים בכל חלקי המעגל החשמלי משתנים ומצב עמיד steady state חדש מתקבל. מודל זה נעשה יותר נפוץ בקרב התלמידים ככל שהם עולים בגיל, כנראה כתוצאה מלימוד. המודל האוהמי בולט בקרב אלה שלמדו את נושא החשמל בצורה פורמלית וזה שונה משני המודלים: מודל שני המרכיבים ומודל הזרם הנצרך (רמה מאקרוסקופית) בזה שהם בולטים בעיקר אצל אלה שעדיין לא למדו את הנושא. מתוך זה Borges ו- Gilbert (1999) מגיעים למסקנה שרק ע"י לימוד בכוונה הלומדים יכולים לרכוש מודלים יותר מורכבים. עובדה זו מוסכמת גם בתחומים אחרים בהוראת המדעים (Driver et al. 1994).

יש להדגיש כי חלק מהמודלים הנ"ל נוצרו במהלך ההוראה (Biswas, et al, 1997; Shipstone, 1984). דוגמא לכך היא מודל שני הזרמים הנפגשים (Duit & Rhoneck, 1998) כפי שדווח ע"י Niedderer  ו- Goldberg (1995). שני החוקרים הנ"ל מדווחים על תלמידים שהתקשו בהתחלה לחבר מנורה אל בטרייה בכדי שהמנורה תאיר. לקח להם 30 דקות עד שהצליחו לסיים את המשימה בצורה נכונה. במקום שההתנסות הנ"ל תוביל אותם לרעיונות ולתפיסות המדעיות אודות תיפקודו של המעגל החשמלי שהתקבל, הם פיתחו לעצמם תפיסה אלטרנטיבית הידועה בשם מודל שני הזרמים הנפגשים. שני החוקרים הנ"ל מתארים את ההתפתחות שגרמה לקבלת המודל הנ"ל. שני החוקרים הנ"ל טוענים שהתלמידים הנ"ל דמיינו לעצמם שהזרם הוא סוג של דלק שזורם מהבטרייה אל המנורה והוא נצרך שם. שהם השתמשו בידע קודם שלמדו בשעורי המדעים הקשור למטענים חיוביים ושליליים. הם ערבבו את שתי התפיסות הנ"ל ביחד בצורה כזו שהם יצרו לעצמם מסגרת חלופית,Alternative Framework  , שסיפקה להם הסברים פוריים (Fruitful) ואפשריים (Plausible) כאשר מסגרת חלופית זו היא בעצם מודל שני הזרמים הנפגשים. Niedderer  ו- Goldberg (1995) מדגישים שהמורים של התלמידים הנ"ל לא היו ערים לכך שתפיסות התלמידים מתפתחות בכוון לא רצוי דבר שמנע התפתחות נוספת של תפיסות התלמידים בכוון הרצוי. הם מדגישים שהתלמידים הנ"ל לא היו מוכנים ולא היו יכולים לשנות את תפיסתם החדשה שנראית להם כפורייה וכאפשרית, ועל כן התמיכה שניתנה ע"י המורים הובילה את התלמידים לתפיסה שהיא בעצם מהווה מכשול ומחסום רציני המונע מהתלמידים לאמץ את התפיסה המדעית יותר מאשר תפיסותיהם המוקדמות היום-יומיות.

שני החוקרים Borges ו- Gilbert (1999), מתארים את ההיבטים השונים שהמודלים בחשמל והתמונות השכליות הנ"ל מכילים, והם כדלקמן:

         א.         יכולת להבחין בין מושגים בסיסיים שנעשה בהם שימוש כאשר מדברים על חשמל כמו זרם, חשמל ואנרגיה.

          ב.         להיות מודעים לכך שהבטריה ורכיבים אחרים במעגל החשמלי הם דו-קוטביים (bipolarity).

          ג.          להיות מודעים לצורך במעגל חשמלי סגור בכדי שזרם יזרום בו.

          ד.         העניין של שמור או אי-שמור הזרם.

         ה.         השפעתה של ההתנגדות החשמלית על הזרם.

          ו.          מודלים המתארים את זרימת הזרם (ברמה המאקרוסקופית.

Borges  ו-  Gilbert מדגישים כי הלמידה עלולה להשפיע על ההיבטים הנ"ל בצורות שונות ובדרגות שונות כך שהלומדים עלולים לשנות את דעותיהם על חלק מההיבטים הנ"ל יותר מאשר על חלק אחר. למשל, אחרי למידה הלומדים יכולים להפנים כי הבטריות ורכיבים אחרים במעגל החשמלי הם רכיבים דו-קוטביים וכי יש צורך במעגל חשמלי סגור בכדי שזרם יזרום בו ( Cosgrove, 1995; Osborn, 1983; Psillos, et al, 1997) וזה אומר שהמודלים שיש ללומדים על זרימת הזרם במעגל החשמלי השתנו (;  Osborn & Freyberg, 1985 Shipstone, 1984;). היבטים אחרים יותר עקשניים ויותר עמידים בפני שינוי ובמיוחד אלה הקשורים בעניין של שמור או אי-שמור הזרם החשמלי. לדוגמא, תלמיד שאינו מבחין בין זרם לבין אנרגיה מתקשה לקבל את הרעיון של שימור הזרם.

Heller ו- Finley (1992) מזכירים כי Linn (1986) מציע שהתפיסות המוקדמות שיש ללומד (לתלמיד) בנושא מדעי מסוים מתחלקות לשני סוגים:

         א.         רעיונות הליבה החזקים hard-core ideas שהם הרעיונות והתפיסות שהלומד ממשיך ומתמיד להחזיק בהם אפילו אם הוא נחשף להוכחה שנוגדת אותם.

          ב.         רעיונות ההגנה protective belt of ideas והם הרעיונות שהלומד מוכן לשנותם ולהחליפם בכדי להגן על הליבה החזקה.

Heller ו- Finley (1992), גילו כי מורים לבתי-ספר יסודיים וחטיבות ביניים מחזיקים בחמשה רעיונות המהווים את הליבה החזקה, והם:

         א.         זרם הוא זרימה של אנרגיה.

          ב.         הבטריה היא מקור הזרם.

          ג.          המעגל בהתחלה הנו ריק מהדבר שזורם במוליכים.

          ד.         הבטריה משחררת אותה כמות קבועה של זרם לכל מעגל.

         ה.         מנורות צורכות זרם.

מתוך זה ניתן להסיק שבעיית אי שמור הזרם החשמלי, שנובעת בעיקר בגלל אי הבחנה בין זרם לאנרגיה, מהווה רעיון השייך לרעיונות הליבה החזקה וזה בהתאם לדווח של Borges ו- Gilbert (1999) שהרעיון הנ"ל הוא אחד הרעיונות העקשניים והעמידים מאוד בפני שינוי.

בנוסף הם מדווחים על שני רעיונות השייכים לסוג של רעיונות ההגנה והם:

         א.         עוצמת ההארה של המנורה תלויה בכמות הזרם שעובר דרכה.

          ב.         הזרם מושפע מרכיב מסוים במעגל החשמלי, כמו מנורה, רק כאשר הוא מגיע אליו.

כפי שהוזכר מקודם, מעט מאוד מחקרים התייחסו לתפיסות ולתמונות השכליות שיש ללומדים בגילאים שונים אודות המעגלים החשמליים ברמה המיקרוסקופית (Borges ו- Gilbert 1999; Eylon ו- Ganiel 1990; Stocklmayer ו- Treagust 1996).

Borges ו- Gilbert (1999), התייחסו לתמונות השכליות (mental models) שיש לנחקרים שונים אודות טבעו של הזרם החשמלי כאשר חלק מהתמונות הנ"ל היו ברמה המיקרוסקופית. להלן נתאר את התמונות המתייחסות לטבעו של הזרם החשמלי ברמה המיקרוסקופית כפי שתוארו ע"י Borges ו- Gilbert (1999):

  1.  החשמל כמטענים נעים Electricity as moving charges:

הזרם החשמלי מורכב ממטענים חשמליים (אלקטרונים) הנעים דרך המוליכים. הבטריה נראית כמקור אנרגיה פעיל. היא יוצרת את האנרגיה ומספקת אותה לחלקיקים הטעונים באמצעות ריאקציה כימית בכדי לשמור על כך שהחלקיקים האלה ינועו ויסתובבו במעגל החשמלי. אנרגיה זו נצרכת במעבר דרך רכיב התנגדותי. במודל זה נכללו מיכניזמים פשוטים המתייחסים לתהליכים המתרחשים במעגל. הוזכרו כמה אנאלוגיות בכדי להסביר את האינטראקציה של החלקיקים הטעונים עם האטומים של הרכיבים שבמעגל, כמו התנגשויות ותנועה דרך תווך צמיג.  Stocklmayer ו-  Treagust (1996) דיווחו על כך שמורים מחזיקים במודל זה ועבורם האלקטרונים נראים כמו כדורים קטנים וקשוחים הנעים לאורך חוטים דמויי-תעלה. מודל זה נקרא גם בשמות אחרים: המודל המכני של החשמל והמודל החלקיקי של החשמל.

  2.  החשמל כתופעה של שדות Electricity as a field phenomenon:

מודל זה מכיל חלק מהידע שאפיין את המודל הקודם. הזרם החשמלי נתפס כתנועה של חלקיקים טעונים בגלל קיומו של הפרש פוטנציאלים. הבטריה שומרת על קיומו של הפרש הפוטנציאלים הנ"ל בין שני ההדקים שלה. כתוצאה נוצר שדה חשמלי שגורם לכך שהחלקיקים הטעונים ינועו לאורך המוליכים. Borges  ו- Gilbert (1999) מדווחים על כך שכל הנחקרים שלהם שמחזיקים במודל זה (כמו מחצית ממורי הפיסיקה שהם חקרו) הם מחזיקים גם במודל האוהמי שתואר מקודם.

Stocklmayer ו- Treagust (1996) שדיווחו על כך שמורים מחזיקים במודל החשמל כמטענים נעים מסתמכים על אוצר מלים תפקודי לתאור תפקוד המעגל החשמלי ואינם מתייחסים לשדות חשמליים.  Eylon ו- Ganiel (1990) דיווחו על מודל זהה לנ"ל וגם הם מצאו שאפילו במצבים פשוטים, רוב התלמידים אינם מקשרים מושגים מהאלקטרוסטטיקה כאשר הם מתארים תופעה הקשורה למעגלים חשמליים.

בדרך כלל, המורים משלבים בשעורי המדעים שלהם הדגמות וניסויים במטרה לעזור לתלמידיהם לאמץ את התפיסות המדעיות. האם ההדגמות והניסויים הנ"ל אכן עוזרות לתלמידים לאמץ את התפיסה המדעית? האם התלמידים מוכנים לשנות את תפיסותיהם המוקדמות בגלל ניסוי אחד בלבד שסותר את הניבוי שלהם?

מחקרים אחדים דנו בשאלות הנ"ל, והם הוכיחו שהתפיסות המוקדמות שבהן מחזיקים התלמידים משפיעות בצורה חזקה על מה שהם רואים באמת בניסוי.  במלים אחרות התלמידים שצופים בניסוי אינם רואים את התוצאות שצריכות להיראות באמת אלא מה שהתפיסות, שבהן הם מחזיקים מקודם, מאפשרות להם לראות (Duit & Rhoneck, 1998). הוכה לכך ניתנה ע"י Schlichting (1991). הוא דווח על מקרה שבו הוא הציג מעגל חשמלי המורכב מחוט להט דק וישר המחובר בעזרת חוטים אל בטרייה בפני תלמידי כיתה י' והוא ביקש מהם לנבא מאיפה החוט מתחיל ללהוט. התקבלו שלושה ניבויים: (1) מהקצה הימני (או השמאלי תלוי בכוון זרימת הזרם). (2) מהנקודה האמצעית כי שני הזרמים הזורמים במעגלים נפגשים שם. (3) החוט מתחיל ללהוט בוזמנית מכל הנקודות. אחרי הניבוי הניסוי בוצע. כמעט כל אחד ראה תוצאה הדומה לניבוי שלו. 

מחקרים אחרים הראו שבדרך כלל התלמידים אינם מוכנים לשנות את התפיסות שבהן הם מחזיקים בגלל ניסוי אחד בלבד שסותר את הניבוי שלהם (Duit & Rhoneck, 1998). Gauld (1989), במטרה לעזור לתלמידים לאמץ את התפיסה שהזרם נשמר, הציג בפני תלמידים, בגיל 14 שנים, מעגל חשמלי המורכב ממנורה המחוברת אל בטרייה והמכיל שני אמפרמטרים הנמצאים בשני צדדיה של המנורה. הוא הצליח לשכנע אותם שניתן להסביר בצורה הטובה ביותר את העובדה שקריאתם של שני האמפרמטרים זהה ע"י התפיסה של שימור הזרם החשמלי. אחרי שלושה חודשים הוא ראיין תלמידים אלה במטרה לחשוף את התפיסה שבה הם מחזיקים אודות זרימת הזרם. רובם לא השתמשו בתפיסה המדעית. כאשר הם נשאלו על קריאתם של שני האמפרמטרים חלק מהם חזר וטען שקריאתם אינה זהה למרות שהם צפו בתוצאה מקודם והסכימו על כך שהקריאה זהה רק לפני שלושה חודשים.

שני החוקרים Shepardson  ו- Moje (1999) חקרו את השפעתם של נתונים מתצפיות ומניסויים על התפתחות ההבנה המדעית של תלמידי כיתה ד'. הם בדקו אם המפגש עם נתונים, שאינם מתאימים למסגרת המושגית שהתלמידים פועלים בה, מעודד את ההתפתחות של הבנה מדעית לגבי מעגל חשמלי. תוצאות המחקר הזה מראות שחלק מהתלמידים, כאשר הם נתקלים במהלך התנסויותיהם בנתונים הסותרים את תחזיותיהם שהתבססו על הרעיונות הקודמים שלהם, משנים את תפיסותיהם הקודמות ומאמצים את התפיסה המדעית המתאימה לנתונים. ככל שהמסגרת המחשבתית שלהם מאפשרת להם הבנה עקבית, יציבה ומפורטת, כך גוברת יכולתם לפרש את הנתונים כסותרים את תפיסותיהם או כמאשרים אותן. לעומת התלמידים שאימצו את התפיסה המדעית בנושא המעגלים החשמליים, נחשפו במחקר כאלה שתפיסתם הקודמת לא השתנתה. כנראה שהמסגרת המחשבתית שלהם לא אפשרה להם לזהות את הניגוד בין הנתונים לבין רעיונותיהם הקודמים. תלמידים אלה לא הגיעו להבנה מדעית של הנושא. מתוך זה שני החוקרים הנ"ל הסיקו שעימות של תלמידי כיתה ד' עם נתונים, המתקבלים במהלך ניסויים או תצפיות, עשוי להשפיע על התפתחות ההבנה המדעית שלהם בנושא של מעגלים חשמליים.

ביבליוגרפיה:

  1.  וקס, נ. (1999). האם המנורה תאיר?. זמין: [2000, דצמבר 15].

  2.  Arnold, M. & Miller, R. (1987). Being constructive: an alternative approach to the teaching of introductory ideas in electricity. International Journal of Science Education, 9 (3), 553-563.

  3.  Beaty, W. (1999). Electricity is not a form of energy. Available: http://www.amasci.com/miscon/energy1.html [2000, December 15].

  4.  Biswas, G., Schwartz, D., Bhuva, B., Bransford, J., Brophy, S., Balac, T. & Katzlberger, T. (1997). Analysis of Student Understanding of Basic Electricity Concepts. Available: http://cswww.vuse.vanderbilt.edu/~biswas/Research/ile/onr/year1/index.html [2000, December 15].

  5.  Borges, A. T. & Gilbert, J. K. (1999). Mental models of electricity. International Journal of Science Education, 21 (1), 95-117.

  6.  Chinn, C.A. & Brewer, W.F. (1993). The role of anomalous data in knowledge acquisition: A theoretical framework and implications for science education. Review of Educational Research, 63, 1-49.

  7.  Cosgrove, M. (1995). A study of science-in-the-making as students generate an analogy for electricity. International Journal of Science Education, 17 (3), 295-310.

  8.  Cosgrove, M. (1995). A study of science-in-the-making as students generate an analogy for electricity. Available: http://www.education.uts.edu.au/lsrdg/research/cos951.htm [2000, December 15].

  9.  Duit, R. & Rhoneck, C. (1998). Learning and understanding key concepts of electricity. Available: http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/C2.html [2000, December 15].

10.Eylon, B. & Ganiel, U. (1990). Macro-micro relationships: the missing link between electrostatics and electrodynamics in students' reasoning. International Journal of Science Education, 12 (1), 79-94.

11.Fredette, N. and Lochhead, J. (1980),”Student conceptions of simple circuits". The Physics Teacher,18(3), 194-198.

12.Heller, P. M. & Finley, F. N. (1992). Variable uses of alternative conceptions: a case study in current electricity. Journal of Research in Science Teaching, 29 (3), 259-275.

13.Niedderer, H. & Goldberg, F. (1995). Lernprozesse beim elektrischen Stromkreis. [Learning processes in case of the electric circuit]. Zeitschrift fur Didaktik der Naturwissenschaften, 1,73-86.

14.Osborn, R. (1981). Children’s ideas about electric current. New Zealand Science Teacher, 29,12-19.

15.Osborn, R. (1983). Towards modifying children’s ideas about electric current. Research in Science and Technology Education, 1 (1), 73-82.

16.Osborn, R. & Freyberg, P. (1985). Learning in Science: The Implications of Children’s Science (Auckland: Heinemann).

17.Psillos, D., Koumaras, P. & Valassiades, O. (1987). Pupils’ representations of electric current before, during and after instruction on DC circuits. Research in Science and Technological Education, 5 (2), 185-199.

18.Shepardson, D.P. & Moje, E.B. (1999). The role of anomalous data in restructuring fourth graders’ frameworks for understanding electric circuits. International Journal of Science Education, 1,77-94.

19.Shipstone, D. M. (1984). A study of children’s understanding of electricity in simple DC circuits. European Journal of Science Education, 6 (2),185-198.

20.Shipstone, D. M. (1985). Electricity in simple DC circuits. In R. Driver, E. Guesne & A. Tiberghien (eds), Children’s Ideas in Science (Milton Keynes, England: Open University Press) 33-51.

21.Stocklmayer, S. M. & Treagust, D. F. (1996). Images of electricity: how do novices and experts model electric current?. International Journal of Science Education, 18 (2), 163-178.

22.Summers, M., Kruger, C. & Mant, J. (1998). Teaching electricity effectively in the primary school: a case study. International Journal of Science Education, 20 (2), 153-172.