Aps-ajp-11-1001-Book indb

Step 2: Review of the literature
. Teachers review the lit-
erature on physics as well as physics learning relevant to
their topic, and report on the main learning difficulties and
instructional strategies. The process is guided by the course
leaders, but teachers are asked to expand the suggested list of
references.
Results
. The teachers were referred to the literature con-
cerning the physics of surface charge distribution that causes
the charges to flow, and to papers about innovative instruc-
tional strategies in this topic.
38
Table
I
presents the original
list of the teachers’ review of the literature as presented in
conference I.
After discussing the review of the literature, one of the
teachers said:
“You know what? The physics here is really complicated;
it is nice to find out that people tackle the same problems
everywhere.”
Step 3: Diagnosis
. Teachers design, administer, and ana-
lyze a diagnostic questionnaire consisting of a few “simple”
questions to examine students’ understanding.
Results
. Teachers usually compose examinations quite
easily. However, the requirement to compose a diagnostic
tool aimed at well-predefined goals was a new experience for
many of them. Besides the enrichment of their subject matter
knowledge and their pedagogical content knowledge, this
stage of the workshop enriched their general pedagogical
knowledge as well. Teachers raised questions and dwelled on
issues unfamiliar to them such as: “What is a diagnostic
tool? Does it have to be a questionnaire? What do we want to
find out about students’ understanding? What do we mean by
understanding?” According to the course-leader journal, fol-
lowing the development of the diagnostic tool, the teachers
suggested changing the plan of the course and asked for ad-
ditional lectures supplying information about the ideas of
“diagnosis” and “understanding.”
The group designed questions focusing on the relationship
between the electric field and current at different points of a
dc circuit at different times. Since the electric field between
the plates of a capacitor is studied in electrostatics and the
charging of a capacitor is studied in dc circuits, the teachers
decided to focus the questionnaire on the charging of a ca-
pacitor. Table
II
presents the list of goals for the diagnostic
questionnaire.
TABLE I. Teachers’ present their review of the literature.
共a兲 Issues regarding the physics raised by the review
1. How does the current “know” how to split in a junction?
2. If the electric field exerts force on the charges, why is the drift velocity constant?
3. How do the charges know how to move in a meandering wire?
共b兲 Selected insights regarding the teaching and learning of physics from the review
1. How do students explain current flow in an open circuit and what can be done about it?
2. There is a gap between students’ conceptions of electric fields in the contexts of electrostatics and
electric circuits: electric field in electrostatics is usually conceived by students as a force that causes
charges to move, whereas in circuits, the electric field is conceived as a theoretical concept derived from
the concept of the potential difference. Introducing the changes in the distribution of surface charges in
electric circuits can help in bridging the gap.
3. The analysis of dc circuits is usually based on energy considerations without referring to the
microscopic aspects inside and outside the circuit.
共c兲 Selected instructional strategies from the review
1. Murzin, for example, describes Drude’s model as an explanation of charge flow in a circuit and the
relationship between j and E.
2. Parker and Chabay & Sherwood use the surface charge distribution to explain the electric field inside
and outside a current-carrying conductor.
3. Jefimenko suggests interesting experiments demonstrating electric fields inside and outside meandering
wires.
RESEARCH-DESIGN MODEL FOR PROFESSIONAL¼
PHYS. REV. ST PHYS. EDUC. RES. 2, 020106
共2006兲
020106-5
Teacher Education in Physics
180

---

Since all the topics of the minimodules were based on the
existing high-school physics syllabus, teachers were able to
find quite easily the appropriate lesson for administering the
diagnostic questionnaire. This choice of topics enabled them
to incorporate research-based materials into their practice.
The diagnostic questionnaire was administered to 93 high-
school students studying A-level physics, after they had fin-
ished electrostatics, dc circuits, and the charging and dis-
charging of a capacitor. We asked the teachers to collect their
students’ answers and to analyze the results cooperatively
with their colleagues in the group and the mentor. Table
III
describes the diagnostic questionnaire, the analysis of the
results, and representative statements of teachers regarding
the data.
The following are comments made by the teachers during
the analysis of the data:
共i兲 Generally speaking, most of the students explain dc
phenomena through energy-based considerations and not
through forces on charges.
共ii兲 They relate electric fields in dc circuits to potential
differences and not to charges.
共iii兲 Students have difficulties with transients: electric
fields between the plates of a capacitor and in the wires of
the circuit.
共iv兲 I imagined that all my students would know that
after charging there is an electric field between the plates of
a capacitor, I’m disappointed.
共v兲 You know what? A few students even said that this
questionnaire caused them for the first time to think about dc
circuits in terms of an electric field.