高中物理“光的本性”主題學習進階研究

符采青　肖洋

摘? ?要：２０１７版課程標準將“光的本性”的相關(guān)內(nèi)容劃分到必修3、選擇性必修1、選擇性必修3三個模塊之中，逐漸幫助學生形成對“光的本性”的科學理解。為幫助學生形成對“光的本性”認識的連貫發(fā)展，在實際教學中教師需要基于學習進階的研究范式進行教學設計。通過課程標準中“光的本性”的內(nèi)容要求和相關(guān)研究文獻的梳理，能夠構(gòu)建出符合學生認知發(fā)展過程的單一經(jīng)典觀、混合經(jīng)典觀、部分量子觀和量子觀四個“光的本性”主題的假設性學習進階，以該進階層級為教學活動安排的錨點進行逐級的教學設計，可幫助學生正確地理解“光的本性”這一抽象概念。

關(guān)鍵詞：學習進階；光的波粒二象性；概念理解；教學建議

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）6-0091-6

“光的本性”是高中物理的重要內(nèi)容，但２００３版課程標準頒布之后光學部分內(nèi)容的修讀率曾經(jīng)非常低［１］。針對這一問題，２０１７年高考考試大綱修訂，明確將“波粒二象性”等內(nèi)容作為必考內(nèi)容，并指出“物理科將以往的動量和近代物理等選考內(nèi)容列為必考，目的是滿足高校對人才選拔和未來培養(yǎng)的基本素質(zhì)要求，又有利于引導中學教學加強對物理基本理論的教育教學?！保郏玻萃瑫r，《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》也作出了相應的調(diào)整，不僅將“光的本性”相關(guān)內(nèi)容作為必學內(nèi)容，更呈現(xiàn)出了螺旋上升、逐漸精致的編排特點，從必修3、選擇性必修1、選擇性必修3三個模塊逐漸幫助學生形成對“光的本性”的科學理解［３］。例如，最終通過選擇性必修3的學習，要求學生能夠“通過實驗，了解光電效應現(xiàn)象；知道愛因斯坦光電效應方程及其意義；能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性。”

隨著這一內(nèi)容逐漸受到重視，研究者們針對選擇性必修3“波粒二象性”的教材編寫和教學展開了廣泛的討論［４］，卻很少對必修3、選擇性必修1部分的相關(guān)內(nèi)容展開研究。從學習進階的角度來看，這顯然忽視了學生在學習“光的本性”過程中的一系列由簡單到復雜、逐漸精致的認知發(fā)展序列。為有效描繪學生的認知發(fā)展序列，學習進階的建構(gòu)一般會先確定作為進階變量的大概念或關(guān)鍵能力，然后基于對學習者認知的相關(guān)研究提出進階假設，再開發(fā)相應的測評工具以收集證據(jù)并逐步完善證據(jù)，同時也強調(diào)促進學生進階發(fā)展的教學干預［５］。可見，構(gòu)建“光的本性”主題的學習進階，能從認知的視角出發(fā)系統(tǒng)地描述出學生對“光的波粒二象性”形成科學理解的學習進程，也能為教師在這一部分設計的教學和評價提供依據(jù)。基于學習進階的研究范式，本文首先分析了課程標準中“光的本性”的內(nèi)容要求，然后通過梳理相關(guān)研究文獻構(gòu)建“光的本性”主題的假設性學習進階，最后提出針對性的教學建議。

１? ? 課程標準中“光的本性”的內(nèi)容要求分析

本文以“光的本性”的知識內(nèi)容作為進階變量，對《義務教育科學課程標準（２０２２年版）》［６］、《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》［7］、《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》［３］等標準對本部分的要求進行分析，如圖１所示。學生在日常生活或小學科學的學習中開始區(qū)分光源發(fā)出的光或來自物體反射的光，能解釋光被阻擋時形成阻擋物影子的現(xiàn)象，知道當光源的光或來自物體反射的光進入眼睛使人們看到光源或該物體，知道光在空氣中沿直線傳播，但遇到物體時傳播方向會發(fā)生改變并發(fā)生反射現(xiàn)象，知道太陽光中包含不同顏色的光，并能描述太陽光穿過三棱鏡后形成的彩色光帶，這些都處于對現(xiàn)象的認識和描述水平。在初中階段，學生開始進一步了解光的反射定律、平面鏡成像規(guī)律、凸透鏡成像規(guī)律、色光的混合規(guī)律，但對光的折射仍然處于現(xiàn)象層面的認識水平。

在高中必修3學習“電磁場與電磁波初步”的內(nèi)容時，學生開始認識到光是電磁波，知道光速等于電磁波的速度這一事實性知識。同時，通過熱輻射和黑體輻射的學習初步掌握“能量子”的概念，在此基礎上進一步認識“光是由一個個不可分割的能量子組成（光子）”。從必修3開始，學生同時接觸到“光是電磁波”和“光是光子”兩種看似對立的關(guān)于“光的本質(zhì)”的觀點，由于初次接觸量子物理的知識，學生心中的經(jīng)典物理觀仍然根深蒂固，極有可能依舊從經(jīng)典物理的視角出發(fā)來理解這兩種性質(zhì)。

學生在高中選擇性必修1中首先進一步從經(jīng)典物理視角完善了對“光的本質(zhì)”的認識，理解光的折射定律，知道光的全反射現(xiàn)象，初步了解光纖技術(shù)。同時，通過機械波部分的學習，學生更能通過光的干涉、衍射等現(xiàn)象來論證光具有波動性。在這一階段，學生主要是進一步豐富并深化對光的波動性的理解。

最終，在高中選擇性必修3中，學生通過實驗了解光電效應現(xiàn)象，知道愛因斯坦基于能量子假說提出光量子假說所建立的光電效應方程及其意義。學生能基于光電效應、康普頓散射等實驗結(jié)論，認識到光子和牛頓時代的光的粒子說的根本不同，能解釋說明光既具有波動性，又具有粒子性（波粒二象性）。

分析課程標準中“光的本質(zhì)”主題的內(nèi)容可知，經(jīng)過義務教育階段的學習后，學生已經(jīng)理解了“光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，遇障礙物時會發(fā)生反射”，并認識到了“光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)，其傳播方向會發(fā)生偏折”，這均屬于經(jīng)典物理的范疇（進階起點）。而在高中階段的學習中，學生則在必修3的學習中首先同時接觸到“光是電磁波”和“光是光子”的概念，最終通過選擇性必修3的學習認識到了光具有波粒二象性（進階終點）。

２? ? “光的本性”主題的進階假設

在厘清高中物理“光的本性”學習進階的起點和終點的基礎上，需要進一步劃分中間節(jié)點。以知識內(nèi)容為進階變量的學習進階研究一般以對學生迷思概念的研究來劃分中間節(jié)點，從而刻畫學生對某一主題理解的認知發(fā)展層級［８］。采用類似的方式，本文依據(jù)國際上對這一主題學生迷思概念的相關(guān)研究，將“光的本性”主題的學習進階劃分為４個層級水平，如表１所示。

２.１? ? 水平１：單一經(jīng)典觀

在水平１，學生僅會使用單一的波動模型或粒子模型對光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象進行分析和解釋，完全不理解光的波粒二象性。該水平的學生持有極為頑固的互斥思想，無法將光的波動性和粒子性“合二為一”，采用完全割裂的思想理解和解釋光的波動性和粒子性的現(xiàn)象［９］。

處在水平１的學生可能持有的典型迷思概念是只認為光是波［１０-１２］。例如，Ireson（1999）在其研究中指出，學生在對波粒二象性進行思考時，其描述的內(nèi)容在單一經(jīng)典的物理思維層面中總可以找到“光總表現(xiàn)為波”的表述［11］。同時，水平１的學生也可能只認為光是粒子，把光的直線傳播解讀為光子的直線運動［９］。例如，Ｈｅｎｒｉｋｓｅｎ（２０１８）給學生發(fā)放了關(guān)于“光是什么”的個人寫作任務，發(fā)現(xiàn)三分之一以上的學生都強調(diào)了光的粒子性，使用了粒子、光子、能量包等術(shù)語，認為“光是由原子發(fā)射的小粒子／光子”［１３］。

促使學生形成單一經(jīng)典觀的主要原因可能是機械記憶光的波粒二象性。當要求學生對光的干涉和光電效應等實驗進行解釋時，他們常常會回歸到原本牢固的單一經(jīng)典思想中，并使得他們錯誤地判斷某種光現(xiàn)象是支持光具有粒子性還是波動性［１４］ 。例如，？觟ｎｄｅｒ（２０１６）在讓學生解釋光電效應實驗現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)有的學生會機械地認為波長是波動的特征，因為光子的能量為hν，根據(jù)愛因斯坦光電效應方程（hν=Ek+W0）中的波長項，認為光電效應證明了光具有波動性［１５］。

學生缺乏對科學本質(zhì)的深層理解，也是促使他們形成單一經(jīng)典觀的原因?？茖W本質(zhì)是指人們對科學的認識，反映科學知識及其發(fā)展過程中所固有的價值和信念［１６］。有的學生表現(xiàn)出了一種典型的工具主義思想，認為教科書中呈現(xiàn)的“光具有波粒二象性”只是一種教學工具，即促進物理學理論可理解性的一種工具［１３］。顯然，這類學生沒有認識到“科學知識具有實證性”，光電效應等實驗都為光的波粒二象性提供了證據(jù)。

２．２? ? 水平２：混合經(jīng)典觀

在水平２，學生會開始嘗試對經(jīng)典粒子和波進行簡單擴展或整合來描述“光的本質(zhì)”［１７］。一方面，學生可能對光的粒子模型進行波動性的簡單擴展，其表現(xiàn)為首先假設光是粒子，然后再給粒子賦以波的性質(zhì)。學生可能根據(jù)波的性質(zhì)來描述光粒子的結(jié)構(gòu)，從而認為“光是粒子，這些粒子以波的形狀存在”［９］。同時，學生也可能根據(jù)波的性質(zhì)來描述光粒子的軌跡，從而認為“光是粒子，粒子以波（特別是正弦波）的軌跡運動［１３，１８］。這種拓展模型會導致學生出現(xiàn)一些解釋上的悖論，例如在解釋光的衍射時，認為光在通過狹縫時，其中一些粒子會撞到狹縫邊緣，而另一些則可以穿過，部分振幅被切斷［１８］。

另一方面，學生也可能同時對粒子和波進行簡單聚合，以形成具體二元論模型。持有這一模型的學生常有兩類典型的想法。第一類認為“光由兩部分構(gòu)成，一部分是粒子，另一部分是波”［１０］。第二類則將光視為具有經(jīng)典粒子和波性質(zhì)的物體［１２］，常把光的本質(zhì)表述為“光是粒子，但它們有一些波動性質(zhì)”或“光是波，但它們具有某些粒子性質(zhì)”［１０］。

學生形成混合經(jīng)典觀主要是因為根深蒂固的經(jīng)典物理觀。學生在日常生活中直接接觸到的和從小學接受的科學教育都是經(jīng)典物理現(xiàn)象，在面對一些問題時，學生的思維往往會直接進入經(jīng)典物理領(lǐng)域。例如，學生雖然可以通過光電效應等實驗認識到光既有波動性又具有粒子性，但是學生會認為波動性和粒子性與經(jīng)典物理中的波和粒子一樣，并且試圖把“同時存在”理解為兩個經(jīng)典性質(zhì)的簡單聚合或簡單擴展。

２．３? ? 水平３：部分量子觀

從水平３開始，學生將突破經(jīng)典物理觀念的桎梏，開始接受并使用量子物理術(shù)語的描述，具體表現(xiàn)為三個方面。

第一，學生可能會拋棄掉光的波粒二象性的抽象描述，構(gòu)建一個新的概念——“量子物體”來表征自己對光本質(zhì)的理解。例如，Ｉｒｅｓｏｎ （2000）的研究發(fā)現(xiàn)，有的學生把光子理解為“能量粒子”，并在其文末建議應該避免像波粒二象性和物質(zhì)波這樣的概念，光子應該被描述為量子物體，而不是粒子或波?！保郏?］

第二，學生可能會認為光的波粒二象性意味著光的粒子性和波動性之間存在相互轉(zhuǎn)換。學生可能“將光的波粒二象性表述為一種由能級躍遷而產(chǎn)生的粒子性和波動性之間的轉(zhuǎn)換，Mannila（2001）在對學生進行教學研究中發(fā)現(xiàn)“量子態(tài)和轉(zhuǎn)換的想法似乎是建立量子本體的關(guān)鍵”［17］，或“認為光的粒子性和波動性是兩種量子態(tài)，光會在兩種量子態(tài)間發(fā)生轉(zhuǎn)換?！?/p>

第三，學生可能會認為光的波粒二象性意味著光是波還是粒子取決于實驗或者觀察［１０］。例如，當學生看到楊氏雙縫的實驗結(jié)果后，他們會解釋為“因為人們做的是雙縫實驗，所以決定了光的性質(zhì)是波；如果把實驗換成光電效應實驗，那么這一實驗將決定光的性質(zhì)是粒子?！保郏梗葸@種想法背后意味著光的本性似乎是不固定、可任意變換的，在不同實驗中光會有不同的性質(zhì)。

部分量子觀的產(chǎn)生是由于學生已經(jīng)突破了經(jīng)典物理思想的限制，開始在經(jīng)典物理觀的基礎上進一步形成初步的量子觀。然而，此時受學生自身知識儲備不足的限制和學生對量子物理理解不透徹的影響，以及學生還未明晰量子物理與經(jīng)典物理之間的關(guān)系，因此學生的解釋也會混雜兩種觀點。

２．４? ? 水平４：量子觀

水平４的學生對光的本性的理解需要建立起基本完備的量子觀，認識到光的粒子性與牛頓時代的光的粒子說完全不同。達到這一水平的學生需要認識到：（１）光既具有波動性又具有粒子性，且該波動性和粒子性與經(jīng)典的波和粒子不同；（２）光是同時具有波動性和粒子性的，這些性質(zhì)獨立于觀察者而存在，實驗設置的作用只是決定了觀察者能夠更明顯地觀察到哪一性質(zhì)，而并未決定光具有哪一性質(zhì)。

３? ? 促進學生“光的本性”概念理解進階發(fā)展的教學建議

３．１? ? 整合學習內(nèi)容，促進物理觀念生成

２０１７版課程標準將“物理觀念”作為核心素養(yǎng)的一個方面，這就要求教師在教學中不能拘泥于具體的概念，而是要從更宏大的視角下整體分析如何通過具體概念的學習幫助學生形成物理觀念。“光的本性”主題內(nèi)容的學習貫穿了高中的不同階段，對不同階段也提出了不同的內(nèi)容要求，展現(xiàn)了一幅從經(jīng)典物理觀向量子物理觀發(fā)展的連續(xù)圖譜。在“光的本質(zhì)”相關(guān)內(nèi)容的教學中，教師應明確以幫助學生形成對“光的波粒二象性”的理解作為目標，從而統(tǒng)領(lǐng)不同階段的“光的干涉”“光的衍射”和“光電效應”等具體概念，同時梳理各具體概念間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，形成科學概念體系［２０］。幫助學生建構(gòu)起具體概念間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系是物理觀念生成的關(guān)鍵，教學中需采用突出核心概念、顯化具體概念與核心概念關(guān)系的策略［２１］。

３．２? ? 基于認知起點，進行針對性的教學設計

本文構(gòu)建的進階假設是在梳理關(guān)于“光的本性”概念理解相關(guān)研究的基礎上，構(gòu)建出的關(guān)于學生在該主題學習過程中一系列由簡單到復雜、逐漸精致的認知發(fā)展序列，反映了學生認知發(fā)展的普遍路徑，能為教師進行教學提供參考。在教學中，教師應該通過前測、訪談等方式明確學生的迷思概念、前概念，確定學生的進階起點，以此作為教師教學設計的出發(fā)點。例如，在學習選擇性必修3第二節(jié)“光電效應”前，基于進階假設可以發(fā)現(xiàn)大部分學生應該能基本達到水平３，因此后續(xù)的教學活動設計應該重點關(guān)注如何幫助學生克服這一水平常見的迷思概念。針對“光的性質(zhì)取決于實驗或觀察（類似于觀察導致量子態(tài)坍縮的概念）”這一迷思概念，考慮到論證活動促進概念轉(zhuǎn)變的有效性，教師可以組織學生開展科學論證活動，讓學生以分組的方式分別基于楊氏雙縫干涉實驗和光電效應實驗進行建構(gòu)和批判論證，在論證中朝著更高的理解層級發(fā)展［２２］。

３．３? ? 嵌入科學本質(zhì)的教育，搭建認知發(fā)展腳手架

梳理已有的研究發(fā)現(xiàn)，對科學本質(zhì)的片面理解可能會使學生對“光的本性”產(chǎn)生錯誤認識，因此在“光的本性”的學習可以嵌入并強調(diào)科學本質(zhì)。人教版教材的編寫者特別指出“波粒二象性概念模型與學生的直接經(jīng)驗不符，但只要基于它所建立的理論與實驗結(jié)果一致，就說明該模型能夠在一定范圍內(nèi)正確代表研究對象”［４］，這一觀點強調(diào)了“實證性”對學生本部分內(nèi)容學習可能存在的益處。當學生認識到“科學知識具有實證性”時，他們便能夠較好地整合關(guān)于波粒二象性的實驗結(jié)果與理論知識。相類似，嵌入科學本質(zhì)的教育也可以在本主題其他相關(guān)內(nèi)容的學習中開展，以科學本質(zhì)作為腳手架幫助學生認識光的本性。

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（欄目編輯? ? 李富強）

收稿日期：2024-03-18

作者簡介：符采青（1999-），女，碩士研究生，主要從事中學物理教育教學研究。

*通信作者：肖洋（1992-），男，教授，主要從事中學物理教育教學研究。