物理学概念的形成及其发展与概念学习进阶

蔡铁权 杨亚芳

摘   要：光的本性是一个十分古老而又非常现代的物理学概念，对光的本性的关注和研究经历了长期的过程，而对光现象的观察和学习也贯穿于基础教育的全时期。以光的本性为例概述了物理概念的形成及其发展的复杂与曲折，也阐明了物理概念学习进阶的涵义和特点。从两者的关系论证了从物理概念教学到物理大观念的形成，再到物理学科核心素养达成的内在联系。由此，对基础教育教师的专业发展提出了期待。

关键词：学科核心素养；物理观念；物理教学；学习进阶；物理学概念；光的本性

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）4-0007-5

科学史雄辩地表明，人类对于物理学本质的认识，经历了长期的探索历程，在这一历史过程中，一些基本概念的确立和廓清起了关键性作用。正如爱因斯坦（Albert Einstein）所指出的：“用来描述热现象的最基本的概念是温度和热，在科学史上经过了非常长的时间才把这两种观念区别开来，但是一经辨别清楚，就使科学得到飞速的发展。”［1］物理学的概念，反映了物理事物内在规律的本质，因此，物理学的规律需要物理学的概念给予认识和表达。物理学概念的形成及其发展有一个长期的渐进的演化过程，伴随着物理学的发现、发展而逐步推进，其中蕴涵着丰富的思维方式、研究方法和创新成果，为物理教学提供了多方面的素材和启示。

物理教学中物理概念学习的过程与阶段性，与物理学概念形成及其发展的过程与阶段性常常有着内在的关联性和形式上的一致性。正如海尔曼（Friedrich Herrmann）所认为的：“每位学生都必须重复走一条历史发展的道路，每位学生的学习过程甚至在细节上也要遵循整个科学的发展模式……那些为科学的发展作出贡献的人们在当时所做的工作是正确的。科学知识的许多内容在过去起着不可替代的作用，尽管现在看来是多余的或不恰当的。”［2］

科学史保存了科学知识迂回曲折的发展历程，因而科学知识也就非常精确地反映了它的历史轨迹。这与德国生物学家海克尔（Ernst Haeckel）的生物重演论相类似：个体发育的历史是种系发育历史的简单而迅速的重演［3］。

1    物理学概念的形成及其发展例析

物理学概念是反映一类物理事物的共同属性或者本质特征的思维形式。概念的内涵是指这一概念所反映的事物对象特有的本质属性；概念的外延是指具有此概念所反映的本质属性的事物或者对象。概念的内涵和外延成反比关系，即一个概念的内涵越多，外延就越少，反之亦然。物理概念是对物理现象、物理过程抽象化和概括化的思维成果。

物理学的概念都有形成及其发展的过程，经历曲折与反复、分歧与斗争、停滞与突破，新的物理概念和物理观念是在突破旧的传统观念束缚的过程中问世的，是人类认识史上的飞跃。这里以“光的本性”的认识过程为例证来阐释我们的观点。

对光的本性的认识，经历了光是“物质的微粒”、光是“以太的振动”、光是“电磁波”、光是“光量子”到光的“波粒二象性”的统一。随着量子电动力学、量子味动力学的发展，人类对光的本性的认识逐渐走向全面而且深入。

早在古希腊时期，德谟克利特（Democritus）提出光是物质微粒的观点，认为视觉是由物体射出的微粒进入眼睛而引起的。亚里士多德（Aristotle）认为，视觉是在眼睛和可见物体之间的中间介质的运动的结果，没有中间介质就没有视觉。到了17世纪，笛卡尔（Rene Descartes）认为，光在本质上是一种压力，在一种完全弹性的、充满一切空间的介质（以太）之中传递，而并没有某种物质性的东西进入眼睛而使我们看到光和色。这两种论说可以认为是粒子说和波动说的早期萌芽。笛卡尔还对光的反射现象与折射现象进行了研究，对光在光疏介质和光密介质中传播速度的变化等，也得到了一些结论。

17世纪后期，胡克（Robert Hooke）主张光是一种振动，并且已有了波面和波前的概念。胡克还研究了薄膜的彩色，尽管得出的解释并不正确。

牛顿（Isaac Newton）主张微粒说，认为光是一束微粒流，牛顿用这一观念解释了光的直线传播和光的反射、折射定律。进而，牛顿提出把光的微粒和以太的振动相结合的假说。牛顿在1704年发表了他的重要著作《光学》，书中明确地表述了光是微粒的观点。牛顿发现了重要的光学现象——“牛顿环”，这本来是光的波动性的绝好证明，但牛顿仍使用了光的微粒和以太振动相结合的观点作出解释，而没有走向光的波动说。

坚持光的波动说，并试图建立理论来作出解释的是惠更斯（Christiaan Huygens），在他的《光论》这一著作中，认为光是由发光体的微小粒子的振动在充满于宇宙空间的介质“以太”中的一种传播过程，光的传播方式像声音的传播方式一样，由此，惠更斯认为光是一种纵波。光波以非常大而又有限的速度在以太中传播，以太是由不均匀的、微小的、弹性的、压缩得非常紧密的颗粒组成。惠更斯提出了能用以确定波的传播方向的惠更斯原理，成功解释了光的反射和折射现象，而且正确得出光在光密介质中的速度小于光在光疏介质中的速度的结论。惠更斯认为光是纵波，从而不能解释光的偏振效应，也没有指明光波动的周期性，没有提出波长的概念，更没有确立相位的概念。

19世纪初叶，托马斯·杨（Thomas Young）和菲涅耳（Augustin Fresnel）等人将波动理论大大地向前推进了。杨在坚实的实验的基础上，提出了光波的频率和波长的概念，提出了干涉的概念并成功解释了“牛顿环”现象，并将干涉原理应用于解释衍射现象，他还提出了光的干涉现象产生的条件以及获得相干光的方法，測定了光的波长，对光的波动理论作出了重要的贡献。

衍射现象最早是由意大利的格里马弟（Francesco Grimaldi）发现的。菲涅耳用半波带法定量计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射图样，又由于泊松亮斑得到实验的确证，光的粒子说开始崩溃了。

1808年，马吕斯（Etienne Louis Malus）发现了晶体的双折射现象，引入了“光的偏振”这一术语。1816年，菲涅耳和阿拉果（Francois Arago）研究了偏振光线的干涉，引入了“光程”的概念。1851年得到了布儒斯特角。至此，光是一种横波的认识也得到了确认。同时，对于光传播的介质“以太”，却要求它不仅应当是弹性的，并且应当是绝对坚硬的。菲涅耳的一系列成功的研究，为光的波动理论奠定了坚实的基础，被人们称为“物理光学的缔造者”。

正当光的弹性以太理论困难重重时，电磁学的一系列发现揭示了光与电磁的内在联系，光的本性的认识又进入了“柳暗花明”之境。19世纪中叶，电磁学研究的成果层出不穷，1868年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发表了《关于光的电磁理论》，明确地把光纳入电磁理论中，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动。1886年，赫兹（Heinrich Hertz）用实验证实了电磁波的存在，1888年，赫兹测定了电磁波的传播速度，证明了电磁辐射和光具有类似的性质，包括反射、折射、干涉和衍射，光的电磁理论被确立了。1896年，洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz）创立了电子论，电子论不仅解释了发光和物质吸收的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点。光的电磁理论在认识光的本性的历史上向前迈进了一大步。

1887年，赫兹发现了光电效应现象。光电效应的解释对经典电磁理论提出了强烈的挑战，使经典理论一时陷入困境。1905年，爱因斯坦接受了普朗克（Max Planck）提出的能量量子化的概念，发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，提出了光量子假设，提出光不仅在发射或吸收时具有粒子性，光在空间传播时也具有粒子性，光是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些光粒子称为光量子，也称为光子。每个光子的能量ε=hν。由此提出了光电效应方程：hν=mv2+W0。根據光电效应方程，就可以成功解释光电效应的几个特性了。1916年，密立根（Robert Andrews Millikan）在检验光电效应的过程中，从实验上证实了爱因斯坦的光电效应方程，光子假设被实验所证实。1923年，康普顿（Authur Holly Compton）在研究X射线时发现了散射效应，康普顿用光子的概念成功解释了这个现象，证明光确实具有粒子性。

光压实验的成功，有力地证明了光不仅具有能量，而且还具有动量，这就表明光是物质的一种形式。光是物质，这是人类对光的本性认识的进一步深化。光具有波动性，又具有粒子性，从公式ε=hν；p中，标志波动性的频率（ν）和波长（λ），标志微粒性的能量（ε）和动量（p），通过普朗克常数h定量地联系在一起。我们不得不承认光具有“波粒二象性”：光是由光子组成的，光子在很多方面具有经典粒子的属性，但光子出现的几率却是按照波动光学的规律分布的。由于普朗克常数的值极小，因此频率不十分高的光子能量和动量很小，个别光子一般不易显示出可观测的效应。平时看到的只是大量光子的统计行为，只有特殊的场合，尤其是涉及光的发射和吸收等过程时，个别光子的粒子性才会明显地表现出来。波粒二象性的几率解释提供了波动模型与粒子模型之间的联系。但必须指出，光既不是经典的粒子，又不是经典的波，而是一种十分复杂的物质客体，否则，我们又滑入经典物理的陷阱了。

当代量子电动力学是较为成熟的理论，而弱电统一的理论——量子味动力学也已得到实验的证实，尤其是单光子干涉实验与两支独立光束之间干涉实验的成功，使我们在量子场论中对光的本性的认识可以表述为：光首先表现为电磁场这样一种量子场，它是一个真实的物理波场，表现有波动性质；电磁场可以量子化，从而场中许多物理量有量子性质，使光表现有粒子性质。光的粒子形态——光子，不过是电磁场处于激发态的表现。光子和其对应的电磁场是同一物质客体，因此光既是光子，又是量子化的电磁场，同时具有粒子性和波动性［4-7］。“光的本性”概念，从早期经典粒子和波的认识，到现代量子理论的认识，不是一个渐进的过程。量子理论的“波粒二象性”不是在经典概念基础上发展而来的，而是对光的本性认识的一次飞跃，一次真正意义上的“观念革命”。物理学中概念的形成及其发展，这是必须引起高度重视的，如果我们没有在观念上做出正确的转化，物理概念的教学就会走入误区。当然，随着当代科学技术的发展，人类对光的本性的认识并没有完全完成。

2    学习进阶与物理学概念形成与发展的关系

概念学习的目的不是机械地记诵事实与结论，而是对概念真正的理解。所谓理解，在本质上是意义的创造活动，是理解主体的自我塑造与实现，也是我们的精神世界之建构；理解内在包含着一个被社会所认同的价值取向，通过理解，达到个体与集体的精神境界之升华［8］。这种意义上的理解，物理学概念才可能运用到真实的情境中去解决复杂的问题，才可能懂得概念之间内在的联系，掌握核心概念，形成物理观念。在这一复杂的渐进的过程中，发展学生的高阶思维能力，达成物理学科核心素养。

学科核心素养的形成，其标志即是能运用学科领域的大观念（big ideas）及思维方式解决真实情境中的复杂问题时所显现出来的能力。这种学科大观念的深刻理解和正确把握，是一个儿童（0～18周岁）从幼儿园直到高中的全部学习阶段中逐步发展起来的，而且持续发展到终身。从已阐述的“光的本性”的形成与发展，已雄辩地证明，学科核心素养的形成离不开学科大观念的深刻理解和实践应用。这样，“学习进阶”理念就自然地被引入概念学习之中。

学习进阶（learning progressions）与学习领域的研究、课程领域的研究与评价领域的研究协同发展，相互影响。尤其是学习领域研究中的概念理解的进展，20世纪70年代开始的前概念（preconception）和迷思概念（misconception）的研究，针对的是学生在学习科学概念前对概念已有的个人认识，对自然现象已有的理解，研究迷思概念产生的来源、概念学习障碍产生的原因，消除迷思概念促进概念转化的策略等。进入20世纪80年代，进入概念转变（conceptual change）研究阶段，逐步形成了一些有代表性的概念转变理论［9］。由于迷思概念来源的多元复杂，而且迷思概念一旦形成具有顽固性，改变的过程又涉及个人认知、社会、情意等多方面的因素，概念转变的研究至今仍是一个热点议题和科学教育研究的重要领域之一。

从学习领域对概念研究的脉络可见，前概念和迷思概念的研究是对学生的学习和发展进行描述，概念转变的研究是对学生的学习和发展作出解释，那么，把概念转变不只是局限在概念学习的一个阶段上，而是着眼于概念学习的全过程和概念发展的历程，则是学习进阶的研究了。这样的研究就是对学生的学习和发展作出预测［10］。而学科大观念及学科核心素养的提出，课标对基于核心概念的概念学习框架的设计，已从概念转变的研究向学习进阶的研究转型了。

学习进阶的概念从21世纪初提出至今，已成为科学教育研究领域中的热点，但科学教育界仍然没有给出一个一致的确定性的定义，根据我们的理解，认为学习进阶可以界定为：在学科概念学习的某一段时期内，学生基于其已有认知与经验，指向学科核心素养和形成学科大观念的相对高效而完整的一种学习路径，借由此路径从原有的观点和思维方式到达高级的连续有序且不断精致化发展的过程描述。这种描述，主要体现学生对学科大观念的理解在不同的学习阶段所应达到的发展水平，由于学习进阶涉及的研究领域的相关性，这种发展水平的达成必须有相应的教学策略和评价措施的支持。

学习进阶的确定与学生学习的一定阶段相关，但概念学习在某一阶段达到什么程度，或学生的概念性理解或核心素养达成的行为表现的确认，除了学科学习的需要，儿童认知水平的层次，还必须考虑到概念形成和发展的阶段性。概念形成和发展是随着学科整体的发展而不断演进的，从低级到高级、从具象到抽象、从简单到复杂、从定性到定量持续地发展，违背或颠倒了概念发展的历史进程，对概念理解会人为地形成困难和误解。但又不是简单、机械地作出对应和比附。

3    物理学概念教学与物理观念形成得出的启示

科学思维的基本内核是科学抽象，现象通常是外在的、可观察的，本質是内在的、不能肉眼直接观察的，所以，抽象思维的依据是观察到的事实，没有外在的现象，抽象思维成了凭空猜想、面壁虚构，是无法认识事物的本质规律的；但只停留在观察到的外在现象，没有抽象思维，也认识不到事物的本质规律。基于物体的“重”的物理概念，对儿童归纳推理的实证研究表明：4岁儿童对物体内在属性的抽象思维能力有了显著的发展，4岁儿童的抑制控制能力有了显著的发展，4岁儿童的语言表达能力有了显著的发展，而且这种能力具备跨文化的一致性［11］。概念的形成与思维的发展始于幼儿，源于对事物现象的观察和对现象的归纳推理，这对幼儿科学教育提出了明确的要求，也是严峻的挑战，这是学习进阶的第一段时期。另一方面，也给前概念和迷思概念的研究提供了材料与途径。

学习进阶的学习阶段与学科概念的形成与发展时期并不能完全对应，也不是概念学习的循序渐进或按部就班，成为一种机械的规定或简单的教条。学科概念的形成和发展遵循的是学科内在的发展逻辑和规律，是学科发展的体现和成果。

概念的理解要符合儿童的认知，也要适合学科课程编制的需要。幼儿就能观察并分辨光与色，也能认识物与影，但不能理解光的色散和在同种均匀介质中光的直线传播规律，更不能理解费马原理。小学生学习光的反射现象，会描述太阳光穿过三棱镜后形成彩色光带，但不涉及反射成像，太阳光的色散现象中也不会涉及光波的波长（频率）的本质、几何光学和波动光学。当然，中学学习光的波粒二象性，并不涉及量子场论，更不包含量子味动力学，而且，很多中学老师常常会用经典波动和粒子的概念描述光的波粒二象性的量子光学本质。

人的理解具有多元性，每个学生基于自己的目的或意向，选择特定对象，运用自己特有的方法，获得自己独特的个性化的理解。世界是多元的，人对世界的理解也是多元的、个性化的、关系中的、交往性的，在同伴互动中，相互倾听、相互交流、相互协同，达到理解的同情与一致，这就决定了个性化的学习进阶的必要，这是教师课程创生的结果，而且需要在实践中不断改进和完善［12］。

一个物理概念是整体的、一贯的，不是一块块碎片的拼合，不是一段段概念片断的连接，部分概念只是整体的一个侧面，而不是整体的一个局部。物理概念的理解和学习过程必须时刻保持这种全局与整体的观念，任何分割与肢解概念的做法都是对概念理解的损害。任一阶段的物理概念教学都不能脱离学生已有的经验和知识基础，但又要为未来概念的发展留下足够的空间，为概念的进一步深化理解打好必要的基础。光线是几何光学研究中不可缺失的，但光线是光的一种理想化模型，是一种研究的手段，并不反映光的本性，光波不宜过多地与机械波类比，更不应把它等同于机械波来理解。光量子也与机械粒子有本质的区别。中学的干涉条件只是能在有限时间内稳定地作出记录的要求下才成立的，局限在这样理解的干涉概念，就无法理解单光子干涉和独立光源干涉的量子光学本质了，这也是学习进阶的完整性所确立的。

学科观念的形成是学科概念规律的归纳、概括与升华，物理学具体概念的学习要聚焦于核心概念，核心概念要凝集于物理大观念。不是就概念讲概念，就规律讲规律，各自为战，自成系统，相互分割，断裂了概念的内在联系。因此，尽管不同学段对同一概念有不同的目标、内容和要求，但必须站在学习进阶的全局上，观照这一学段这一物理概念的定位，并指向物理核心概念，为物理观念的最终形成而做好铺垫。

物理概念形成与发展和学习进阶的理论对教师专业化提出了应有的发展要求。笔者对幼儿园、小学、初中、高中以至大学本科、研究生教学做过长期的观察、实践和研究，对基础教育教师的学术水平与教学能力有深切的体会［13-16］。我国目前小学科学教师非专业兼课的现象比比皆是，幼儿教师的职前培养中科学专业训练的缺失或薄弱是普遍的状态，中学物理教师还存在没有学过四大力学，连量子场论是什么都尚未听说过。许多教师认为对所任教学段的概念能“理解”就足够了，关键在解题，对概念的进一步发展弃置一旁而不屑一顾。我们之所以在本文中从物理概念的形成与发展和学习进阶的视角论述物理概念的教学，正是对此作出呼吁，发出警示，期盼我国教师专业化程度能尽快提高，学科专业水平能充分提升，只有这样，才能为实现科学技术现代化强国培养创新型人才。

4    结  语

物理概念的形成与发展是长期的持续的演进过程，物理概念的学习是由于课程内容、学生认知的限制而分阶段的，但学习进阶的划分并非割裂整体，不同时期学习概念只能达成概念的某一个层级，却不是一段概念的局部呈现，概念的构成是整体、全局、一体化的，只有这样认识与处理，才能形成物理观念，才能达成物理学科核心素养。

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（栏目编辑    赵保钢）