高中物理“光的本性”主题学习进阶研究

符采青　肖洋

摘   要：２０１７版课程标准将“光的本性”的相关内容划分到必修3、选择性必修1、选择性必修3三个模块之中，逐渐帮助学生形成对“光的本性”的科学理解。为帮助学生形成对“光的本性”认识的连贯发展，在实际教学中教师需要基于学习进阶的研究范式进行教学设计。通过课程标准中“光的本性”的内容要求和相关研究文献的梳理，能够构建出符合学生认知发展过程的单一经典观、混合经典观、部分量子观和量子观四个“光的本性”主题的假设性学习进阶，以该进阶层级为教学活动安排的锚点进行逐级的教学设计，可帮助学生正确地理解“光的本性”这一抽象概念。

关键词：学习进阶；光的波粒二象性；概念理解；教学建议

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）6-0091-6

“光的本性”是高中物理的重要内容，但２００３版课程标准颁布之后光学部分内容的修读率曾经非常低［１］。针对这一问题，２０１７年高考考试大纲修订，明确将“波粒二象性”等内容作为必考内容，并指出“物理科将以往的动量和近代物理等选考内容列为必考，目的是满足高校对人才选拔和未来培养的基本素质要求，又有利于引导中学教学加强对物理基本理论的教育教学。”［２］同时，《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》也作出了相应的调整，不仅将“光的本性”相关内容作为必学内容，更呈现出了螺旋上升、逐渐精致的编排特点，从必修3、选择性必修1、选择性必修3三个模块逐渐帮助学生形成对“光的本性”的科学理解［３］。例如，最终通过选择性必修3的学习，要求学生能够“通过实验，了解光电效应现象；知道爱因斯坦光电效应方程及其意义；能根据实验结论说明光的波粒二象性。”

随着这一内容逐渐受到重视，研究者们针对选择性必修3“波粒二象性”的教材编写和教学展开了广泛的讨论［４］，却很少对必修3、选择性必修1部分的相关内容展开研究。从学习进阶的角度来看，这显然忽视了学生在学习“光的本性”过程中的一系列由简单到复杂、逐渐精致的认知发展序列。为有效描绘学生的认知发展序列，学习进阶的建构一般会先确定作为进阶变量的大概念或关键能力，然后基于对学习者认知的相关研究提出进阶假设，再开发相应的测评工具以收集证据并逐步完善证据，同时也强调促进学生进阶发展的教学干预［５］。可见，构建“光的本性”主题的学习进阶，能从认知的视角出发系统地描述出学生对“光的波粒二象性”形成科学理解的学习进程，也能为教师在这一部分设计的教学和评价提供依据。基于学习进阶的研究范式，本文首先分析了课程标准中“光的本性”的内容要求，然后通过梳理相关研究文献构建“光的本性”主题的假设性学习进阶，最后提出针对性的教学建议。

１    课程标准中“光的本性”的内容要求分析

本文以“光的本性”的知识内容作为进阶变量，对《义务教育科学课程标准（２０２２年版）》［６］、《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》［7］、《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》［３］等标准对本部分的要求进行分析，如图１所示。学生在日常生活或小学科学的学习中开始区分光源发出的光或来自物体反射的光，能解释光被阻挡时形成阻挡物影子的现象，知道当光源的光或来自物体反射的光进入眼睛使人们看到光源或该物体，知道光在空气中沿直线传播，但遇到物体时传播方向会发生改变并发生反射现象，知道太阳光中包含不同颜色的光，并能描述太阳光穿过三棱镜后形成的彩色光带，这些都处于对现象的认识和描述水平。在初中阶段，学生开始进一步了解光的反射定律、平面镜成像规律、凸透镜成像规律、色光的混合规律，但对光的折射仍然处于现象层面的认识水平。

在高中必修3学习“电磁场与电磁波初步”的内容时，学生开始认识到光是电磁波，知道光速等于电磁波的速度这一事实性知识。同时，通过热辐射和黑体辐射的学习初步掌握“能量子”的概念，在此基础上进一步认识“光是由一个个不可分割的能量子组成（光子）”。从必修3开始，学生同时接触到“光是电磁波”和“光是光子”两种看似对立的关于“光的本质”的观点，由于初次接触量子物理的知识，学生心中的经典物理观仍然根深蒂固，极有可能依旧从经典物理的视角出发来理解这两种性质。

学生在高中选择性必修1中首先进一步从经典物理视角完善了对“光的本质”的认识，理解光的折射定律，知道光的全反射现象，初步了解光纤技术。同时，通过机械波部分的学习，学生更能通过光的干涉、衍射等现象来论证光具有波动性。在这一阶段，学生主要是进一步丰富并深化对光的波动性的理解。

最终，在高中选择性必修3中，学生通过实验了解光电效应现象，知道爱因斯坦基于能量子假说提出光量子假说所建立的光电效应方程及其意义。学生能基于光电效应、康普顿散射等实验结论，认识到光子和牛顿时代的光的粒子说的根本不同，能解释说明光既具有波动性，又具有粒子性（波粒二象性）。

分析课程标准中“光的本质”主题的内容可知，经过义务教育阶段的学习后，学生已经理解了“光在均匀介质中沿直线传播，遇障碍物时会发生反射”，并认识到了“光从一种介质进入另一种介质，其传播方向会发生偏折”，这均属于经典物理的范畴（进阶起点）。而在高中阶段的学习中，学生则在必修3的学习中首先同时接触到“光是电磁波”和“光是光子”的概念，最终通过选择性必修3的学习认识到了光具有波粒二象性（进阶终点）。

２    “光的本性”主题的进阶假设

在厘清高中物理“光的本性”学习进阶的起点和终点的基础上，需要进一步划分中间节点。以知识内容为进阶变量的学习进阶研究一般以对学生迷思概念的研究来划分中间节点，从而刻画学生对某一主题理解的认知发展层级［８］。采用类似的方式，本文依据国际上对这一主题学生迷思概念的相关研究，将“光的本性”主题的学习进阶划分为４个层级水平，如表１所示。

２.１    水平１：单一经典观

在水平１，学生仅会使用单一的波动模型或粒子模型对光与物质相互作用的现象进行分析和解释，完全不理解光的波粒二象性。该水平的学生持有极为顽固的互斥思想，无法将光的波动性和粒子性“合二为一”，采用完全割裂的思想理解和解释光的波动性和粒子性的现象［９］。

处在水平１的学生可能持有的典型迷思概念是只认为光是波［１０-１２］。例如，Ireson（1999）在其研究中指出，学生在对波粒二象性进行思考时，其描述的内容在单一经典的物理思维层面中总可以找到“光总表现为波”的表述［11］。同时，水平１的学生也可能只认为光是粒子，把光的直线传播解读为光子的直线运动［９］。例如，Ｈｅｎｒｉｋｓｅｎ（２０１８）给学生发放了关于“光是什么”的个人写作任务，发现三分之一以上的学生都强调了光的粒子性，使用了粒子、光子、能量包等术语，认为“光是由原子发射的小粒子／光子”［１３］。

促使学生形成单一经典观的主要原因可能是机械记忆光的波粒二象性。当要求学生对光的干涉和光电效应等实验进行解释时，他们常常会回归到原本牢固的单一经典思想中，并使得他们错误地判断某种光现象是支持光具有粒子性还是波动性［１４］ 。例如，？觟ｎｄｅｒ（２０１６）在让学生解释光电效应实验现象时，发现有的学生会机械地认为波长是波动的特征，因为光子的能量为hν，根据爱因斯坦光电效应方程（hν=Ek+W0）中的波长项，认为光电效应证明了光具有波动性［１５］。

学生缺乏对科学本质的深层理解，也是促使他们形成单一经典观的原因。科学本质是指人们对科学的认识，反映科学知识及其发展过程中所固有的价值和信念［１６］。有的学生表现出了一种典型的工具主义思想，认为教科书中呈现的“光具有波粒二象性”只是一种教学工具，即促进物理学理论可理解性的一种工具［１３］。显然，这类学生没有认识到“科学知识具有实证性”，光电效应等实验都为光的波粒二象性提供了证据。

２．２    水平２：混合经典观

在水平２，学生会开始尝试对经典粒子和波进行简单扩展或整合来描述“光的本质”［１７］。一方面，学生可能对光的粒子模型进行波动性的简单扩展，其表现为首先假设光是粒子，然后再给粒子赋以波的性质。学生可能根据波的性质来描述光粒子的结构，从而认为“光是粒子，这些粒子以波的形状存在”［９］。同时，学生也可能根据波的性质来描述光粒子的轨迹，从而认为“光是粒子，粒子以波（特别是正弦波）的轨迹运动［１３，１８］。这种拓展模型会导致学生出现一些解释上的悖论，例如在解释光的衍射时，认为光在通过狭缝时，其中一些粒子会撞到狭缝边缘，而另一些则可以穿过，部分振幅被切断［１８］。

另一方面，学生也可能同时对粒子和波进行简单聚合，以形成具体二元论模型。持有这一模型的学生常有两类典型的想法。第一类认为“光由两部分构成，一部分是粒子，另一部分是波”［１０］。第二类则将光视为具有经典粒子和波性质的物体［１２］，常把光的本质表述为“光是粒子，但它们有一些波动性质”或“光是波，但它们具有某些粒子性质”［１０］。

学生形成混合经典观主要是因为根深蒂固的经典物理观。学生在日常生活中直接接触到的和从小学接受的科学教育都是经典物理现象，在面对一些问题时，学生的思维往往会直接进入经典物理领域。例如，学生虽然可以通过光电效应等实验认识到光既有波动性又具有粒子性，但是学生会认为波动性和粒子性与经典物理中的波和粒子一样，并且试图把“同时存在”理解为两个经典性质的简单聚合或简单扩展。

２．３    水平３：部分量子观

从水平３开始，学生将突破经典物理观念的桎梏，开始接受并使用量子物理术语的描述，具体表现为三个方面。

第一，学生可能会抛弃掉光的波粒二象性的抽象描述，构建一个新的概念——“量子物体”来表征自己对光本质的理解。例如，Ｉｒｅｓｏｎ （2000）的研究发现，有的学生把光子理解为“能量粒子”，并在其文末建议应该避免像波粒二象性和物质波这样的概念，光子应该被描述为量子物体，而不是粒子或波。”［１9］

第二，学生可能会认为光的波粒二象性意味着光的粒子性和波动性之间存在相互转换。学生可能“将光的波粒二象性表述为一种由能级跃迁而产生的粒子性和波动性之间的转换，Mannila（2001）在对学生进行教学研究中发现“量子态和转换的想法似乎是建立量子本体的关键”［17］，或“认为光的粒子性和波动性是两种量子态，光会在两种量子态间发生转换。”

第三，学生可能会认为光的波粒二象性意味着光是波还是粒子取决于实验或者观察［１０］。例如，当学生看到杨氏双缝的实验结果后，他们会解释为“因为人们做的是双缝实验，所以决定了光的性质是波；如果把实验换成光电效应实验，那么这一实验将决定光的性质是粒子。”［９］这种想法背后意味着光的本性似乎是不固定、可任意变换的，在不同实验中光会有不同的性质。

部分量子观的产生是由于学生已经突破了经典物理思想的限制，开始在经典物理观的基础上进一步形成初步的量子观。然而，此时受学生自身知识储备不足的限制和学生对量子物理理解不透彻的影响，以及学生还未明晰量子物理与经典物理之间的关系，因此学生的解释也会混杂两种观点。

２．４    水平４：量子观

水平４的学生对光的本性的理解需要建立起基本完备的量子观，认识到光的粒子性与牛顿时代的光的粒子说完全不同。达到这一水平的学生需要认识到：（１）光既具有波动性又具有粒子性，且该波动性和粒子性与经典的波和粒子不同；（２）光是同时具有波动性和粒子性的，这些性质独立于观察者而存在，实验设置的作用只是决定了观察者能够更明显地观察到哪一性质，而并未决定光具有哪一性质。

３    促进学生“光的本性”概念理解进阶发展的教学建议

３．１    整合学习内容，促进物理观念生成

２０１７版课程标准将“物理观念”作为核心素养的一个方面，这就要求教师在教学中不能拘泥于具体的概念，而是要从更宏大的视角下整体分析如何通过具体概念的学习帮助学生形成物理观念。“光的本性”主题内容的学习贯穿了高中的不同阶段，对不同阶段也提出了不同的内容要求，展现了一幅从经典物理观向量子物理观发展的连续图谱。在“光的本质”相关内容的教学中，教师应明确以帮助学生形成对“光的波粒二象性”的理解作为目标，从而统领不同阶段的“光的干涉”“光的衍射”和“光电效应”等具体概念，同时梳理各具体概念间的内在逻辑联系，形成科学概念体系［２０］。帮助学生建构起具体概念间的内在逻辑联系是物理观念生成的关键，教学中需采用突出核心概念、显化具体概念与核心概念关系的策略［２１］。

３．２    基于认知起点，进行针对性的教学设计

本文构建的进阶假设是在梳理关于“光的本性”概念理解相关研究的基础上，构建出的关于学生在该主题学习过程中一系列由简单到复杂、逐渐精致的认知发展序列，反映了学生认知发展的普遍路径，能为教师进行教学提供参考。在教学中，教师应该通过前测、访谈等方式明确学生的迷思概念、前概念，确定学生的进阶起点，以此作为教师教学设计的出发点。例如，在学习选择性必修3第二节“光电效应”前，基于进阶假设可以发现大部分学生应该能基本达到水平３，因此后续的教学活动设计应该重点关注如何帮助学生克服这一水平常见的迷思概念。针对“光的性质取决于实验或观察（类似于观察导致量子态坍缩的概念）”这一迷思概念，考虑到论证活动促进概念转变的有效性，教师可以组织学生开展科学论证活动，让学生以分组的方式分别基于杨氏双缝干涉实验和光电效应实验进行建构和批判论证，在论证中朝着更高的理解层级发展［２２］。

３．３    嵌入科学本质的教育，搭建认知发展脚手架

梳理已有的研究发现，对科学本质的片面理解可能会使学生对“光的本性”产生错误认识，因此在“光的本性”的学习可以嵌入并强调科学本质。人教版教材的编写者特别指出“波粒二象性概念模型与学生的直接经验不符，但只要基于它所建立的理论与实验结果一致，就说明该模型能够在一定范围内正确代表研究对象”［４］，这一观点强调了“实证性”对学生本部分内容学习可能存在的益处。当学生认识到“科学知识具有实证性”时，他们便能够较好地整合关于波粒二象性的实验结果与理论知识。相类似，嵌入科学本质的教育也可以在本主题其他相关内容的学习中开展，以科学本质作为脚手架帮助学生认识光的本性。

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（栏目编辑    李富强）

收稿日期：2024-03-18

作者简介：符采青（1999-），女，硕士研究生，主要从事中学物理教育教学研究。

*通信作者：肖洋（1992-），男，教授，主要从事中学物理教育教学研究。