物理學(xué)概念的形成及其發(fā)展與概念學(xué)習(xí)進(jìn)階

蔡鐵權(quán) 楊亞芳

摘? ?要：光的本性是一個(gè)十分古老而又非?，F(xiàn)代的物理學(xué)概念，對(duì)光的本性的關(guān)注和研究經(jīng)歷了長(zhǎng)期的過(guò)程，而對(duì)光現(xiàn)象的觀察和學(xué)習(xí)也貫穿于基礎(chǔ)教育的全時(shí)期。以光的本性為例概述了物理概念的形成及其發(fā)展的復(fù)雜與曲折，也闡明了物理概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的涵義和特點(diǎn)。從兩者的關(guān)系論證了從物理概念教學(xué)到物理大觀念的形成，再到物理學(xué)科核心素養(yǎng)達(dá)成的內(nèi)在聯(lián)系。由此，對(duì)基礎(chǔ)教育教師的專業(yè)發(fā)展提出了期待。

關(guān)鍵詞：學(xué)科核心素養(yǎng)；物理觀念；物理教學(xué)；學(xué)習(xí)進(jìn)階；物理學(xué)概念；光的本性

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）4-0007-5

科學(xué)史雄辯地表明，人類對(duì)于物理學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的探索歷程，在這一歷史過(guò)程中，一些基本概念的確立和廓清起了關(guān)鍵性作用。正如愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）所指出的：“用來(lái)描述熱現(xiàn)象的最基本的概念是溫度和熱，在科學(xué)史上經(jīng)過(guò)了非常長(zhǎng)的時(shí)間才把這兩種觀念區(qū)別開來(lái)，但是一經(jīng)辨別清楚，就使科學(xué)得到飛速的發(fā)展?！保?］物理學(xué)的概念，反映了物理事物內(nèi)在規(guī)律的本質(zhì)，因此，物理學(xué)的規(guī)律需要物理學(xué)的概念給予認(rèn)識(shí)和表達(dá)。物理學(xué)概念的形成及其發(fā)展有一個(gè)長(zhǎng)期的漸進(jìn)的演化過(guò)程，伴隨著物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展而逐步推進(jìn)，其中蘊(yùn)涵著豐富的思維方式、研究方法和創(chuàng)新成果，為物理教學(xué)提供了多方面的素材和啟示。

物理教學(xué)中物理概念學(xué)習(xí)的過(guò)程與階段性，與物理學(xué)概念形成及其發(fā)展的過(guò)程與階段性常常有著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性和形式上的一致性。正如海爾曼（Friedrich Herrmann）所認(rèn)為的：“每位學(xué)生都必須重復(fù)走一條歷史發(fā)展的道路，每位學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程甚至在細(xì)節(jié)上也要遵循整個(gè)科學(xué)的發(fā)展模式……那些為科學(xué)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)的人們?cè)诋?dāng)時(shí)所做的工作是正確的?？茖W(xué)知識(shí)的許多內(nèi)容在過(guò)去起著不可替代的作用，盡管現(xiàn)在看來(lái)是多余的或不恰當(dāng)?shù)??！保?］

科學(xué)史保存了科學(xué)知識(shí)迂回曲折的發(fā)展歷程，因而科學(xué)知識(shí)也就非常精確地反映了它的歷史軌跡。這與德國(guó)生物學(xué)家?？藸枺‥rnst Haeckel）的生物重演論相類似：個(gè)體發(fā)育的歷史是種系發(fā)育歷史的簡(jiǎn)單而迅速的重演［3］。

1? ? 物理學(xué)概念的形成及其發(fā)展例析

物理學(xué)概念是反映一類物理事物的共同屬性或者本質(zhì)特征的思維形式。概念的內(nèi)涵是指這一概念所反映的事物對(duì)象特有的本質(zhì)屬性；概念的外延是指具有此概念所反映的本質(zhì)屬性的事物或者對(duì)象。概念的內(nèi)涵和外延成反比關(guān)系，即一個(gè)概念的內(nèi)涵越多，外延就越少，反之亦然。物理概念是對(duì)物理現(xiàn)象、物理過(guò)程抽象化和概括化的思維成果。

物理學(xué)的概念都有形成及其發(fā)展的過(guò)程，經(jīng)歷曲折與反復(fù)、分歧與斗爭(zhēng)、停滯與突破，新的物理概念和物理觀念是在突破舊的傳統(tǒng)觀念束縛的過(guò)程中問(wèn)世的，是人類認(rèn)識(shí)史上的飛躍。這里以“光的本性”的認(rèn)識(shí)過(guò)程為例證來(lái)闡釋我們的觀點(diǎn)。

對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了光是“物質(zhì)的微?！薄⒐馐恰耙蕴恼駝?dòng)”、光是“電磁波”、光是“光量子”到光的“波粒二象性”的統(tǒng)一。隨著量子電動(dòng)力學(xué)、量子味動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)逐漸走向全面而且深入。

早在古希臘時(shí)期，德謨克利特（Democritus）提出光是物質(zhì)微粒的觀點(diǎn)，認(rèn)為視覺(jué)是由物體射出的微粒進(jìn)入眼睛而引起的。亞里士多德（Aristotle）認(rèn)為，視覺(jué)是在眼睛和可見物體之間的中間介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，沒(méi)有中間介質(zhì)就沒(méi)有視覺(jué)。到了17世紀(jì)，笛卡爾（Rene Descartes）認(rèn)為，光在本質(zhì)上是一種壓力，在一種完全彈性的、充滿一切空間的介質(zhì)（以太）之中傳遞，而并沒(méi)有某種物質(zhì)性的東西進(jìn)入眼睛而使我們看到光和色。這兩種論說(shuō)可以認(rèn)為是粒子說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的早期萌芽。笛卡爾還對(duì)光的反射現(xiàn)象與折射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，對(duì)光在光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)中傳播速度的變化等，也得到了一些結(jié)論。

17世紀(jì)后期，胡克（Robert Hooke）主張光是一種振動(dòng)，并且已有了波面和波前的概念。胡克還研究了薄膜的彩色，盡管得出的解釋并不正確。

牛頓（Isaac Newton）主張微粒說(shuō)，認(rèn)為光是一束微粒流，牛頓用這一觀念解釋了光的直線傳播和光的反射、折射定律。進(jìn)而，牛頓提出把光的微粒和以太的振動(dòng)相結(jié)合的假說(shuō)。牛頓在1704年發(fā)表了他的重要著作《光學(xué)》，書中明確地表述了光是微粒的觀點(diǎn)。牛頓發(fā)現(xiàn)了重要的光學(xué)現(xiàn)象——“牛頓環(huán)”，這本來(lái)是光的波動(dòng)性的絕好證明，但牛頓仍使用了光的微粒和以太振動(dòng)相結(jié)合的觀點(diǎn)作出解釋，而沒(méi)有走向光的波動(dòng)說(shuō)。

堅(jiān)持光的波動(dòng)說(shuō)，并試圖建立理論來(lái)作出解釋的是惠更斯（Christiaan Huygens），在他的《光論》這一著作中，認(rèn)為光是由發(fā)光體的微小粒子的振動(dòng)在充滿于宇宙空間的介質(zhì)“以太”中的一種傳播過(guò)程，光的傳播方式像聲音的傳播方式一樣，由此，惠更斯認(rèn)為光是一種縱波。光波以非常大而又有限的速度在以太中傳播，以太是由不均勻的、微小的、彈性的、壓縮得非常緊密的顆粒組成?；莞固岢隽四苡靡源_定波的傳播方向的惠更斯原理，成功解釋了光的反射和折射現(xiàn)象，而且正確得出光在光密介質(zhì)中的速度小于光在光疏介質(zhì)中的速度的結(jié)論?；莞拐J(rèn)為光是縱波，從而不能解釋光的偏振效應(yīng)，也沒(méi)有指明光波動(dòng)的周期性，沒(méi)有提出波長(zhǎng)的概念，更沒(méi)有確立相位的概念。

19世紀(jì)初葉，托馬斯·楊（Thomas Young）和菲涅耳（Augustin Fresnel）等人將波動(dòng)理論大大地向前推進(jìn)了。楊在堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了光波的頻率和波長(zhǎng)的概念，提出了干涉的概念并成功解釋了“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，并將干涉原理應(yīng)用于解釋衍射現(xiàn)象，他還提出了光的干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的條件以及獲得相干光的方法，測(cè)定了光的波長(zhǎng)，對(duì)光的波動(dòng)理論作出了重要的貢獻(xiàn)。

衍射現(xiàn)象最早是由意大利的格里馬弟（Francesco Grimaldi）發(fā)現(xiàn)的。菲涅耳用半波帶法定量計(jì)算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射圖樣，又由于泊松亮斑得到實(shí)驗(yàn)的確證，光的粒子說(shuō)開始崩潰了。

1808年，馬呂斯（Etienne Louis Malus）發(fā)現(xiàn)了晶體的雙折射現(xiàn)象，引入了“光的偏振”這一術(shù)語(yǔ)。1816年，菲涅耳和阿拉果（Francois Arago）研究了偏振光線的干涉，引入了“光程”的概念。1851年得到了布儒斯特角。至此，光是一種橫波的認(rèn)識(shí)也得到了確認(rèn)。同時(shí)，對(duì)于光傳播的介質(zhì)“以太”，卻要求它不僅應(yīng)當(dāng)是彈性的，并且應(yīng)當(dāng)是絕對(duì)堅(jiān)硬的。菲涅耳的一系列成功的研究，為光的波動(dòng)理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，被人們稱為“物理光學(xué)的締造者”。

正當(dāng)光的彈性以太理論困難重重時(shí)，電磁學(xué)的一系列發(fā)現(xiàn)揭示了光與電磁的內(nèi)在聯(lián)系，光的本性的認(rèn)識(shí)又進(jìn)入了“柳暗花明”之境。19世紀(jì)中葉，電磁學(xué)研究的成果層出不窮，1868年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）發(fā)表了《關(guān)于光的電磁理論》，明確地把光納入電磁理論中，光是一種按照電磁定律在場(chǎng)內(nèi)傳播的電磁擾動(dòng)。1886年，赫茲（Heinrich Hertz）用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，1888年，赫茲測(cè)定了電磁波的傳播速度，證明了電磁輻射和光具有類似的性質(zhì)，包括反射、折射、干涉和衍射，光的電磁理論被確立了。1896年，洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）創(chuàng)立了電子論，電子論不僅解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)。光的電磁理論在認(rèn)識(shí)光的本性的歷史上向前邁進(jìn)了一大步。

1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象。光電效應(yīng)的解釋對(duì)經(jīng)典電磁理論提出了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)，使經(jīng)典理論一時(shí)陷入困境。1905年，愛(ài)因斯坦接受了普朗克（Max Planck）提出的能量量子化的概念，發(fā)表了《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》的論文，提出了光量子假設(shè)，提出光不僅在發(fā)射或吸收時(shí)具有粒子性，光在空間傳播時(shí)也具有粒子性，光是一粒一粒以光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些光粒子稱為光量子，也稱為光子。每個(gè)光子的能量ε=hν。由此提出了光電效應(yīng)方程：hν=mv2+W0。根據(jù)光電效應(yīng)方程，就可以成功解釋光電效應(yīng)的幾個(gè)特性了。1916年，密立根（Robert Andrews Millikan）在檢驗(yàn)光電效應(yīng)的過(guò)程中，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程，光子假設(shè)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。1923年，康普頓（Authur Holly Compton）在研究X射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了散射效應(yīng)，康普頓用光子的概念成功解釋了這個(gè)現(xiàn)象，證明光確實(shí)具有粒子性。

光壓實(shí)驗(yàn)的成功，有力地證明了光不僅具有能量，而且還具有動(dòng)量，這就表明光是物質(zhì)的一種形式。光是物質(zhì)，這是人類對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深化。光具有波動(dòng)性，又具有粒子性，從公式ε=hν；p中，標(biāo)志波動(dòng)性的頻率（ν）和波長(zhǎng)（λ），標(biāo)志微粒性的能量（ε）和動(dòng)量（p），通過(guò)普朗克常數(shù)h定量地聯(lián)系在一起。我們不得不承認(rèn)光具有“波粒二象性”：光是由光子組成的，光子在很多方面具有經(jīng)典粒子的屬性，但光子出現(xiàn)的幾率卻是按照波動(dòng)光學(xué)的規(guī)律分布的。由于普朗克常數(shù)的值極小，因此頻率不十分高的光子能量和動(dòng)量很小，個(gè)別光子一般不易顯示出可觀測(cè)的效應(yīng)。平時(shí)看到的只是大量光子的統(tǒng)計(jì)行為，只有特殊的場(chǎng)合，尤其是涉及光的發(fā)射和吸收等過(guò)程時(shí)，個(gè)別光子的粒子性才會(huì)明顯地表現(xiàn)出來(lái)。波粒二象性的幾率解釋提供了波動(dòng)模型與粒子模型之間的聯(lián)系。但必須指出，光既不是經(jīng)典的粒子，又不是經(jīng)典的波，而是一種十分復(fù)雜的物質(zhì)客體，否則，我們又滑入經(jīng)典物理的陷阱了。

當(dāng)代量子電動(dòng)力學(xué)是較為成熟的理論，而弱電統(tǒng)一的理論——量子味動(dòng)力學(xué)也已得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，尤其是單光子干涉實(shí)驗(yàn)與兩支獨(dú)立光束之間干涉實(shí)驗(yàn)的成功，使我們?cè)诹孔訄?chǎng)論中對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)可以表述為：光首先表現(xiàn)為電磁場(chǎng)這樣一種量子場(chǎng)，它是一個(gè)真實(shí)的物理波場(chǎng)，表現(xiàn)有波動(dòng)性質(zhì)；電磁場(chǎng)可以量子化，從而場(chǎng)中許多物理量有量子性質(zhì)，使光表現(xiàn)有粒子性質(zhì)。光的粒子形態(tài)——光子，不過(guò)是電磁場(chǎng)處于激發(fā)態(tài)的表現(xiàn)。光子和其對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)是同一物質(zhì)客體，因此光既是光子，又是量子化的電磁場(chǎng)，同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性［4-7］?！肮獾谋拘浴备拍?，從早期經(jīng)典粒子和波的認(rèn)識(shí)，到現(xiàn)代量子理論的認(rèn)識(shí)，不是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。量子理論的“波粒二象性”不是在經(jīng)典概念基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，而是對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)的一次飛躍，一次真正意義上的“觀念革命”。物理學(xué)中概念的形成及其發(fā)展，這是必須引起高度重視的，如果我們沒(méi)有在觀念上做出正確的轉(zhuǎn)化，物理概念的教學(xué)就會(huì)走入誤區(qū)。當(dāng)然，隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)并沒(méi)有完全完成。

2? ? 學(xué)習(xí)進(jìn)階與物理學(xué)概念形成與發(fā)展的關(guān)系

概念學(xué)習(xí)的目的不是機(jī)械地記誦事實(shí)與結(jié)論，而是對(duì)概念真正的理解。所謂理解，在本質(zhì)上是意義的創(chuàng)造活動(dòng)，是理解主體的自我塑造與實(shí)現(xiàn)，也是我們的精神世界之建構(gòu)；理解內(nèi)在包含著一個(gè)被社會(huì)所認(rèn)同的價(jià)值取向，通過(guò)理解，達(dá)到個(gè)體與集體的精神境界之升華［8］。這種意義上的理解，物理學(xué)概念才可能運(yùn)用到真實(shí)的情境中去解決復(fù)雜的問(wèn)題，才可能懂得概念之間內(nèi)在的聯(lián)系，掌握核心概念，形成物理觀念。在這一復(fù)雜的漸進(jìn)的過(guò)程中，發(fā)展學(xué)生的高階思維能力，達(dá)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，其標(biāo)志即是能運(yùn)用學(xué)科領(lǐng)域的大觀念（big ideas）及思維方式解決真實(shí)情境中的復(fù)雜問(wèn)題時(shí)所顯現(xiàn)出來(lái)的能力。這種學(xué)科大觀念的深刻理解和正確把握，是一個(gè)兒童（0～18周歲）從幼兒園直到高中的全部學(xué)習(xí)階段中逐步發(fā)展起來(lái)的，而且持續(xù)發(fā)展到終身。從已闡述的“光的本性”的形成與發(fā)展，已雄辯地證明，學(xué)科核心素養(yǎng)的形成離不開學(xué)科大觀念的深刻理解和實(shí)踐應(yīng)用。這樣，“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理念就自然地被引入概念學(xué)習(xí)之中。

學(xué)習(xí)進(jìn)階（learning progressions）與學(xué)習(xí)領(lǐng)域的研究、課程領(lǐng)域的研究與評(píng)價(jià)領(lǐng)域的研究協(xié)同發(fā)展，相互影響。尤其是學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究中的概念理解的進(jìn)展，20世紀(jì)70年代開始的前概念（preconception）和迷思概念（misconception）的研究，針對(duì)的是學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念前對(duì)概念已有的個(gè)人認(rèn)識(shí)，對(duì)自然現(xiàn)象已有的理解，研究迷思概念產(chǎn)生的來(lái)源、概念學(xué)習(xí)障礙產(chǎn)生的原因，消除迷思概念促進(jìn)概念轉(zhuǎn)化的策略等。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，進(jìn)入概念轉(zhuǎn)變（conceptual change）研究階段，逐步形成了一些有代表性的概念轉(zhuǎn)變理論［9］。由于迷思概念來(lái)源的多元復(fù)雜，而且迷思概念一旦形成具有頑固性，改變的過(guò)程又涉及個(gè)人認(rèn)知、社會(huì)、情意等多方面的因素，概念轉(zhuǎn)變的研究至今仍是一個(gè)熱點(diǎn)議題和科學(xué)教育研究的重要領(lǐng)域之一。

從學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)Ω拍钛芯康拿}絡(luò)可見，前概念和迷思概念的研究是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展進(jìn)行描述，概念轉(zhuǎn)變的研究是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展作出解釋，那么，把概念轉(zhuǎn)變不只是局限在概念學(xué)習(xí)的一個(gè)階段上，而是著眼于概念學(xué)習(xí)的全過(guò)程和概念發(fā)展的歷程，則是學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究了。這樣的研究就是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展作出預(yù)測(cè)［10］。而學(xué)科大觀念及學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，課標(biāo)對(duì)基于核心概念的概念學(xué)習(xí)框架的設(shè)計(jì)，已從概念轉(zhuǎn)變的研究向?qū)W習(xí)進(jìn)階的研究轉(zhuǎn)型了。

學(xué)習(xí)進(jìn)階的概念從21世紀(jì)初提出至今，已成為科學(xué)教育研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，但科學(xué)教育界仍然沒(méi)有給出一個(gè)一致的確定性的定義，根據(jù)我們的理解，認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)階可以界定為：在學(xué)科概念學(xué)習(xí)的某一段時(shí)期內(nèi)，學(xué)生基于其已有認(rèn)知與經(jīng)驗(yàn)，指向?qū)W科核心素養(yǎng)和形成學(xué)科大觀念的相對(duì)高效而完整的一種學(xué)習(xí)路徑，借由此路徑從原有的觀點(diǎn)和思維方式到達(dá)高級(jí)的連續(xù)有序且不斷精致化發(fā)展的過(guò)程描述。這種描述，主要體現(xiàn)學(xué)生對(duì)學(xué)科大觀念的理解在不同的學(xué)習(xí)階段所應(yīng)達(dá)到的發(fā)展水平，由于學(xué)習(xí)進(jìn)階涉及的研究領(lǐng)域的相關(guān)性，這種發(fā)展水平的達(dá)成必須有相應(yīng)的教學(xué)策略和評(píng)價(jià)措施的支持。

學(xué)習(xí)進(jìn)階的確定與學(xué)生學(xué)習(xí)的一定階段相關(guān)，但概念學(xué)習(xí)在某一階段達(dá)到什么程度，或?qū)W生的概念性理解或核心素養(yǎng)達(dá)成的行為表現(xiàn)的確認(rèn)，除了學(xué)科學(xué)習(xí)的需要，兒童認(rèn)知水平的層次，還必須考慮到概念形成和發(fā)展的階段性。概念形成和發(fā)展是隨著學(xué)科整體的發(fā)展而不斷演進(jìn)的，從低級(jí)到高級(jí)、從具象到抽象、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從定性到定量持續(xù)地發(fā)展，違背或顛倒了概念發(fā)展的歷史進(jìn)程，對(duì)概念理解會(huì)人為地形成困難和誤解。但又不是簡(jiǎn)單、機(jī)械地作出對(duì)應(yīng)和比附。

3? ? 物理學(xué)概念教學(xué)與物理觀念形成得出的啟示

科學(xué)思維的基本內(nèi)核是科學(xué)抽象，現(xiàn)象通常是外在的、可觀察的，本質(zhì)是內(nèi)在的、不能肉眼直接觀察的，所以，抽象思維的依據(jù)是觀察到的事實(shí)，沒(méi)有外在的現(xiàn)象，抽象思維成了憑空猜想、面壁虛構(gòu)，是無(wú)法認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)規(guī)律的；但只停留在觀察到的外在現(xiàn)象，沒(méi)有抽象思維，也認(rèn)識(shí)不到事物的本質(zhì)規(guī)律?；谖矬w的“重”的物理概念，對(duì)兒童歸納推理的實(shí)證研究表明：4歲兒童對(duì)物體內(nèi)在屬性的抽象思維能力有了顯著的發(fā)展，4歲兒童的抑制控制能力有了顯著的發(fā)展，4歲兒童的語(yǔ)言表達(dá)能力有了顯著的發(fā)展，而且這種能力具備跨文化的一致性［11］。概念的形成與思維的發(fā)展始于幼兒，源于對(duì)事物現(xiàn)象的觀察和對(duì)現(xiàn)象的歸納推理，這對(duì)幼兒科學(xué)教育提出了明確的要求，也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這是學(xué)習(xí)進(jìn)階的第一段時(shí)期。另一方面，也給前概念和迷思概念的研究提供了材料與途徑。

學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)習(xí)階段與學(xué)科概念的形成與發(fā)展時(shí)期并不能完全對(duì)應(yīng)，也不是概念學(xué)習(xí)的循序漸進(jìn)或按部就班，成為一種機(jī)械的規(guī)定或簡(jiǎn)單的教條。學(xué)科概念的形成和發(fā)展遵循的是學(xué)科內(nèi)在的發(fā)展邏輯和規(guī)律，是學(xué)科發(fā)展的體現(xiàn)和成果。

概念的理解要符合兒童的認(rèn)知，也要適合學(xué)科課程編制的需要。幼兒就能觀察并分辨光與色，也能認(rèn)識(shí)物與影，但不能理解光的色散和在同種均勻介質(zhì)中光的直線傳播規(guī)律，更不能理解費(fèi)馬原理。小學(xué)生學(xué)習(xí)光的反射現(xiàn)象，會(huì)描述太陽(yáng)光穿過(guò)三棱鏡后形成彩色光帶，但不涉及反射成像，太陽(yáng)光的色散現(xiàn)象中也不會(huì)涉及光波的波長(zhǎng)（頻率）的本質(zhì)、幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)。當(dāng)然，中學(xué)學(xué)習(xí)光的波粒二象性，并不涉及量子場(chǎng)論，更不包含量子味動(dòng)力學(xué)，而且，很多中學(xué)老師常常會(huì)用經(jīng)典波動(dòng)和粒子的概念描述光的波粒二象性的量子光學(xué)本質(zhì)。

人的理解具有多元性，每個(gè)學(xué)生基于自己的目的或意向，選擇特定對(duì)象，運(yùn)用自己特有的方法，獲得自己獨(dú)特的個(gè)性化的理解。世界是多元的，人對(duì)世界的理解也是多元的、個(gè)性化的、關(guān)系中的、交往性的，在同伴互動(dòng)中，相互傾聽、相互交流、相互協(xié)同，達(dá)到理解的同情與一致，這就決定了個(gè)性化的學(xué)習(xí)進(jìn)階的必要，這是教師課程創(chuàng)生的結(jié)果，而且需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善［12］。

一個(gè)物理概念是整體的、一貫的，不是一塊塊碎片的拼合，不是一段段概念片斷的連接，部分概念只是整體的一個(gè)側(cè)面，而不是整體的一個(gè)局部。物理概念的理解和學(xué)習(xí)過(guò)程必須時(shí)刻保持這種全局與整體的觀念，任何分割與肢解概念的做法都是對(duì)概念理解的損害。任一階段的物理概念教學(xué)都不能脫離學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)基礎(chǔ)，但又要為未來(lái)概念的發(fā)展留下足夠的空間，為概念的進(jìn)一步深化理解打好必要的基礎(chǔ)。光線是幾何光學(xué)研究中不可缺失的，但光線是光的一種理想化模型，是一種研究的手段，并不反映光的本性，光波不宜過(guò)多地與機(jī)械波類比，更不應(yīng)把它等同于機(jī)械波來(lái)理解。光量子也與機(jī)械粒子有本質(zhì)的區(qū)別。中學(xué)的干涉條件只是能在有限時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地作出記錄的要求下才成立的，局限在這樣理解的干涉概念，就無(wú)法理解單光子干涉和獨(dú)立光源干涉的量子光學(xué)本質(zhì)了，這也是學(xué)習(xí)進(jìn)階的完整性所確立的。

學(xué)科觀念的形成是學(xué)科概念規(guī)律的歸納、概括與升華，物理學(xué)具體概念的學(xué)習(xí)要聚焦于核心概念，核心概念要凝集于物理大觀念。不是就概念講概念，就規(guī)律講規(guī)律，各自為戰(zhàn)，自成系統(tǒng)，相互分割，斷裂了概念的內(nèi)在聯(lián)系。因此，盡管不同學(xué)段對(duì)同一概念有不同的目標(biāo)、內(nèi)容和要求，但必須站在學(xué)習(xí)進(jìn)階的全局上，觀照這一學(xué)段這一物理概念的定位，并指向物理核心概念，為物理觀念的最終形成而做好鋪墊。

物理概念形成與發(fā)展和學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論對(duì)教師專業(yè)化提出了應(yīng)有的發(fā)展要求。筆者對(duì)幼兒園、小學(xué)、初中、高中以至大學(xué)本科、研究生教學(xué)做過(guò)長(zhǎng)期的觀察、實(shí)踐和研究，對(duì)基礎(chǔ)教育教師的學(xué)術(shù)水平與教學(xué)能力有深切的體會(huì)［13-16］。我國(guó)目前小學(xué)科學(xué)教師非專業(yè)兼課的現(xiàn)象比比皆是，幼兒教師的職前培養(yǎng)中科學(xué)專業(yè)訓(xùn)練的缺失或薄弱是普遍的狀態(tài)，中學(xué)物理教師還存在沒(méi)有學(xué)過(guò)四大力學(xué)，連量子場(chǎng)論是什么都尚未聽說(shuō)過(guò)。許多教師認(rèn)為對(duì)所任教學(xué)段的概念能“理解”就足夠了，關(guān)鍵在解題，對(duì)概念的進(jìn)一步發(fā)展棄置一旁而不屑一顧。我們之所以在本文中從物理概念的形成與發(fā)展和學(xué)習(xí)進(jìn)階的視角論述物理概念的教學(xué)，正是對(duì)此作出呼吁，發(fā)出警示，期盼我國(guó)教師專業(yè)化程度能盡快提高，學(xué)科專業(yè)水平能充分提升，只有這樣，才能為實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

4? ? 結(jié)? 語(yǔ)

物理概念的形成與發(fā)展是長(zhǎng)期的持續(xù)的演進(jìn)過(guò)程，物理概念的學(xué)習(xí)是由于課程內(nèi)容、學(xué)生認(rèn)知的限制而分階段的，但學(xué)習(xí)進(jìn)階的劃分并非割裂整體，不同時(shí)期學(xué)習(xí)概念只能達(dá)成概念的某一個(gè)層級(jí)，卻不是一段概念的局部呈現(xiàn)，概念的構(gòu)成是整體、全局、一體化的，只有這樣認(rèn)識(shí)與處理，才能形成物理觀念，才能達(dá)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）