对“光的波粒二象性”的认知与教学

光电效应以及康普顿效应表明了光具有粒子性； 光的干涉和光的衍射表明了光具有波动性．光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性．光的波粒二象性为德布罗意的物质波的提出和量子力学的建立提供了实验基础．但“光的波粒二象性”对大数中学生这个模型就是图式．例如，讲到气体分子的热运动时，我们把气体分子想象成一个个刚性小球，在容器中做无规则运动；讲到电流时我们想到水流，带电微粒在导体里的流动就像水流一样．图式是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础．因此，图式的形成和变化是认知发展的实质，认知发展受三个过程的影响：即同化、顺应和平衡．同化是指学习个体对刺激输入的过滤或改变过程．也就是说个体在感受刺激时，把它们纳入头脑中原有的图式之内，使其成为自身的一部分；顺应是学习者调节自己的内部结构以适应特定刺激情境的过程．当学习者遇到不能用原有图式来同化新的刺激时，便要对原有图式加以修改或重建，以适应环境；平衡是指学习者个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的过程．由此可见，同化是认知结构数量的扩充，而顺应则是认知结构性质的改变．认知个体就是通过同化与顺应这两种形式来达到与周围环境的平衡；当能用现有图式去同化新信息时，他是处于一种平衡的认知状态；而当现有图式不能同化新信息时，平衡即被破坏，而修改或创造图式的过程就是寻找新的平衡的过程．个体的认知结构就是这样通过同化与顺应过程逐步建构起来，并在“平衡一不平衡一新的平衡”的循环中得到不断的丰富、提高和发展．

对于“光的波粒二象性”，当我们观察到光的波动性时，就会联想到水波和电磁波这样的图式；观察到光的粒子性时，就会联想到飞行着的子弹这样的图式．但这两个图式都无法把一个图式纳入到另一个图式中去进行同化，必须经过顺应，创造一个新的图式来容纳光既表现出波动性，又表现出粒子性，使认知结构发生了质的变化．而在我们经验中找不到既是波，又是粒子的东西这样一个图式，因此，学生对“光的波粒二象性”就感到难以接受．这就是为什么难于理解的原因．

二、难点突破

在教学过程中，为了突破这个难点，笔者采用多媒体课件模拟实验与演示实验相结合的办法进行教学，向学生提供丰富的感性材料，创设情境，来促进理性认识的产生，创造一个新的图式．

1．沙堆形成演示实验

首先，做一个沙堆形成的演示实验．沙堆由一颗颗分立的沙粒组成，但是，一堆沙子包含的沙粒太多了，如果要测量沙堆的体积时可以认为这些沙粒是连续



来说，都感到很抽象，比较难于理解．笔者从认知的角

度谈谈难于理解的原因，以及在教学过程中突破这一

难点的方法．

一、认知原因

皮亚杰认为，学习的过程就是图式、同化、顺应和平衡所构成的认知过程．建构主义学习理论的一个重要概念是图式，图式是指个体对世界的知觉理解和思考方式．我们在思考物理概念或者物理规律时，往往在头脑中产生一个模型，用它代表不能直接看到的东西，

这个模型就是图式．例如，讲到气体分子的热运动时，我们把气体分子想象成一个个刚性小球，在容器中做无规则运动；讲到电流时我们想到水流，带电微粒在导体里的流动就像水流一样．图式是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础．因此，图式的形成和变化是认知发展的实质，认知发展受三个过程的影响：即同化、顺应和平衡．同化是指学习个体对刺激输入的过滤或改变过程．也就是说个体在感受刺激时，把它们纳入头脑中原有的图式之内，使其成为自身的一部分；顺应是学习者调节自己的内部结构以适应特定刺激情境的过程．当学习者遇到不能用原有图式来同化新的刺激时，便要对原有图式加以修改或重建，以适应环境；平衡是指学习者个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的过程．由此可见，同化是认知结构数量的扩充，而顺应则是认知结构性质的改变．认知个体就是通过同化与顺应这两种形式来达到与周围环境的平衡；当能用现有图式去同化新信息时，他是处于一种平衡的认知状态；而当现有图式不能同化新信息时，平衡即被破坏，而修改或创造图式的过程就是寻找新的平衡的过程．个体的认知结构就是这样通过同化与顺应过程逐步建构起来，并在“平衡一不平衡一新的平衡”的循环中得到不断的丰富、提高和发展．

对于“光的波粒二象性”，当我们观察到光的波动性时，就会联想到水波和电磁波这样的图式；观察到光的粒子性时，就会联想到飞行着的子弹这样的图式．但这两个图式都无法把一个图式纳入到另一个图式中去进行同化，必须经过顺应，创造一个新的图式来容纳光既表现出波动性，又表现出粒子性，使认知结构发生了质的变化．而在我们经验中找不到既是波，又是粒子的东西这样一个图式，因此，学生对“光的波粒二象性”就感到难以接受．这就是为什么难于理解的原因．

二、难点突破

在教学过程中，为了突破这个难点，笔者采用多媒体课件模拟实验与演示实验相结合的办法进行教学，向学生提供丰富的感性材料，创设情境，来促进理性认识的产生，创造一个新的图式．

1．沙堆形成演示实验

首先，做一个沙堆形成的演示实验．沙堆由一颗颗分立的沙粒组成，但是，一堆沙子包含的沙粒太多了，如果要测量沙堆的体积时可以认为这沙粒是连续

的．从这个事例中可以看出，有些看起来是连续的东西，从另一个角度去观察时，又会发现它是不连续的．同样，对于一束光，通常看来是连续的，但它也可以看做是很多不连续的光子组成的．

2．模拟双缝干涉实验

接着，演示双缝干涉模拟实验．此课件可以利用 Authorware进行制作，用红色光点代表光子．先让光子一个一个地通过双缝打在白色的光屏上。单击鼠标几次(如10次)，当光子数较少时，打在光屏上只是一些无规则的散落点，这就清楚地显示了光的粒子性．单个光子通过双缝后的落点无法预测，当打在光屏上的光子数量很多时(如100个)，就会发现，光子落在某些条形区域内可能性较大，这些条形区域正是红光通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域．然后，再让这100个光子一次性通过双缝，得到的干涉图样跟光子一个一个地通过双缝得到的干涉图样完全一样．通过这个模拟实验，就可以很好地说明，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，可以用波动规律来描