辨析實驗思想 落實核心素養(yǎng)

張燕怡　劉娜

摘 要：本文為《光的粒子性》一節(jié)中“光電效應實驗規(guī)律”部分的教學設計。教學要點在于讓學生充分利用已有的力學、電磁學知識探索和解決新問題，學會測量性實驗設計的基本思路，能利用現(xiàn)有知識推理、預測實驗現(xiàn)象，并理解實驗結果的微觀含義，從而達到培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)中“科學思維”和“探究精神”的目的。

關鍵詞：光電效應；實驗設計；科學思維；探究精神

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）12-0062-6

1 教材分析

《光的粒子性》（人教版高中物理選修3-5第十七章第二節(jié)）是經(jīng)典物理與量子物理之間的重要銜接，有著復雜而豐富的教學內(nèi)容。教材通過光電效應實驗、愛因斯坦對光電效應的解釋、密立根實驗測普朗克常數(shù)、康普頓散射等幾個重要的物理學歷史事件，逐步揭示出光的波粒二象性，目的是讓學生對此有一個全面而立體的認識。本節(jié)課程容量大、新概念多、邏輯性強，計劃需要三個課時才能全部完成教學任務。

光電效應（實驗設計、現(xiàn)象規(guī)律和解釋）是本節(jié)的根基，在教學中占有最大的比重。對光電效應的理解分為三個層次：第一層次是通過紫外燈照射鋅板的定性實驗，了解光電效應的概念和基本機理（電子吸收光能而克服逸出功）；第二層次是通過定量實驗得出關于飽和光電流、遏止電壓、截止頻率和瞬時性的基本規(guī)律，尤其要理解實驗中宏觀測量量（電流、電壓等）和微觀量（光電子個數(shù)、動能）之間的關聯(lián)，并得出與經(jīng)典理論的矛盾之處；第三層次是愛因斯坦對光電效應的解釋，這是從經(jīng)典電磁波理論向量子論的跨越。

《光電效應》一節(jié)的教材中穿插著大量的實驗、圖像、數(shù)據(jù)分析等科學內(nèi)容，可以借此全面培養(yǎng)學生的物理觀念、科學思維和實驗探究能力等核心素養(yǎng)。此外，本節(jié)課有著厚重的物理學科文化積淀，富含物理學史、創(chuàng)新意識等科學素養(yǎng)，為情感、態(tài)度與價值觀的滲透提供了豐富的空間，也為大學—中學物理課程的銜接提供了卯合點。

為了深入理解愛因斯坦的光子說，學生必須對光電效應的四個實驗現(xiàn)象及背后的物理意義有深刻而清醒的認識。因此，在教學之初拿出一整節(jié)課，深入分析光電效應實驗設計思想及實驗結果?！豆獾牧Ｗ有浴方虒W內(nèi)容分割情況如圖1所示，第一課時收尾于得出實驗規(guī)律并引出矛盾，將愛因斯坦的光子說放在第二課時，這是為了讓學生首先對實驗進行深刻理解，并有一個消化的過程。

本文即為第一課時“光電效應實驗規(guī)律”的教學設計。

2 學情分析

在之前的學習中，學生已經(jīng)通過對幾何光學、物理光學、麥克斯韋電磁場理論等的學習初步建立起了“光是一種電磁波”的觀念。另一方面在前一節(jié)課“能量量子化”中，通過普朗克對黑體輻射規(guī)律的解釋，了解了電磁波輻射和吸收能量的不連續(xù)性以及“能量子”概念。但波動性和粒子性的矛盾在此刻尚未完全展現(xiàn)，學生體會并不深刻。

相較黑體輻射，光電效應的現(xiàn)象和實驗更易被學生接受和理解。實驗中涉及到很多已有知識的應用，比如：驗電器的原理、電場、電路設計、帶電粒子在電場中的運動、動能定理等，教師可以充分利用這些素材，培養(yǎng)學生運用已有知識技能探索新現(xiàn)象、解決新問題的能力，這和近幾年的高考命題趨勢一致，也有利于培養(yǎng)學生終身學習的能力。學生能夠利用熟悉的電磁學知識進行一些定量計算和分析推論，預言實驗結果。而正因如此，當他們看到光電效應規(guī)律與經(jīng)典電磁理論矛盾時，才會感受到認知的巨大沖擊，這一沖擊正是引導學生接受量子理論的契機。

3 教學目標

本節(jié)課的教學目標是以《普通高中物理課程標準》為依據(jù)，結合核心素養(yǎng)和“大學—中學”銜接的培養(yǎng)方向所擬定。

3.1 知識技能

（1） 知道光電效應，理解光電子和逸出功的概念，知道光電管的基本構造和原理；

（2） 理解光電效應四個實驗規(guī)律，知道實驗測量量與微觀量之間的聯(lián)系、實驗結果與經(jīng)典理論的矛盾之處。

3.2 過程方法

（1）經(jīng)歷光電效應定性實驗探究過程，體會“發(fā)現(xiàn)問題—理論分析—實驗驗證—解決問題”的實驗探究思路；

（2）體會光電管定量實驗的設計思想，并對實驗結果進行預測，學會利用已有知識探索未知問題的方法。

3.3 情感、態(tài)度與價值觀

（1） 通過親身實驗、設計實驗以及結果分析的過程，培養(yǎng)科學思維和探究精神，體會物理學的邏輯之美；

（2） 學會當實驗結果與預期不符時“尊重數(shù)據(jù)，事實求是”的科學精神，學習科學家們嚴謹求實的科學態(tài)度和敢于跳出思維局限的創(chuàng)新意識。

4 教學重難點

重點：

（1）光電效應實驗設計思想；

（2）做好光電效應定量實驗，導出四個實驗規(guī)律并進行分析。

難點：

理解光電效應四個實驗規(guī)律背后的物理內(nèi)涵，在微觀量和宏觀量之間建立聯(lián)系。

5 設計思想

“光電效應實驗規(guī)律”一課概念多、內(nèi)容雜、邏輯性較強，對學生思維能力要求較高。為了讓學生深入理解，教師應充分尋找新實驗、新現(xiàn)象和學生已有知識之間的掛靠點，用“支架”在新舊知識間建立起聯(lián)系；同時，教學過程中應通過合理的問題設計進行啟發(fā)，盡量避免教師的“一言堂”和“滿堂灌”現(xiàn)象。本節(jié)課設計過程中理論與實驗并舉，既有學生的定性探究，又有教師的定量演示和數(shù)據(jù)處理展示。光電管的定量實驗雖然無法讓每位同學親身嘗試（事實上這個實驗并不好做，因為各種誤差，導致結果與規(guī)律經(jīng)常不符），但對于實驗設計思想以及實驗現(xiàn)象背后的物理內(nèi)涵，力求通過引導討論，讓學生自己得出結論。教師在此充當器材提供者、目標提出者和實驗操作者，教師的操作將由學生的討論結果來決定。實驗教學不僅僅是動手“做實驗”，更重要的是“為什么要如此設計實驗”，以及對實驗現(xiàn)象進行分析，這是“科學思維”和“探究精神”培養(yǎng)的核心所在。

教學流程如圖2所示：

6 教學資源

（1）學生定性實驗器材：鋅板、紫外光燈、驗電器、毛皮、橡膠棒、砂紙等，如圖3所示。

（2）教師演示實驗器材：光電流及遏止電壓測量電路（由光具座、白熾燈、濾光片、光電管、電源、滑動變阻器、指針式電壓表、數(shù)字毫安表等器材人工搭建而成），平板電腦及支架（用于將電表的示數(shù)結果投影到大屏幕上，便于全體學生見證），如圖4所示。

（3）自制多媒體課件（內(nèi)含多個動畫）。

8 教學評價與反思

本節(jié)課的最大亮點在于創(chuàng)設了“科學研究”情境，引導學生設計光電效應實驗方案，重溫科學家們走過的歷史。這是一種以高中知識為切入點，融合大學科研方法的改進型教學手法，不僅有助于培養(yǎng)學生的科學思維和探究精神，更能把高校科研中的方法和態(tài)度潛移默化地傳遞給學生，無形之中培養(yǎng)著未來可能的科研工作者。本節(jié)課雖為物理教學常規(guī)課，但本課淡化了高中與大學的分界線，可以作為大中學銜接教學的參考。

經(jīng)過實踐，本節(jié)課基本能達到最初設計的教學目標。學生們“學有所獲”，并能夠在課上展開充分的討論與思考。

參考文獻：

[1]趙凱華.有關光電效應和康普頓效應的若干問題[J]. 物理教學，2013（1）：2-4.

[2]高佳杰. 高中物理中光電效應的教學探索[J]. 教育（文摘版），2015（10）：00267-00267.

[3]劉娜，胡繼超，宓奇.基于大中銜接的高中物理選修課程設計[J].物理與工程，2016，26（6）：78-83.

（欄目編輯 鄧 磊）endprint