在高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

李小英

【摘要】 ?“科學(xué)探究”是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制訂方案、獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋?zhuān)约皩?duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力?？茖W(xué)探究也是物理核心素養(yǎng)之一。本文以高中物理“光電效應(yīng)”教學(xué)培養(yǎng)科學(xué)探究能力為例，從教學(xué)設(shè)計(jì)、教材處理、課堂教學(xué)等方面進(jìn)行分析，在教學(xué)實(shí)例中滲透科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 ?高中物理 “光電效應(yīng)” 科學(xué)探究

【中圖分類(lèi)號(hào)】 ?G633.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 ?A 【文章編號(hào)】 ?1992-7711（2019）12-070-02

日前，中國(guó)華為遭遇了來(lái)自美國(guó)的遏制打壓，華為及華為總裁多次成為國(guó)人關(guān)注的焦點(diǎn)。之所以出現(xiàn)這種局面，是因?yàn)槿A為5G技術(shù)領(lǐng)跑全球，華為對(duì)于核心科技方面的研究和成就，正是創(chuàng)新探究能力的突破，這也是引起了美國(guó)恐慌的原因。

民族振興離不開(kāi)科技的發(fā)展，具有科學(xué)探究能力的人才是科技發(fā)展的需要，尤其是在核心技術(shù)領(lǐng)域更加需要具備科學(xué)探究能力。在日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力。科技創(chuàng)新能力在一定程度上決定著我國(guó)在國(guó)際上的話(huà)語(yǔ)權(quán)。而科技創(chuàng)新能力又來(lái)源于個(gè)體對(duì)科學(xué)主動(dòng)自發(fā)的探究精神?；诖?，近幾年的全國(guó)卷高考物理命題變化趨勢(shì)和改革方向來(lái)看，試卷中考查學(xué)生探究能力的試題累見(jiàn)不鮮。

所以，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力成為高中物理教學(xué)的重要目標(biāo)。

一、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是中學(xué)物理教育的核心素養(yǎng)之一

2018年1月，在教育部頒布的我國(guó)普通高中新課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)中，首次提出了“學(xué)科核心素養(yǎng)”的概念，這是此次普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂工作中的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)于學(xué)校課程改革具有指導(dǎo)意義，義務(wù)教育階段新一輪的課程改革正以核心素養(yǎng)為核心框架全面推行。物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和更關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成。物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”四方面。

二、粵教版《光電效應(yīng)》教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)探究能力例析

1.課前導(dǎo)入的合理設(shè)計(jì)有利于科學(xué)探究能力的培養(yǎng)

在新課學(xué)習(xí)前，通常要復(fù)習(xí)已學(xué)知識(shí)提出新課學(xué)習(xí)目標(biāo)的引入過(guò)程，這個(gè)過(guò)程作用設(shè)計(jì)得好可以起到承上啟下，統(tǒng)領(lǐng)一節(jié)課教學(xué)的作用?；浗贪娴墓怆娦?yīng)教學(xué)放在第二章波粒二象性的第一節(jié)內(nèi)容，而在此之前學(xué)生們對(duì)于《選修3-4》學(xué)到的波動(dòng)性有一定的認(rèn)識(shí)。在開(kāi)始進(jìn)行第一節(jié)教學(xué)之前應(yīng)該要進(jìn)行知識(shí)回顧波動(dòng)性的特點(diǎn)，要通過(guò)物理學(xué)史關(guān)于“光的本性”的研究的分享培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代化手段獲取知識(shí)的能力，同時(shí)也明確為什么要學(xué)習(xí)“光電效應(yīng)”，在物理學(xué)史的查詢(xún)和學(xué)習(xí)中，同學(xué)們也能夠體會(huì)到“科學(xué)探究”精神的重要性，就如波動(dòng)理論和粒子理論在歷史上的博弈一樣，不斷研究不斷更新不斷修正。

2.在引入光電效應(yīng)概念巧設(shè)情景，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的習(xí)慣

光電效應(yīng)規(guī)律是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察得出光電效應(yīng)規(guī)律是非常重要和有效的手段。

結(jié)合教材中的電路圖，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)裝置，從而認(rèn)識(shí)光電管。這個(gè)過(guò)程中教師不應(yīng)直接介紹器材，而是采用提問(wèn)式，讓學(xué)生先觀察后回答。在此基礎(chǔ)上教師再進(jìn)一步說(shuō)明光電管的工作原理。這樣有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極思維。

演示實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)階段，第一階段老師按照設(shè)定程序演示，但不提醒學(xué)生要觀察什么，不告訴學(xué)生具體怎么操作的，然后問(wèn)學(xué)生觀察到什么規(guī)律?？上攵?，學(xué)生很難回答出來(lái)，這時(shí)候讓學(xué)生回答為什么無(wú)法總結(jié)規(guī)律出來(lái)，通過(guò)這種方式引導(dǎo)學(xué)生觀察和記錄，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)未知的探究方法，這也是一種挫折教育，挫折是在科學(xué)探究路上必然會(huì)遇到的，學(xué)會(huì)在挫折中成長(zhǎng)是非常必要的。待學(xué)生重新理清思路后，就可以讓學(xué)生來(lái)口述該怎么操作，而教師在學(xué)生的“指導(dǎo)”下進(jìn)行操作，或者直接由學(xué)生自己上講臺(tái)操作，這樣，把學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位突出了。同時(shí)，學(xué)生通過(guò)主動(dòng)思考探究、動(dòng)手操作，提升了探究能力。

具體教學(xué)過(guò)程如下;

實(shí)驗(yàn)1：把電源接通，檢流裝置接上，觀察電流計(jì)指針，分析原因。

（電路還處于斷開(kāi)狀態(tài).鋅板和銅網(wǎng)之間是空氣，不能導(dǎo)電，所以電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)。）

實(shí)驗(yàn)2：用紫外線(xiàn)照射鋅板，觀察用紫外線(xiàn)照射鋅板時(shí)，看到了什么現(xiàn)象？為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？

（看到電流計(jì)指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明電路中出現(xiàn)了電流.）

追問(wèn)：分析電流可能是哪種原因產(chǎn)生的？

（可能是紫外線(xiàn)使空氣電離，也可能是紫外線(xiàn)使鋅板飛出了電子。）

教師用銅板代替鋅板，則指針不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣，排除排除了空氣被電離的可能性.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)：鋅板在紫外線(xiàn)的照射下，飛出了電子，這種物體在光照下有電子飛出的現(xiàn)象叫光電效應(yīng);在光照下從物體中飛出的電子叫光電子，電路中的電流叫光電流。此時(shí)引入光電效應(yīng)的概念。

3.在研究光電規(guī)律的過(guò)程，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)問(wèn)題，提升科學(xué)探究能力

有了光電效應(yīng)概念之后就是研究光電效應(yīng)規(guī)律，研究前學(xué)生進(jìn)行猜想，可能與哪些方面有關(guān)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作的具體方案。

實(shí)驗(yàn)3：光源改變是否影響光電效應(yīng)現(xiàn)象？

方案：用應(yīng)急燈的可見(jiàn)光照射鋅板，觀察電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn);而后用x射線(xiàn)照射鋅板，觀察電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

結(jié)論：可見(jiàn)光頻率較低，不能發(fā)生光電效應(yīng)，x射線(xiàn)頻率較高，可以發(fā)生光電效應(yīng)。

教師總結(jié)：可見(jiàn)光，紫外線(xiàn)，x射線(xiàn)都是電磁波，只是頻率高低不同。用不同頻率的各種電磁波照射同一種金屬板，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率低到一定程度后，不論怎樣增大入射光強(qiáng)度，怎樣延長(zhǎng)照射時(shí)間，都無(wú)法發(fā)生光電效應(yīng)，這一頻率界限就叫極限頻率。

增加對(duì)比實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生觀察在能發(fā)生光電效應(yīng)的情況下，從光照開(kāi)始到光電效應(yīng)發(fā)生，需要的時(shí)間長(zhǎng)短，觀察發(fā)現(xiàn)光照和指針偏轉(zhuǎn)幾乎是同時(shí)的。

結(jié)論：光電效應(yīng)發(fā)生非?？?，科學(xué)家用儀器測(cè)出了光電效應(yīng)的發(fā)生時(shí)間，在10-9s以下。在這段時(shí)間中，光只能通過(guò)約20-30cm的距離，可以說(shuō)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的。

實(shí)驗(yàn)4：發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，若將高壓電源去掉，電流計(jì)中仍能發(fā)現(xiàn)有電流通過(guò)，這說(shuō)明什么呢？

結(jié)論：飛出的電子不需要加速電壓，能從鋅板飛向銅網(wǎng)，這也說(shuō)明飛出的電子具有一定的初速度，具有一定的初動(dòng)能。

追問(wèn)：光電子的這一初動(dòng)能是從哪里來(lái)的呢？

從入射光中獲得，用不同的光——不同頻率，不同光強(qiáng)——照射同一金屬。發(fā)現(xiàn)：光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與入射光頻率有關(guān)，并且隨入射光頻率的增大而增大。

實(shí)驗(yàn)5：入射光強(qiáng)可以對(duì)什么發(fā)生影響呢？

操作：把紫外線(xiàn)管靠近鋅板，改變紫外線(xiàn)管與鋅板的距離，觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)幅度相應(yīng)地發(fā)生變化。

追問(wèn)3：這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明什么？

說(shuō)明入射光強(qiáng)度增大時(shí)，光電流強(qiáng)度也增大。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析、追問(wèn)思考等，得出了光電效應(yīng)的規(guī)律。

4.通過(guò)“波動(dòng)理論在解釋光電效應(yīng)時(shí)的矛盾”的教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)探究過(guò)程不斷鉆研的精神

為什么說(shuō)光的波動(dòng)理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律？從光電效應(yīng)的發(fā)生過(guò)程來(lái)看，電子吸收入射光能量后才能掙脫原子核的束縛，所以我們應(yīng)從能量的角度來(lái)分析光效應(yīng).光的波動(dòng)理論是這樣描述光的能量的：（1）能量是連續(xù)的;（2）振幅（光強(qiáng)）越大，光能越大，光的能量與頻率無(wú)關(guān).大家想一想，波動(dòng)理論為什么無(wú)法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律？

（1）我們先來(lái)分析第一條規(guī)律：存在極限頻率。

按波動(dòng)理論，不論什么頻率的光，只要光強(qiáng)足夠大，就應(yīng)該發(fā)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在極限頻率。

（2）波動(dòng)理論能解釋光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)嗎？

按波動(dòng)理論，入射光強(qiáng)越大，光能越大，飛出的光電子初動(dòng)能就應(yīng)越大，事實(shí)是光電子的最大初動(dòng)能僅與入射光頻率有關(guān)。

（3）光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的，也就是說(shuō)，不論入射光強(qiáng)多么弱，只要，就立即能發(fā)生光電效應(yīng)。光太弱時(shí)，按波動(dòng)理論，要達(dá)到使光電子飛出的能量，要有一個(gè)能量積累過(guò)程。事實(shí)上光電效應(yīng)幾乎瞬時(shí)發(fā)生說(shuō)明一旦發(fā)生光電效應(yīng)，幾乎不需要能量的積累過(guò)程。（板書(shū)：3、弱光照射時(shí)應(yīng)有能量積累過(guò)程，不應(yīng)瞬時(shí)發(fā)生）

（4）波動(dòng)理論能夠解釋第四條規(guī)律——隨著光強(qiáng)的增大，光電流也在增大。

通過(guò)上面的分析，光的波動(dòng)理論在解釋光電效應(yīng)時(shí)遇到了巨大的困難。后來(lái)，愛(ài)因斯坦在普朗克量子化理論的啟發(fā)下，提出了光子學(xué)說(shuō)。

三、粵教版《光電效應(yīng)》教學(xué)中過(guò)程的反思

教學(xué)中科學(xué)探究能力的培養(yǎng)非常重要，然而實(shí)際教學(xué)中存在幾個(gè)問(wèn)題：

（1）教學(xué)設(shè)備的局限直接影響了教學(xué)效果。本節(jié)內(nèi)容由于教學(xué)設(shè)備有限，大部分學(xué)校只有一套演示實(shí)驗(yàn)器材，這樣學(xué)生無(wú)法人人動(dòng)手參與操作，只能在老師的引導(dǎo)下觀察，這大大約束了學(xué)生思考，束縛了學(xué)生發(fā)展。如果實(shí)驗(yàn)設(shè)備充足，學(xué)生可以多角度全方位的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，探究過(guò)程觀察到不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，然后進(jìn)一步分析思考，通過(guò)教材學(xué)習(xí)對(duì)比經(jīng)典物理局限性。

（2）符合認(rèn)知順序的編寫(xiě)才能更有效促進(jìn)學(xué)生能力的提升。選修3-5教材編寫(xiě)順序是光電效應(yīng)——能量量子化——原子結(jié)構(gòu)——能級(jí)結(jié)構(gòu)，這樣的內(nèi)容編排順序?qū)е聦W(xué)生學(xué)習(xí)光電效應(yīng)時(shí)，學(xué)生對(duì)量子物理與經(jīng)典物理之間關(guān)系缺少基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)，對(duì)于能量量子化毫無(wú)認(rèn)識(shí)，光電效應(yīng)一節(jié)，新概念多且抽象、概念之間的關(guān)系緊密又復(fù)雜，又要引導(dǎo)同學(xué)們以新舊兩種觀念分析同一問(wèn)題，在比較中體驗(yàn)新觀念的意義，理解物理理論的發(fā)展規(guī)律、領(lǐng)會(huì)自然科學(xué)的發(fā)展觀。光電效應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)是電子獲得足夠的能量成為自由電子，其實(shí)就是能級(jí)躍遷中的電離。而現(xiàn)在這種教材編排，在客觀上就加大了本節(jié)課的授課難度。

（3）培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力還有賴(lài)于教師有較強(qiáng)的綜合素質(zhì)。

科學(xué)探究能力是一種更為“高級(jí)”的能力。要想培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，老師自身必須要有扎實(shí)過(guò)硬的綜合素質(zhì)。針對(duì)部分高中物理教師綜合素質(zhì)偏低現(xiàn)狀，應(yīng)該從其提升綜合素質(zhì)及專(zhuān)業(yè)能力入手，將理論培訓(xùn)、實(shí)踐鍛煉進(jìn)行有效結(jié)合，具體如下：第一、對(duì)高中物理教師進(jìn)行理論培訓(xùn)及知識(shí)鞏固，強(qiáng)化其自身的知識(shí)儲(chǔ)備及應(yīng)用能力，保證滿(mǎn)足實(shí)際課堂教學(xué)需求。第二、不斷加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)及理論知識(shí)融合，對(duì)教師實(shí)際課堂教學(xué)技巧及方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)傳授及指導(dǎo)，通過(guò)邀請(qǐng)著名教學(xué)專(zhuān)家，將人才培養(yǎng)方式及科學(xué)探索能力提高作為具體培訓(xùn)內(nèi)容。第三、樹(shù)立教師科學(xué)意識(shí)及理念形成，將傳統(tǒng)的滯后性教學(xué)理念進(jìn)行摒棄，樹(shù)立科學(xué)意識(shí)，將科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)分析、科學(xué)引導(dǎo)作為實(shí)際課堂教學(xué)重要核心，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力的奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

科學(xué)探究能力是科學(xué)素養(yǎng)的核心部分，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是每個(gè)學(xué)科、每位老師都要思考和踐行的。中學(xué)物理在培養(yǎng)科學(xué)探究能力方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，教師在課堂中精心設(shè)計(jì)問(wèn)題、引導(dǎo)思考、調(diào)動(dòng)學(xué)生積極參與等方式，想方設(shè)法挖掘教材的內(nèi)涵和外延，在課堂教學(xué)中可以有效地培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)探究能力。

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