基于導(dǎo)學(xué)研討式教學(xué)的大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計
——以“光電效應(yīng)”為例

李 霞 龔艷春 何蘇紅 陳 磊 黃雁華

（陸軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部 江蘇南京 211100）

大學(xué)物理是高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課，主要作用是為學(xué)生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，增強學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識。高等教育的目的是培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新型人才，如何通過這門課程實現(xiàn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，使學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識得到很好培養(yǎng)顯得尤為重要[1]。

“光電效應(yīng)”是屬于大學(xué)物理近代物理學(xué)部分的內(nèi)容，內(nèi)容安排上處于黑體輻射及能量子假說之后。其具體內(nèi)容包括：（1）光電效應(yīng)的實驗規(guī)律；（2）光量子假說及其對光電效應(yīng)的解釋；（3）光電效應(yīng)在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用。

“光電效應(yīng)”無論從知識結(jié)構(gòu)還是人文精神以及現(xiàn)實應(yīng)用上都有著豐富的內(nèi)涵，教學(xué)設(shè)計采用導(dǎo)學(xué)研討式與線上線下混合式教學(xué)相結(jié)合，整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以充分體現(xiàn)大學(xué)物理課程教學(xué)的知識價值、方法價值、人文價值和軍事應(yīng)用價值。

一、教學(xué)目標(biāo)

【知識目標(biāo)】理解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律及經(jīng)典物理解釋光電效應(yīng)的困難，理解光量子理論，掌握愛因斯坦光電方程，能夠用光量子理論解釋光電效應(yīng)，了解光電效應(yīng)的實際應(yīng)用。

【能力目標(biāo)】通過課前預(yù)習(xí)、課堂思考與討論、課后拓展作業(yè)等活動，培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻資料，獨立獲取知識的能力、分析問題和解決問題的能力、語言表達與合作能力等，帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)略“提出問題—大膽假設(shè)—論證分析—實驗驗證”的研究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法、科學(xué)研究能力。

【情感與價值觀目標(biāo)】體驗探究自然界規(guī)律的艱辛、喜悅與方法，學(xué)習(xí)物理學(xué)家們勤于思考、敢于堅持真理，勇于創(chuàng)新、求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，進一步強化物理學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)變物理學(xué)習(xí)態(tài)度。

二、導(dǎo)學(xué)研討式教學(xué)實施設(shè)計

根據(jù)“學(xué)為主體，教為主導(dǎo)”和“能力為本”的教學(xué)理念，依托SPOC平臺，采取導(dǎo)學(xué)研討式的教學(xué)方法，按照課前導(dǎo)學(xué)、課中研討和課后拓展學(xué)習(xí)的順序設(shè)計教學(xué)流程，將課堂與課外學(xué)習(xí)有機結(jié)合，全面促進和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)問題能力，培養(yǎng)學(xué)生的批判精神和合作交流意識[2-3]。

1.課前導(dǎo)學(xué)

教師活動：

通過 SPOC 平臺發(fā)布導(dǎo)學(xué)案，建立知識點目錄樹，推送相關(guān)學(xué)習(xí)資源（包括“光電效應(yīng)”的電子教案、視頻文件、相關(guān)物理學(xué)史、物理學(xué)家的生平事跡介紹、相關(guān)物理學(xué)原理的應(yīng)用、文獻等），引導(dǎo)學(xué)生預(yù)學(xué)，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，鼓勵其通過平臺展開討論，提交問題。教師及時答疑，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析，了解學(xué)生的課前預(yù)學(xué)情況。

學(xué)生活動：

在線預(yù)學(xué)，自測。設(shè)計意圖：使學(xué)生以教師設(shè)計的導(dǎo)學(xué)案為引導(dǎo)，通過閱讀教材、觀看視頻、閱讀文獻、完成自測題，進行有效的課前預(yù)學(xué)，并及時地在SPOC平臺反饋預(yù)習(xí)效果，提出疑惑，增強其主動提問和交流討論的意識，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。教師了解學(xué)生預(yù)學(xué)情況及集中存在的問題，才能切實提高課堂效率與學(xué)習(xí)效果。

2.課中研討

（1）播放視頻，創(chuàng)設(shè)情境，引入光電效應(yīng)。

教師活動：

①播放一段關(guān)于微光夜視儀及其在戰(zhàn)場應(yīng)用的視頻，時長大概40秒，創(chuàng)造軍事特色情境，引導(dǎo)思考微光夜視儀的工作原理是什么？引入光電效應(yīng)。

②提問：什么是光電效應(yīng)？

配合彩色圖片講解，簡要介紹發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的歷史，最早由赫茲發(fā)現(xiàn)，萊納德對此進行了系統(tǒng)的實驗研究。

學(xué)生活動：

①觀看夜視儀及其在戰(zhàn)場應(yīng)用的視頻，激發(fā)興趣，探究其工作原理；

②回答問題。

設(shè)計意圖：從一個具有軍事特色的應(yīng)用實例出發(fā)，抓住學(xué)生的眼球，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與興趣，引起學(xué)生的共鳴。

（2）總結(jié)光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。

教師活動：

①提問：萊納德對光電效應(yīng)進行了系統(tǒng)的實驗研究，而他的發(fā)現(xiàn)讓當(dāng)時的物理學(xué)家們大惑不解，他都發(fā)現(xiàn)了些什么結(jié)果？

請學(xué)生結(jié)合預(yù)習(xí)情況說說對光電效應(yīng)實驗結(jié)果的了解，引導(dǎo)大家盡可能地把看到的、了解到的都描述出來。

②板書總結(jié)：光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。

在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，補充完善，結(jié)合實驗曲線，帶領(lǐng)學(xué)生一起，板書總結(jié)出光電效應(yīng)四條實驗規(guī)律：

○存在截止頻率（紅限）ν0；

○瞬時性；

○飽和光電流與入射光的光強成正比。

在飽和狀態(tài)下，單位時間由陰極發(fā)出的光電子數(shù)與光強成正比。

○遏止電勢差的大小與入射光的頻率呈線性關(guān)系，與光強無關(guān)。

即光電子最大初動能隨入射光頻率增大而線性增大，與光強無關(guān)。

學(xué)生活動：

①結(jié)合預(yù)習(xí)情況，在教師的引導(dǎo)下，觀察分析，回答問題，總結(jié)實驗規(guī)律。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生把預(yù)習(xí)了解到的光電效應(yīng)的實驗情況盡可能地描述出來，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、歸納總結(jié)的能力，在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，教師進一步引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生深入思考，嚴謹縝密的能力。

（3）分析波動理論在解釋光電效應(yīng)時的困難 。

教師活動：

①提問：這些結(jié)論讓19世紀末20世紀初的物理學(xué)家們大惑不解，為什么呢？你看到這些結(jié)論有沒有覺得不解？

請學(xué)生結(jié)合波動理論分析一下光電效應(yīng)的實驗結(jié)論是否合理，根據(jù)學(xué)生回答的情況適當(dāng)輔助引導(dǎo)，得到結(jié)論：

（a）按照經(jīng)典電磁理論，不論入射光的頻率如何，物質(zhì)中的電子在電磁波作用下總是能夠獲得足夠能量而逸出，因而不應(yīng)存在紅限頻率；（b）逸出電子的初動能應(yīng)隨入射光強的增大而增大，與入射光的頻率無關(guān)；（c）如果入射光的光強很小，則物質(zhì)中的電子必須經(jīng)過較長時間的積累，才有足夠能量而逸出，因而光電子的逸出不應(yīng)具有瞬時性。

②總結(jié)：經(jīng)典物理在解釋光電效應(yīng)時遇到無法克服的困難。

學(xué)生活動：

①思考，討論分析，表達自己的見解，得到結(jié)論。

設(shè)計意圖：鼓勵學(xué)生把疑惑之處明確表達出來，培養(yǎng)深入思考，邏輯分析的能力，培養(yǎng)大膽質(zhì)疑，勇于表達見解的精神，同時鍛煉學(xué)生的口頭表達能力。而了解到物理學(xué)家們跟大家一樣也有相同的困惑，可以拉近物理學(xué)跟大家的距離，增強大家學(xué)習(xí)的信心，進一步強化物理學(xué)習(xí)興趣，提高參與課堂的層次。

（4）介紹愛因斯坦光量子假說，并用光量子假說解釋光電效應(yīng)。

教師活動：

①提問：既然波動理論解釋不了光電效應(yīng)實驗結(jié)論，說明波動理論是有局限性的，那怎么辦？光電效應(yīng)怎么解釋呢？

②引導(dǎo)回顧：前一節(jié)課，我們講黑體輻射的時候，黑體輻射的實驗規(guī)律與經(jīng)典物理產(chǎn)生了無法調(diào)和的矛盾，后來是如何解決的這一問題呢？（引導(dǎo)學(xué)生回顧普朗克能量子假說）

③介紹愛因斯坦光量子假說。

④引導(dǎo)思考。按照光子概念，當(dāng)光入射到金屬表面時，光子與電子相互作用，這一過程的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系是怎樣的？從而得到愛因斯坦光電效應(yīng)方程：

⑤提問：根據(jù)光量子假說，能不能解釋光電效應(yīng)實驗?zāi)兀?/p>

請學(xué)生分組討論，然后請一個學(xué)生代表到講臺上板書講解利用光量子假說如何解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。

⑥總結(jié)：光量子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)的所有規(guī)律。

學(xué)生活動：

①思考，回顧，回答問題（普朗克提出能量子假說解釋了黑體輻射的實驗曲線）。

②根據(jù)教師的引導(dǎo)，分析，推論。

③分組討論，學(xué)生代表上講臺板書講解。

設(shè)計意圖：介紹光量子假說提出時期的科學(xué)背景，讓學(xué)生更多地了解物理學(xué)不斷發(fā)展、不斷前進的過程，同時，學(xué)習(xí)愛因斯坦的科學(xué)思想和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。一方面，板書講解可以促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)、思考，加深對內(nèi)容的理解；另一方面，板書講解也可鍛煉學(xué)生的邏輯分析、語言表達、板書書寫等各方面的能力。

（5）介紹密立根對光電效應(yīng)方程的實驗驗證工作。

教師活動：

①引導(dǎo)：愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認，因為它完全違背了經(jīng)典的波動理論，而且沒有更多的實驗事實支持光電方程給出的定量關(guān)系，所以，光量子假說還只能稱之為假說，要被承認為真理，還需要精確的實驗驗證。是誰第一個驗證了愛因斯坦的光電方程呢？是美國物理學(xué)家密立根。

介紹密立根為驗證光電方程所做的工作，密立根花了十年時間做實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，測出的h值與理論值完全一致，從而證明了光量子理論的正確性，圖片展示密利根發(fā)表的論文記錄的光電效應(yīng)實驗曲線。

3.課后拓展

教師活動：

①引導(dǎo)：“光電效應(yīng)”所講的光照射到金屬表面有電子逸出，這種光電效應(yīng)通常稱為外光電效應(yīng)，與之對應(yīng)的，還有內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)也有非常廣泛的應(yīng)用。比如，光敏電阻、CCD相機、光伏發(fā)電等。課后，請有余力的學(xué)生查閱資料了解內(nèi)光電效應(yīng)及其應(yīng)用。

②布置課后鞏固作業(yè)。

③推送相關(guān)文獻。

學(xué)生活動：鞏固練習(xí)，跟帖討論，課后探究。

設(shè)計意圖：由外光電效應(yīng)擴展至內(nèi)光電效應(yīng)，實現(xiàn)知識遷移，并逐漸培養(yǎng)學(xué)生查閱資料，自主獲取知識的能力。

三、教學(xué)反思

課程教學(xué)依托SPOC平臺，采用導(dǎo)學(xué)研討式教學(xué)方法，實施起來較為順利。學(xué)生在課前預(yù)學(xué)的基礎(chǔ)上，到了課堂上，思維活躍，發(fā)言積極，討論熱烈，教學(xué)效果良好。但是，也反映出一些問題。比如，在分析波動理論解釋光電效應(yīng)規(guī)律的困難時，學(xué)生表述不清，缺乏條理，反映出邏輯思維能力、表達能力較弱，還需要進一步鍛煉。教學(xué)過程中，學(xué)生對教師介紹到的物理學(xué)家們的趣事表現(xiàn)出很大興趣，但是對物理學(xué)的傳承、發(fā)展，理論的形成過程關(guān)注度不夠，學(xué)生對知識的掌握較為重視，但是對其中蘊含的物理思維方法關(guān)注度不夠。這些都需要教師在教學(xué)過程中加強引導(dǎo)。大學(xué)物理的教學(xué)，不僅要傳授學(xué)生知識，而且更重要的是要培養(yǎng)、提高學(xué)生的能力與素質(zhì)。