促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

湯可嵚

摘? ?要： 演示儀器目的單一，課堂教學(xué)“滿堂灌”等是傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)課堂的“通病”。因此教師根據(jù)教學(xué)需求，對(duì)演示儀器加以改進(jìn)，或者自制演示裝置是十分必要的。文章以演示實(shí)驗(yàn)“光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律”為例闡述如何根據(jù)教學(xué)需求，通過自制創(chuàng)新裝置，設(shè)計(jì)探究式的課堂以達(dá)到深度學(xué)習(xí)、提升核心素養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；核心素養(yǎng)；光電效應(yīng)；創(chuàng)新裝置；探究課堂

引言

“深度學(xué)習(xí)”是一種基于理解的學(xué)習(xí)，它主張?jiān)谘芯恐袑W(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生深入分析和思考，使學(xué)習(xí)成為一個(gè)探尋意義、獲得意義的過程[ 1 ]。深度學(xué)習(xí)，要求以學(xué)生為主體，讓學(xué)生深度參與建構(gòu)和反思，可見，深度學(xué)習(xí)能夠?qū)崿F(xiàn)有效地參與和體驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生核心素養(yǎng)的提升是十分必要的。然而在實(shí)際演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于演示裝置的限制和以教師為主體的教學(xué)模式，難以實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，也不利于學(xué)生學(xué)科科學(xué)素養(yǎng)的提高。利用探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，通過改造或自制演示裝置讓學(xué)生充分參與演示實(shí)驗(yàn)的全過程可以促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，從而達(dá)到變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)獲取知識(shí)從而提升學(xué)科科學(xué)素養(yǎng)的目的。

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一直是高考的重點(diǎn)、教學(xué)的難點(diǎn)，本文以該演示實(shí)驗(yàn)為例，基于深度學(xué)習(xí)的理念，設(shè)計(jì)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)探究課堂，通過自制實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生在主動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程理解原理，將抽象的規(guī)律直觀地用數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，學(xué)生通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)得到結(jié)論。

1? 創(chuàng)新裝置簡介

1.1? 裝置主要元件

綜合現(xiàn)有演示裝置的優(yōu)點(diǎn)和探究課堂的需要，筆者自制了教學(xué)儀器“光電效應(yīng)規(guī)律演示儀”（圖1），元件有：LED純彩光源（紅，綠，藍(lán)，紫色）、光電管（GD-28，GD-21）、開關(guān)電源、電位器、數(shù)顯直流電壓表頭（DV50 V）、數(shù)顯直流電流表頭（DA200 μA）、（或朗威電壓傳感器、微電流傳感器），DC直流可調(diào)數(shù)控降壓電源模塊、帶有可調(diào)通光孔徑轉(zhuǎn)盤的遮光罩等。

1.2? 裝置特點(diǎn)

入射光的頻率可通過控制光源的顏色來實(shí)現(xiàn)，光強(qiáng)可通過調(diào)節(jié)光源電壓實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化。特制遮光罩如圖2，遮光罩上設(shè)有S，2S，3S，4S等6種通光孔面積，控制入射光源電壓一定，通過旋轉(zhuǎn)帶孔轉(zhuǎn)盤來改變通光孔的面積，分別用遮光罩上S，2S，3S，4S通光孔面積控制光強(qiáng)，即光強(qiáng)比為1：2：3：4。實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)半定量的控制。本裝置電流和電壓的測(cè)量可用外置數(shù)顯電表也可用外置傳感器直接連電腦測(cè)量，本文以外置數(shù)顯表測(cè)量為例進(jìn)行闡述。

2? 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的探究課堂

2.1? 探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念

2.1.1? 巧設(shè)探究主題

北京師范大學(xué)郭華教授[ 2 ] 指出，深度學(xué)習(xí)是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生通過參與有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，獲得發(fā)展的學(xué)習(xí)過程。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師拋出問題：“如何獲得光電流？”“如何利用光電管獲得并控制光電流的大小？”接著整節(jié)課圍繞“光電流”這個(gè)主題展開，這個(gè)主題極具挑戰(zhàn)性，學(xué)生積極討論，分享思考，主動(dòng)參與分步探究、體驗(yàn)成功。

2.1.2? 巧設(shè)探究任務(wù)

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律十分抽象，為了真正有效地進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，將教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)化成一個(gè)個(gè)探究任務(wù)，有層次，循序漸進(jìn)的設(shè)計(jì)任務(wù)，將教學(xué)難點(diǎn)分散突破。通過任務(wù)布置，讓學(xué)生明確努力方向；通過任務(wù)實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力；通過任務(wù)達(dá)成，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，體驗(yàn)探究的樂趣。

2.1.3 滲透深度學(xué)習(xí)的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

讓學(xué)生充分參與演示實(shí)驗(yàn)的過程，用所學(xué)的知識(shí)嘗試構(gòu)建物理模型去解釋每一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能夠在適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)下進(jìn)行知識(shí)的遷移，擺脫表面學(xué)習(xí)，以達(dá)到深度學(xué)習(xí)的效果和提升核心素養(yǎng)的目的。

教師首先給學(xué)生提供本節(jié)課實(shí)驗(yàn)會(huì)用到的實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生基于這些器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成各項(xiàng)探究任務(wù)。

任務(wù)一：如何利用光電管獲得光電流？需要哪些儀器？

學(xué)生很容易可以設(shè)計(jì)出電路1如圖3，并提出實(shí)驗(yàn)還需要的器材有可變色的光源、遮光罩和電流表。教師按照學(xué)生的設(shè)計(jì)用自制裝置演示，此時(shí)光電管未加電壓，選用GD-28光電管，先用紅光照射，光電流為0，增大光強(qiáng)，光電流仍然為0，引導(dǎo)學(xué)生解釋原因。換綠光照射，發(fā)現(xiàn)馬上有電流值，引導(dǎo)學(xué)生得出光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件和瞬時(shí)性。

任務(wù)二：如何獲得盡可能大的光電流？

（1）討論和猜想：增大入射光頻率、光強(qiáng)等。教師追問，剛才用綠光獲得了光電流，如果換藍(lán)光光電流怎么變？學(xué)生普遍認(rèn)為會(huì)變大。

（2）觀察和小結(jié)：教師演示用藍(lán)光和綠光照射，光電流不同，說明頻率對(duì)光電流有一定影響。接著演示控制藍(lán)光不變，通光孔面積一定，增加亮度，發(fā)現(xiàn)光電流增大，進(jìn)而得出：入射光頻率不變，光電流隨光強(qiáng)增大而增大。

（3）深度學(xué)習(xí)

電路設(shè)計(jì)中的深度學(xué)習(xí)：教師先給出光強(qiáng)的概念，讓學(xué)生解釋頻率一定光強(qiáng)越大，光電流越大的原因。追問如果控制頻率和光強(qiáng)都不變，還有沒有辦法增大光電流？ 這個(gè)問題不太好回答，需要教師引導(dǎo)，可先讓學(xué)生思考：“陰極逸出的光電子能否全部到達(dá)陽極？”學(xué)生都認(rèn)為不可能，但說不上為什么，教師通過動(dòng)畫解釋是因?yàn)楣怆娮右莩龊筮\(yùn)動(dòng)方向是朝向四面八方的，且存在反向電場(chǎng)。繼續(xù)追問：“如何讓到不了陽極的光電子都到陽極？”學(xué)生就能想到：“加電場(chǎng)”。因此需要電源和滑動(dòng)變阻器。讓學(xué)生設(shè)計(jì)出電路如圖4，這里可以借機(jī)回顧電路設(shè)計(jì)的知識(shí)。通過一個(gè)又一個(gè)階梯式的關(guān)聯(lián)問題的拋出，讓學(xué)生在逐步解決問題的過程中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，將科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)充分滲透到課堂中。

實(shí)驗(yàn)過程中的深度學(xué)習(xí)：教師閉合裝置電路部分的電鍵，給光電管加上正向電壓，讓學(xué)生上臺(tái)記錄數(shù)據(jù)。使用藍(lán)光，學(xué)生記錄光電流隨外加正向電壓的變化情況，同時(shí)用Excel描點(diǎn)作圖。讓學(xué)生觀察圖像的特點(diǎn)并思考“電壓增大，光電流變大，可是增大到一定值時(shí)，再增大電壓，電流值卻幾乎不變了是為什么？”在引導(dǎo)學(xué)生分析的過程中給出飽和電流的概念。然后繼續(xù)追問：①如果還想增大光電流，就必須使單位時(shí)間逸出的光電子數(shù)多一點(diǎn)，怎么做？②增大光強(qiáng)，也會(huì)有飽和電流嗎？③猜想飽和電流和光強(qiáng)的關(guān)系，如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？

問題③有一定難度，教師引導(dǎo)學(xué)生回答電流和光強(qiáng)的正比關(guān)系，并讓學(xué)生設(shè)計(jì)出通過改變遮光罩通光孔面積來半定量控制光強(qiáng)來完成實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。讓學(xué)生輔助記錄光電流隨外加正向電壓的變化情況，描點(diǎn)后作I-U圖像（見圖5）及飽和光電流Im與入射光強(qiáng)φ的關(guān)系圖像（即Im-φ?qǐng)D像見圖6）。

最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

①存在飽和電流，入射光頻率一定，光強(qiáng)越強(qiáng)飽和電流越大。

②飽和電流值與光強(qiáng)成正比。

任務(wù)三：入射光頻率和光強(qiáng)不變，如何將獲得的光電流減小？

（1）討論和猜想：加反向電壓。

（2）觀察和小結(jié)：教師演示撥動(dòng)自制裝置的選擇開關(guān)使光電管兩端的電壓反向，控制光源為藍(lán)光保持亮度不變，數(shù)據(jù)記錄如表1。

（3）深度學(xué)習(xí)：引導(dǎo)學(xué)生解釋這一現(xiàn)象，加反向電壓能使所有的光電子都受到一個(gè)反向的電場(chǎng)力，這個(gè)力如果能使跑得最快的光電子到不了陽極，那所有光電子就都到不了。提問：此時(shí)增大光強(qiáng)，遏止電壓怎么變？多數(shù)學(xué)生猜想變大。教師演示：用藍(lán)光控制，亮度不變，增大通光孔面積為16S，重復(fù)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如表2，發(fā)現(xiàn)遏止電壓不變。改用綠光，數(shù)據(jù)如表3。進(jìn)而得出遏止電壓與頻率有關(guān)而與光強(qiáng)無關(guān)的結(jié)論。

教師分析，遏止電壓是使光電流恰好為零的反向電壓值，意味著此時(shí)跑得最快的光電子恰好無法到達(dá)陽極，提問：①遏止電壓與跑得最快的光電子的初速度有什么關(guān)系？②光電子的最大初動(dòng)能可以用遏止電壓來表征，也就意味著，光電子的最大初動(dòng)能與光強(qiáng)無關(guān)，只與頻率有關(guān)，如何用光子說來解釋？

以上兩個(gè)問題都需要學(xué)生用舊知識(shí)和新知識(shí)構(gòu)建物理模型，教師要做好引導(dǎo)，讓學(xué)生討論后并上臺(tái)板演，通過全班的交流和討論導(dǎo)出光電效應(yīng)方程。在解決問題的過程中深度學(xué)習(xí)，通過知識(shí)的內(nèi)化和向他人學(xué)習(xí)并獲得成果的過程體驗(yàn)成功的快樂。

3? 結(jié)束語

通過演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)展示物理現(xiàn)象、導(dǎo)出物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，是其它教學(xué)方式無法替代的。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)高效、充分地在演示實(shí)驗(yàn)中促進(jìn)深度學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)有效途徑。讓學(xué)生像物理學(xué)家一樣去嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎紗栴}，去科學(xué)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過觀察現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，并用所學(xué)的知識(shí)去構(gòu)建物理模型解釋現(xiàn)象，體驗(yàn)成功樂趣的同時(shí)提升核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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