大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)

［摘 要］ 基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)“光電效應(yīng)測普朗克常量”，對其課程思政的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、教學(xué)過程等方面進(jìn)行了一些探索。在教學(xué)中融入思政元素，旨在培養(yǎng)學(xué)生的近代物理思想及創(chuàng)新的科學(xué)思維；培養(yǎng)學(xué)生為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢而奮斗的精神。同時(shí)，在課堂講解中融入科學(xué)精神、社會主義核心價(jià)值觀、唯物辯證法、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等，以期實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)“三位一體”的教學(xué)目標(biāo)，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)立德樹人根本任務(wù)。

［關(guān)鍵詞］ 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；課程思政；光電效應(yīng)；普朗克常量

［基金項(xiàng)目］ 2021年度安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目課程思政示范課“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”（2021kcszsfkc360）；2022年度合肥學(xué)院教研重點(diǎn)項(xiàng)目“在OBE教育理念和三全育人背景下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系的構(gòu)建與實(shí)施”（2022hfujyzd07）；2022年度安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持項(xiàng)目“3d過渡金屬離子摻雜調(diào)控下新型阻挫尖晶石材料的磁電性能研究”（gxyq2022071）

［作者簡介］ 劉 慧（1983—），女，安徽宿州人，博士，合肥大學(xué)先進(jìn)制造工程學(xué)院高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事凝聚態(tài)物理工作研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）32-0144-05 ［收稿日期］ 2023-06-14

2020年6月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，旨在把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量［1］。目前全國很多高校都在積極開展課程思政建設(shè)，深入挖掘各類課程中蘊(yùn)含的思政元素，將其融入課程教學(xué)中，從而培養(yǎng)出以德為先、德才兼?zhèn)涞娜姘l(fā)展的現(xiàn)代化建設(shè)人才［2］。

“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”是一門對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、分析解決問題的能力，以及提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)等方面，起著至關(guān)重要的作用［3］?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程可以使學(xué)生重現(xiàn)物理學(xué)史上重大的發(fā)現(xiàn)，更加深刻地理解物理學(xué)的基本原理，提升其觀察能力、操作能力、分析解決問題的能力、創(chuàng)新能力?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程涉及了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及近代物理等多方面的內(nèi)容，且與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系較為緊密，因此其中蘊(yùn)含的思政元素特別廣泛，易于挖掘，有利于開展課程思政建設(shè)。首先，“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”是一門重要的公共基礎(chǔ)課，覆蓋面廣，涉及理工農(nóng)醫(yī)類甚至文科等各專業(yè)的學(xué)生，在其中實(shí)施課程思政使學(xué)生受益面更加廣泛。其次，“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程蘊(yùn)含了豐富的思政元素融入點(diǎn)，如物理學(xué)家的故事、科技的發(fā)展、公式的推導(dǎo)、定理的應(yīng)用以及與實(shí)際生活的聯(lián)系等，都可以挖掘出思政元素。再次，“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程一般安排在大一下學(xué)期和大二上學(xué)期，此時(shí)正是大學(xué)的初期階段。大學(xué)階段是學(xué)生世界觀、人生觀和價(jià)值觀形成的關(guān)鍵時(shí)期，在大學(xué)初期對學(xué)生進(jìn)行價(jià)值塑造和思想啟迪，有利于使學(xué)生樹立正確的“三觀”，增強(qiáng)學(xué)生的歷史使命感和社會責(zé)任感［4］。因此在“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程中開展課程思政具有十分重要的意義。

近年來，在課程思政背景下，高校教師對“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)進(jìn)行了諸多探索。陳琳等［5］研究了“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程思政元素的挖掘與應(yīng)用，并進(jìn)行了光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)的教學(xué)設(shè)計(jì)；樊代和等［6］以邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)為例，探討了基于課程思政的“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)案例；劉欣等［7］將思政教育融入“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)方法并進(jìn)行了分析，提出了多種融入課程思政的路徑；紅蘭等［8］從整體課程設(shè)計(jì)入手，系統(tǒng)討論了課程思政融入“物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的改革過程，并對“物理實(shí)驗(yàn)”課堂教學(xué)中思政元素的切入點(diǎn)進(jìn)行探索性研究；吳衛(wèi)華等［9］以“硅半導(dǎo)體太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)”為例，探討了課程思政在“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革中的探索；岳平等［10］對分光計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的課程思政進(jìn)行了探索和實(shí)踐；馮中營等［11］以太原工業(yè)學(xué)院為例，探討了思政元素在“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)中的融入。本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的近代物理實(shí)驗(yàn)“光電效應(yīng)測普朗克常量”實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、教學(xué)分析

（一）教學(xué)目標(biāo)

將教學(xué)目標(biāo)分為課程目標(biāo)和思政目標(biāo)。課程目標(biāo)為了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對光的量子性的理解；驗(yàn)證愛因斯坦光電方程，測定普朗克常量。思政目標(biāo)為培養(yǎng)精益求精的科學(xué)精神，強(qiáng)化科技強(qiáng)國理念。

（二）教學(xué)方法

教學(xué)方法采用“互聯(lián)網(wǎng)+PBL”教學(xué)法，通過提出問題讓學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，課堂講授與演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，輔助分組討論法，引導(dǎo)學(xué)生積極思考。做到線上與線下相融合、課內(nèi)與課外相融合、理論與實(shí)踐相融合、德育與智育相融合。

二、教學(xué)過程

（一）課前預(yù)習(xí)

課前預(yù)習(xí)是提高學(xué)習(xí)效率的一個重要措施，教師課前在學(xué)習(xí)通中發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)：光電效應(yīng)的發(fā)展歷程？學(xué)生通過查找資料發(fā)現(xiàn)，1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，但并未成功解釋其中的實(shí)驗(yàn)規(guī)律；1900年普朗克提出了量子論及普朗克常量，獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎；1905年愛因斯坦在理論上提出光電效應(yīng)方程，解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎；1916年密立根在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了光電理論的正確性，獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。讓學(xué)生體會到科學(xué)的發(fā)展不是一蹴而就的，人們對光電效應(yīng)的認(rèn)識經(jīng)歷了一個漫長的過程，需要很多科學(xué)家持之以恒、堅(jiān)持不懈的努力探索，才有了今天我們對科學(xué)的認(rèn)識，“前人栽樹后人乘涼”。這讓學(xué)生體會科學(xué)家精益求精的科學(xué)精神、不墨守成規(guī)的批判性思維以及創(chuàng)造性的科學(xué)方法。課前預(yù)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的閱讀、理解、分析、綜合等多種能力；培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及良好的學(xué)習(xí)品質(zhì)；激發(fā)學(xué)生的探索求知欲，使其在尋常中發(fā)現(xiàn)不尋常。

（二）課中講解

新課導(dǎo)入部分，在上課之前先請學(xué)生觀看資料圖片（見圖1）。2023年5月30日，神舟十六號載人飛船與我國空間站對接，也就是在那一天，神舟十六號與神舟十五號航天員順利完成太空會師。這標(biāo)志著我國載人航天工程邁入了一個嶄新的發(fā)展階段，那就是載人航天工程邁入了從建設(shè)向應(yīng)用、從投入向產(chǎn)出轉(zhuǎn)變的重要一步?？v觀中國載人航天數(shù)十年的發(fā)展歷程，是一部不斷學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新、自我超越、勇攀高峰的歷史，是一部矢志踐行航天報(bào)國之志的歷史。通過神舟系列載人宇宙飛船堅(jiān)定學(xué)生的科技強(qiáng)國理念，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢而團(tuán)結(jié)奮斗。仔細(xì)觀察宇宙飛船，會發(fā)現(xiàn)其兩邊有一對小翅膀，飛船飛行時(shí)小翅膀會打開。提出問題：宇宙飛船兩邊的小翅膀是什么？它有什么作用？兩邊的小翅膀就是太陽能電池板，它是把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，為航天員在太空中的工作和生活提供能源。太陽能轉(zhuǎn)化成電能就是光生電的現(xiàn)象，光生電在物理中被稱為光電效應(yīng)。引出光電效應(yīng)的定義，要求學(xué)生區(qū)分內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。本節(jié)課主要講解外光電效應(yīng)：一定頻率的光照射到金屬上，會有電子從其中溢出的現(xiàn)象。其中溢出的電子稱為光電子，形成的電流稱為光電流。課堂主要從背景及意義、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及注意事項(xiàng)等幾個方面進(jìn)行講解。

在背景和意義方面，再次提問學(xué)生與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物理學(xué)家或物理學(xué)史，點(diǎn)撥學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)品格。值得一提的是，在測量普朗克常量的過程中也有我國科學(xué)家的貢獻(xiàn)。我國科學(xué)家葉企孫和導(dǎo)師用X射線精確測量了普朗克常量，他們改進(jìn)了X射線分光計(jì)，提高X射線的強(qiáng)度，用了較窄的狹縫，極大提高了測量精度。他們測量的普朗克常量為h=（6.556±0.009）×10-34J·s（焦耳·秒），被物理學(xué)界沿用了16年之久。讓學(xué)生體會我國科學(xué)家在普朗克常量測量過程中所做的貢獻(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和歷史使命感。接著講解光電效應(yīng)的應(yīng)用意義。在實(shí)踐中，光電效應(yīng)最重要的應(yīng)用是制作光電器件，如光電管、光電池、光電倍增管、光敏電阻等，在航天、公安、光譜測量及控制領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。光電器件已成為生活、生產(chǎn)和科研中不可缺少的器件，在科學(xué)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。讓學(xué)生體會到科技的進(jìn)展與知識的力量。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想方面，講解如何用光電效應(yīng)測量普朗克常量［3］。首先，介紹光電效應(yīng)的四條實(shí)驗(yàn)規(guī)律：紅限頻率、瞬時(shí)效應(yīng)、頻率關(guān)系和強(qiáng)度關(guān)系。提出經(jīng)典物理在解釋紅限頻率、瞬時(shí)效應(yīng)、頻率關(guān)系遇到困難時(shí)，量子物理應(yīng)運(yùn)而生。每當(dāng)理論與實(shí)踐產(chǎn)生矛盾時(shí)，新的理論便會誕生。其次，介紹愛因斯坦光電方程，愛因斯坦根據(jù)普朗克提出的量子論受到啟發(fā)，提出光量子（光子）的假說。假設(shè)光在傳播的過程中，能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份能量就稱為一個光量子，簡稱光子。一個光子把能量hν傳遞給了一個電子，電子獲得能量之后，一部分克服逸出功W，另一部分轉(zhuǎn)化為電子的動能" " mu2（見圖2）。愛因斯坦光電方程便是能量守恒的方程。讓學(xué)生體會近代物理的思想——光的量子性思想。讓學(xué)生分組討論如何用愛因斯坦光電方程解釋光電效應(yīng)的四條實(shí)驗(yàn)規(guī)律并進(jìn)行觀點(diǎn)分享。小組討論可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，活躍學(xué)生的思維，讓人人都參與到課堂中，人人都體會到獲取知識的喜悅。最后，介紹減速電位法測普朗克常量。一個理論的提出必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，光電方程提出以后，很多科學(xué)家都試圖反駁愛因斯坦的觀點(diǎn)。密立根提出一種創(chuàng)新性的方法——減速電位差，成功驗(yàn)證了愛因斯坦光電方程并測出了普朗克常量（見圖3）。讓學(xué)生感受科學(xué)家勇于創(chuàng)新、堅(jiān)持不懈、鍥而不舍的精神。

講完實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想之后進(jìn)行提問。用學(xué)習(xí)通里面的選人功能提問：一個光子的能量是多少？用學(xué)習(xí)通里面的主題討論功能討論：入射光的光強(qiáng)對截止電壓有無影響？為什么？用學(xué)習(xí)通里面的分組任務(wù)功能進(jìn)行分組討論：為什么飽和光電流與光強(qiáng)成正比而與頻率無關(guān)？讓學(xué)生主動思考，真正參與到課堂教學(xué)中，提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度。

（三）操作指導(dǎo)

一個實(shí)驗(yàn)不僅要理解其中的理論，還要明白如何操作，只有實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)中要做到知行合一。知識只有在實(shí)踐中得到應(yīng)用，才能體現(xiàn)其價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)儀器為ZKY-GD-4智能型光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀。教師為學(xué)生演示儀器的操作過程，注意手動測試與自動測試的區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生思考并講解注意事項(xiàng)：調(diào)零時(shí)務(wù)必把微電流輸入端斷開；更換濾光片時(shí)，應(yīng)先將光源遮蓋??；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋；請勿將電流數(shù)據(jù)“溢出”當(dāng)作電流為零。實(shí)事求是地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在學(xué)習(xí)中，我們要誠信對待實(shí)驗(yàn)課，如實(shí)記錄數(shù)據(jù)；在考試中，要有誠信精神；以后讀研讀博，走上科研道路，更要踐行科研誠信。在生活中更要如此，誠信是社會主義核心價(jià)值觀的一個重要內(nèi)容。

（四）學(xué)生操作

教師講解完之后讓學(xué)生自己操作并記錄數(shù)據(jù)，教師隨堂指導(dǎo)。實(shí)踐出真知，科學(xué)離不開實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識大自然的基本途徑之一，也是科學(xué)教學(xué)中基本有效的方法，更是實(shí)施素質(zhì)教育、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、提高實(shí)踐能力的途徑。它有利于提升學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力、科學(xué)思維能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科研態(tài)度和精益求精的科學(xué)作風(fēng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后要求學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)儀器。教學(xué)是教師和學(xué)生雙邊活動的過程，包含教師善教和學(xué)生樂學(xué)。教師要有目標(biāo)、有啟發(fā)、有新知、有故事，學(xué)生要有興趣、有參與、有思考、有收獲。

（五）隨堂測試

教師在學(xué)生操作結(jié)束之后抽查部分學(xué)生，對實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行隨堂就地測試。隨堂測試形式多種多樣，可以采用師生問答形式、組間問答形式、小組搶答形式、實(shí)際操作形式等。教師只有在和學(xué)生的多種互動中，以學(xué)生為主體進(jìn)行思維碰撞和交流，才能及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和自己的教學(xué)狀況?？梢圆扇》e分制，活躍課堂氣氛。

（六）課后討論

教師在學(xué)習(xí)通平臺上發(fā)布分組討論。例如：實(shí)驗(yàn)中采取哪些措施可以減小測量截止電壓的誤差？如何用此儀器測量在特定單色光入射情況下，光電管的伏安特性曲線？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證“光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比”？學(xué)生分組討論并完成平臺上的思考與討論題。課后采取分組討論的方式，加強(qiáng)組內(nèi)合作。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、交流拓展的過程中提高交流、溝通、思考及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

結(jié)語

本文探索了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)“光電效應(yīng)測普朗克常量”的課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)。在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、教學(xué)過程等方面進(jìn)行了一些探索。光電效應(yīng)證實(shí)了光的粒子性，使人們進(jìn)一步認(rèn)識到光的波粒二象性的本質(zhì)，促進(jìn)了光的量子論的建立并推動了近代物理學(xué)的發(fā)展。通過普朗克常量的測定，旨在培養(yǎng)學(xué)生的近代物理思想及創(chuàng)新的科學(xué)思維；通過介紹光電效應(yīng)在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用，堅(jiān)定學(xué)生的科技強(qiáng)國理念，增強(qiáng)為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢而奮斗的精神。同時(shí)，在課堂講解中融入科學(xué)精神、社會主義核心價(jià)值觀、唯物辯證法、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等，達(dá)成課程專業(yè)目標(biāo)與思政目標(biāo)?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，蘊(yùn)含豐富的思政元素，教師要精心挖掘課程中蘊(yùn)含的思政元素，并把思政元素有機(jī)融入課堂教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中塑造良好的科學(xué)思維和思想品質(zhì)。

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Teaching Design of Curriculum Ideology and Politics in College Physics Experimental Courses： Taking “Measurement of Planck Constant by Photoelectric Effect” as an Example

LIU Hui， BIAN Jian， FENG Yuan， XIE Yu

（School of Advanced Manufacturing Engineering， Hefei University， Hefei， Anhui 230601， China）

Abstract： Based on the college physics experiment “Measurement of Planck Constant by Photoelectric Effect”， the teaching design of the curriculum ideology and politics is studied. Some explorations have been made in teaching objectives， teaching methods and teaching processes. The introduction of ideological and political elements in teaching aims to cultivate students’ modern physical thinking， innovative scientific thinking， the spirit of striving for the realization of the Chinese Dream of the great rejuvenation of the Chinese nation. At the same time， the scientific spirit， socialist core values， materialist dialectics， and team spirit are integrated into the classroom explanation， with a view to achieving the teaching goal of value shaping， knowledge teaching and ability training. It aims to improve the comprehensive quality of students in an all-round way and realize the fundamental task of building morality and cultivating talents.

Key words： College Physics Experiment; curriculum ideology and politics; photoelectric effect; planck constant