辨析实验思想 落实核心素养

张燕怡　刘娜

摘 要：本文为《光的粒子性》一节中“光电效应实验规律”部分的教学设计。教学要点在于让学生充分利用已有的力学、电磁学知识探索和解决新问题，学会测量性实验设计的基本思路，能利用现有知识推理、预测实验现象，并理解实验结果的微观含义，从而达到培养学生物理核心素养中“科学思维”和“探究精神”的目的。

关键词：光电效应；实验设计；科学思维；探究精神

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）12-0062-6

1 教材分析

《光的粒子性》（人教版高中物理选修3-5第十七章第二节）是经典物理与量子物理之间的重要衔接，有着复杂而丰富的教学内容。教材通过光电效应实验、爱因斯坦对光电效应的解释、密立根实验测普朗克常数、康普顿散射等几个重要的物理学历史事件，逐步揭示出光的波粒二象性，目的是让学生对此有一个全面而立体的认识。本节课程容量大、新概念多、逻辑性强，计划需要三个课时才能全部完成教学任务。

光电效应（实验设计、现象规律和解释）是本节的根基，在教学中占有最大的比重。对光电效应的理解分为三个层次：第一层次是通过紫外灯照射锌板的定性实验，了解光电效应的概念和基本机理（电子吸收光能而克服逸出功）；第二层次是通过定量实验得出关于饱和光电流、遏止电压、截止频率和瞬时性的基本规律，尤其要理解实验中宏观测量量（电流、电压等）和微观量（光电子个数、动能）之间的关联，并得出与经典理论的矛盾之处；第三层次是爱因斯坦对光电效应的解释，这是从经典电磁波理论向量子论的跨越。

《光电效应》一节的教材中穿插着大量的实验、图像、数据分析等科学内容，可以借此全面培养学生的物理观念、科学思维和实验探究能力等核心素养。此外，本节课有着厚重的物理学科文化积淀，富含物理学史、创新意识等科学素养，为情感、态度与价值观的渗透提供了丰富的空间，也为大学—中学物理课程的衔接提供了卯合点。

为了深入理解爱因斯坦的光子说，学生必须对光电效应的四个实验现象及背后的物理意义有深刻而清醒的认识。因此，在教学之初拿出一整节课，深入分析光电效应实验设计思想及实验结果。《光的粒子性》教学内容分割情况如图1所示，第一课时收尾于得出实验规律并引出矛盾，将爱因斯坦的光子说放在第二课时，这是为了让学生首先对实验进行深刻理解，并有一个消化的过程。

本文即为第一课时“光电效应实验规律”的教学设计。

2 学情分析

在之前的学习中，学生已经通过对几何光学、物理光学、麦克斯韦电磁场理论等的学习初步建立起了“光是一種电磁波”的观念。另一方面在前一节课“能量量子化”中，通过普朗克对黑体辐射规律的解释，了解了电磁波辐射和吸收能量的不连续性以及“能量子”概念。但波动性和粒子性的矛盾在此刻尚未完全展现，学生体会并不深刻。

相较黑体辐射，光电效应的现象和实验更易被学生接受和理解。实验中涉及到很多已有知识的应用，比如：验电器的原理、电场、电路设计、带电粒子在电场中的运动、动能定理等，教师可以充分利用这些素材，培养学生运用已有知识技能探索新现象、解决新问题的能力，这和近几年的高考命题趋势一致，也有利于培养学生终身学习的能力。学生能够利用熟悉的电磁学知识进行一些定量计算和分析推论，预言实验结果。而正因如此，当他们看到光电效应规律与经典电磁理论矛盾时，才会感受到认知的巨大冲击，这一冲击正是引导学生接受量子理论的契机。

3 教学目标

本节课的教学目标是以《普通高中物理课程标准》为依据，结合核心素养和“大学—中学”衔接的培养方向所拟定。

3.1 知识技能

（1） 知道光电效应，理解光电子和逸出功的概念，知道光电管的基本构造和原理；

（2） 理解光电效应四个实验规律，知道实验测量量与微观量之间的联系、实验结果与经典理论的矛盾之处。

3.2 过程方法

（1）经历光电效应定性实验探究过程，体会“发现问题—理论分析—实验验证—解决问题”的实验探究思路；

（2）体会光电管定量实验的设计思想，并对实验结果进行预测，学会利用已有知识探索未知问题的方法。

3.3 情感、态度与价值观

（1） 通过亲身实验、设计实验以及结果分析的过程，培养科学思维和探究精神，体会物理学的逻辑之美；

（2） 学会当实验结果与预期不符时“尊重数据，事实求是”的科学精神，学习科学家们严谨求实的科学态度和敢于跳出思维局限的创新意识。

4 教学重难点

重点：

（1）光电效应实验设计思想；

（2）做好光电效应定量实验，导出四个实验规律并进行分析。

难点：

理解光电效应四个实验规律背后的物理内涵，在微观量和宏观量之间建立联系。

5 设计思想

“光电效应实验规律”一课概念多、内容杂、逻辑性较强，对学生思维能力要求较高。为了让学生深入理解，教师应充分寻找新实验、新现象和学生已有知识之间的挂靠点，用“支架”在新旧知识间建立起联系；同时，教学过程中应通过合理的问题设计进行启发，尽量避免教师的“一言堂”和“满堂灌”现象。本节课设计过程中理论与实验并举，既有学生的定性探究，又有教师的定量演示和数据处理展示。光电管的定量实验虽然无法让每位同学亲身尝试（事实上这个实验并不好做，因为各种误差，导致结果与规律经常不符），但对于实验设计思想以及实验现象背后的物理内涵，力求通过引导讨论，让学生自己得出结论。教师在此充当器材提供者、目标提出者和实验操作者，教师的操作将由学生的讨论结果来决定。实验教学不仅仅是动手“做实验”，更重要的是“为什么要如此设计实验”，以及对实验现象进行分析，这是“科学思维”和“探究精神”培养的核心所在。

教学流程如图2所示：

6 教学资源

（1）学生定性实验器材：锌板、紫外光灯、验电器、毛皮、橡胶棒、砂纸等，如图3所示。

（2）教师演示实验器材：光电流及遏止电压测量电路（由光具座、白炽灯、滤光片、光电管、电源、滑动变阻器、指针式电压表、数字毫安表等器材人工搭建而成），平板电脑及支架（用于将电表的示数结果投影到大屏幕上，便于全体学生见证），如图4所示。

（3）自制多媒体课件（内含多个动画）。

8 教学评价与反思

本节课的最大亮点在于创设了“科学研究”情境，引导学生设计光电效应实验方案，重温科学家们走过的历史。这是一种以高中知识为切入点，融合大学科研方法的改进型教学手法，不仅有助于培养学生的科学思维和探究精神，更能把高校科研中的方法和态度潜移默化地传递给学生，无形之中培养着未来可能的科研工作者。本节课虽为物理教学常规课，但本课淡化了高中与大学的分界线，可以作为大中学衔接教学的参考。

经过实践，本节课基本能达到最初设计的教学目标。学生们“学有所获”，并能够在课上展开充分的讨论与思考。

参考文献：

[1]赵凯华.有关光电效应和康普顿效应的若干问题[J]. 物理教学，2013（1）：2-4.

[2]高佳杰. 高中物理中光电效应的教学探索[J]. 教育（文摘版），2015（10）：00267-00267.

[3]刘娜，胡继超，宓奇.基于大中衔接的高中物理选修课程设计[J].物理与工程，2016，26（6）：78-83.

（栏目编辑 邓 磊）endprint