張燕怡　劉娜

摘 要：本文為《光的粒子性》一節(jié)中“光電效應(yīng)實驗規(guī)律”部分的教學(xué)設(shè)計。教學(xué)要點在于讓學(xué)生充分利用已有的力學(xué)、電磁學(xué)知識探索和解決新問題，學(xué)會測量性實驗設(shè)計的基本思路，能利用現(xiàn)有知識推理、預(yù)測實驗現(xiàn)象，并理解實驗結(jié)果的微觀含義，從而達到培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”和“探究精神”的目的。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；實驗設(shè)計；科學(xué)思維；探究精神

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）12-0062-6

1 教材分析

《光的粒子性》（人教版高中物理選修3-5第十七章第二節(jié)）是經(jīng)典物理與量子物理之間的重要銜接，有著復(fù)雜而豐富的教學(xué)內(nèi)容。教材通過光電效應(yīng)實驗、愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋、密立根實驗測普朗克常數(shù)、康普頓散射等幾個重要的物理學(xué)歷史事件，逐步揭示出光的波粒二象性，目的是讓學(xué)生對此有一個全面而立體的認(rèn)識。本節(jié)課程容量大、新概念多、邏輯性強，計劃需要三個課時才能全部完成教學(xué)任務(wù)。

光電效應(yīng)（實驗設(shè)計、現(xiàn)象規(guī)律和解釋）是本節(jié)的根基，在教學(xué)中占有最大的比重。對光電效應(yīng)的理解分為三個層次：第一層次是通過紫外燈照射鋅板的定性實驗，了解光電效應(yīng)的概念和基本機理（電子吸收光能而克服逸出功）；第二層次是通過定量實驗得出關(guān)于飽和光電流、遏止電壓、截止頻率和瞬時性的基本規(guī)律，尤其要理解實驗中宏觀測量量（電流、電壓等）和微觀量（光電子個數(shù)、動能）之間的關(guān)聯(lián)，并得出與經(jīng)典理論的矛盾之處；第三層次是愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋，這是從經(jīng)典電磁波理論向量子論的跨越。

《光電效應(yīng)》一節(jié)的教材中穿插著大量的實驗、圖像、數(shù)據(jù)分析等科學(xué)內(nèi)容，可以借此全面培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維和實驗探究能力等核心素養(yǎng)。此外，本節(jié)課有著厚重的物理學(xué)科文化積淀，富含物理學(xué)史、創(chuàng)新意識等科學(xué)素養(yǎng)，為情感、態(tài)度與價值觀的滲透提供了豐富的空間，也為大學(xué)—中學(xué)物理課程的銜接提供了卯合點。

為了深入理解愛因斯坦的光子說，學(xué)生必須對光電效應(yīng)的四個實驗現(xiàn)象及背后的物理意義有深刻而清醒的認(rèn)識。因此，在教學(xué)之初拿出一整節(jié)課，深入分析光電效應(yīng)實驗設(shè)計思想及實驗結(jié)果?！豆獾牧Ｗ有浴方虒W(xué)內(nèi)容分割情況如圖1所示，第一課時收尾于得出實驗規(guī)律并引出矛盾，將愛因斯坦的光子說放在第二課時，這是為了讓學(xué)生首先對實驗進行深刻理解，并有一個消化的過程。

本文即為第一課時“光電效應(yīng)實驗規(guī)律”的教學(xué)設(shè)計。

2 學(xué)情分析

在之前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)通過對幾何光學(xué)、物理光學(xué)、麥克斯韋電磁場理論等的學(xué)習(xí)初步建立起了“光是一種電磁波”的觀念。另一方面在前一節(jié)課“能量量子化”中，通過普朗克對黑體輻射規(guī)律的解釋，了解了電磁波輻射和吸收能量的不連續(xù)性以及“能量子”概念。但波動性和粒子性的矛盾在此刻尚未完全展現(xiàn)，學(xué)生體會并不深刻。

相較黑體輻射，光電效應(yīng)的現(xiàn)象和實驗更易被學(xué)生接受和理解。實驗中涉及到很多已有知識的應(yīng)用，比如：驗電器的原理、電場、電路設(shè)計、帶電粒子在電場中的運動、動能定理等，教師可以充分利用這些素材，培養(yǎng)學(xué)生運用已有知識技能探索新現(xiàn)象、解決新問題的能力，這和近幾年的高考命題趨勢一致，也有利于培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力。學(xué)生能夠利用熟悉的電磁學(xué)知識進行一些定量計算和分析推論，預(yù)言實驗結(jié)果。而正因如此，當(dāng)他們看到光電效應(yīng)規(guī)律與經(jīng)典電磁理論矛盾時，才會感受到認(rèn)知的巨大沖擊，這一沖擊正是引導(dǎo)學(xué)生接受量子理論的契機。

3 教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是以《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，結(jié)合核心素養(yǎng)和“大學(xué)—中學(xué)”銜接的培養(yǎng)方向所擬定。

3.1 知識技能

（1） 知道光電效應(yīng)，理解光電子和逸出功的概念，知道光電管的基本構(gòu)造和原理；

（2） 理解光電效應(yīng)四個實驗規(guī)律，知道實驗測量量與微觀量之間的聯(lián)系、實驗結(jié)果與經(jīng)典理論的矛盾之處。

3.2 過程方法

（1）經(jīng)歷光電效應(yīng)定性實驗探究過程，體會“發(fā)現(xiàn)問題—理論分析—實驗驗證—解決問題”的實驗探究思路；

（2）體會光電管定量實驗的設(shè)計思想，并對實驗結(jié)果進行預(yù)測，學(xué)會利用已有知識探索未知問題的方法。

3.3 情感、態(tài)度與價值觀

（1） 通過親身實驗、設(shè)計實驗以及結(jié)果分析的過程，培養(yǎng)科學(xué)思維和探究精神，體會物理學(xué)的邏輯之美；

（2） 學(xué)會當(dāng)實驗結(jié)果與預(yù)期不符時“尊重數(shù)據(jù)，事實求是”的科學(xué)精神，學(xué)習(xí)科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和敢于跳出思維局限的創(chuàng)新意識。

4 教學(xué)重難點

重點：

（1）光電效應(yīng)實驗設(shè)計思想；

（2）做好光電效應(yīng)定量實驗，導(dǎo)出四個實驗規(guī)律并進行分析。

難點：

理解光電效應(yīng)四個實驗規(guī)律背后的物理內(nèi)涵，在微觀量和宏觀量之間建立聯(lián)系。

5 設(shè)計思想

“光電效應(yīng)實驗規(guī)律”一課概念多、內(nèi)容雜、邏輯性較強，對學(xué)生思維能力要求較高。為了讓學(xué)生深入理解，教師應(yīng)充分尋找新實驗、新現(xiàn)象和學(xué)生已有知識之間的掛靠點，用“支架”在新舊知識間建立起聯(lián)系；同時，教學(xué)過程中應(yīng)通過合理的問題設(shè)計進行啟發(fā)，盡量避免教師的“一言堂”和“滿堂灌”現(xiàn)象。本節(jié)課設(shè)計過程中理論與實驗并舉，既有學(xué)生的定性探究，又有教師的定量演示和數(shù)據(jù)處理展示。光電管的定量實驗雖然無法讓每位同學(xué)親身嘗試（事實上這個實驗并不好做，因為各種誤差，導(dǎo)致結(jié)果與規(guī)律經(jīng)常不符），但對于實驗設(shè)計思想以及實驗現(xiàn)象背后的物理內(nèi)涵，力求通過引導(dǎo)討論，讓學(xué)生自己得出結(jié)論。教師在此充當(dāng)器材提供者、目標(biāo)提出者和實驗操作者，教師的操作將由學(xué)生的討論結(jié)果來決定。實驗教學(xué)不僅僅是動手“做實驗”，更重要的是“為什么要如此設(shè)計實驗”，以及對實驗現(xiàn)象進行分析，這是“科學(xué)思維”和“探究精神”培養(yǎng)的核心所在。

教學(xué)流程如圖2所示：

6 教學(xué)資源

（1）學(xué)生定性實驗器材：鋅板、紫外光燈、驗電器、毛皮、橡膠棒、砂紙等，如圖3所示。

（2）教師演示實驗器材：光電流及遏止電壓測量電路（由光具座、白熾燈、濾光片、光電管、電源、滑動變阻器、指針式電壓表、數(shù)字毫安表等器材人工搭建而成），平板電腦及支架（用于將電表的示數(shù)結(jié)果投影到大屏幕上，便于全體學(xué)生見證），如圖4所示。

（3）自制多媒體課件（內(nèi)含多個動畫）。

8 教學(xué)評價與反思

本節(jié)課的最大亮點在于創(chuàng)設(shè)了“科學(xué)研究”情境，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計光電效應(yīng)實驗方案，重溫科學(xué)家們走過的歷史。這是一種以高中知識為切入點，融合大學(xué)科研方法的改進型教學(xué)手法，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和探究精神，更能把高?？蒲兄械姆椒ê蛻B(tài)度潛移默化地傳遞給學(xué)生，無形之中培養(yǎng)著未來可能的科研工作者。本節(jié)課雖為物理教學(xué)常規(guī)課，但本課淡化了高中與大學(xué)的分界線，可以作為大中學(xué)銜接教學(xué)的參考。

經(jīng)過實踐，本節(jié)課基本能達到最初設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生們“學(xué)有所獲”，并能夠在課上展開充分的討論與思考。

參考文獻：

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[3]劉娜，胡繼超，宓奇.基于大中銜接的高中物理選修課程設(shè)計[J].物理與工程，2016，26（6）：78-83.

（欄目編輯 鄧 磊）endprint