【摘 要】以“光電效應(yīng)”教學(xué)為例，從科學(xué)論證與批判性思維的關(guān)系出發(fā)，以圖爾敏論證模式為支撐，整合教材，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以情境為載體設(shè)置沖突，結(jié)合嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證活動，讓學(xué)生親歷光電效應(yīng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，在科學(xué)論證過程中深化對概念和規(guī)律的理解，提高學(xué)生的科學(xué)論證意識和能力，以達(dá)到涵育科學(xué)思維的目的。

【關(guān)鍵詞】高中物理；科學(xué)論證；科學(xué)思維；課堂教學(xué)

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1005-6009（2024）43-0015-04

【作者簡介】祁紅菊，江蘇省奔牛高級中學(xué)（江蘇常州，213131）教師，正高級教師，江蘇省物理教學(xué)名師。

在基礎(chǔ)教育中，科學(xué)思維能力包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等組成部分，但其中的“科學(xué)論證”能力，在實(shí)際教學(xué)中最易受到忽視?？茖W(xué)論證活動的展開往往以教師為主，以科學(xué)論證涵育科學(xué)思維能力的教學(xué)設(shè)計(jì)相對較少。而科學(xué)論證已被普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)納入學(xué)科體系，成為物理學(xué)科素養(yǎng)中科學(xué)思維的一個(gè)核心組成部分，其重要性不言而喻。

批判性思維要求能夠基于事實(shí)證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理，并能對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出疑問，結(jié)合論據(jù)進(jìn)行科學(xué)論證，批判、檢驗(yàn)和修正結(jié)論，強(qiáng)調(diào)不盲目地接受，也不盲目地否定?？茖W(xué)論證是以已有證據(jù)為基礎(chǔ)，借助證據(jù)和邏輯推理獲得的理論依據(jù)支持自己的主張、反駁他人觀點(diǎn)的科學(xué)探究活動。［1］論證就是要培養(yǎng)“有批判性思維的人”，因此將科學(xué)論證引入物理課堂，能夠使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家思考問題的過程：通過提出主張、尋找證據(jù)、質(zhì)疑、辯駁等論證過程最終得出科學(xué)結(jié)論，從而促進(jìn)學(xué)生批判性思維能力的發(fā)展。

目前受到較多關(guān)注的是“圖爾敏論證模式”，該模式提供了科學(xué)論證的基本流程，包含主張、依據(jù)、理由、支援、反駁和限定詞六個(gè)要素?？茖W(xué)論證開始于一個(gè)特定的“主張”，即想要證明和確立的結(jié)論；支持主張的數(shù)據(jù)、事實(shí)和證據(jù)即為“依據(jù)”；起到橋梁作用，架設(shè)于依據(jù)和主張之間的規(guī)律和普遍性原則即為“理由”；而“支援”是對理由進(jìn)行支撐的必要闡述；“限定詞”指的是主張成立的條件和范圍；同時(shí)，理由也需要通過“反駁”進(jìn)行進(jìn)一步的“證實(shí)”或“證偽”。［2］本文以人教版高中物理選擇性必修第三冊“光電效應(yīng)”的教學(xué)為例，談基于科學(xué)論證涵育科學(xué)思維的課堂教學(xué)策略。

一、“光電效應(yīng)”設(shè)計(jì)思路

本節(jié)內(nèi)容是從經(jīng)典物理學(xué)到量子物理學(xué)的重要銜接。光電效應(yīng)現(xiàn)象是光具有粒子性的關(guān)鍵證據(jù)，愛因斯坦用量子論觀點(diǎn)對光電效應(yīng)現(xiàn)象所作出的解釋，是對前自然觀和舊思維方式的重大變革，為人類打開了一扇嶄新的科學(xué)大門，開創(chuàng)了全新的科學(xué)領(lǐng)域。因此，本節(jié)課蘊(yùn)含了物理觀念的形成、猜想論證的實(shí)驗(yàn)探究和質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維等多種核心素養(yǎng)要素。但對學(xué)生而言，在系統(tǒng)掌握了經(jīng)典的物理理論，建立了能量連續(xù)性的經(jīng)典物理觀念以后，再改弦易轍，去接受“匪夷所思”的量子觀念是非常困難的，這相當(dāng)于在學(xué)生和新知識之間隔了重巒疊嶂。并且光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律比較復(fù)雜，要從現(xiàn)象中歸納分析，厘清實(shí)驗(yàn)規(guī)律，并嘗試用新理論來解釋新的現(xiàn)象，對學(xué)生來說也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

為此，筆者嘗試以圖爾敏論證模式為支撐，針對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，教學(xué)設(shè)計(jì)的思路如圖1所示。

二、“光電效應(yīng)”設(shè)計(jì)策略

（一）情境再現(xiàn)，誘發(fā)思維沖突

重演赫茲驗(yàn)證電磁波實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2，高壓電子感應(yīng)圈與兩個(gè)金屬板相連構(gòu)成電磁波的發(fā)射端，另兩個(gè)金屬板分別連接金屬針作為接收端。

現(xiàn)象：在紫外線的照射下，負(fù)電極更容易產(chǎn)生電火花。

教師引導(dǎo)學(xué)生針對現(xiàn)象提出疑問，并將學(xué)生的問題歸類梳理引出本課要探究的三個(gè)任務(wù)：放什么電？有什么規(guī)律？如何解釋？

【設(shè)計(jì)意圖】導(dǎo)入論題，是科學(xué)論證的首要任務(wù)。本節(jié)課的導(dǎo)入，重溫了歷史上經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)——赫茲的驗(yàn)證電磁波存在的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過對放電現(xiàn)象的觀察，產(chǎn)生了一系列的思維謎團(tuán)，隨著這些謎底在課堂上的逐步揭開，可生成科學(xué)思維的一般思路和方法。赫茲的這個(gè)實(shí)驗(yàn)看似與本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容無關(guān)，但從科學(xué)思維“邏輯性原則”和“歷史性原則”的視角來看，這樣的引入方式卻令學(xué)習(xí)過程回溯到了問題發(fā)生和發(fā)展的“本源”，使學(xué)生的學(xué)有了源頭和根基，讓學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)感和基于真實(shí)思維沖突的研究欲望，并提出了諸多論題及猜想。

（二）搜集證據(jù)，尋求思維支撐

1.實(shí)驗(yàn)探究逸出何種物質(zhì)

學(xué)生活動：自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選用器材如圖3所示（紫外燈，鋅板，驗(yàn)電器），最后得出結(jié)論：從鋅板逸出的是負(fù)電荷。

教師繼續(xù)演示：用玻璃罩住紫外燈，觀察驗(yàn)電器張角情況。

得出結(jié)論：用紫外線照射鋅板時(shí)，從鋅板向外逸出帶負(fù)電的粒子。

教師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)研究，可以通過測得比荷的方法得出它是電子。

最后總結(jié)結(jié)論：在光的照射下，從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫作光電效應(yīng)。發(fā)射出的電子叫作光電子。

【設(shè)計(jì)意圖】科學(xué)論證必須建立在真實(shí)問題的基礎(chǔ)上，科學(xué)思維才能得到有效的培養(yǎng)。在探究“光電效應(yīng)逸出的是何種粒子”這個(gè)環(huán)節(jié)中，教師并沒有直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，而是讓學(xué)生通過積極思考，自主設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，并結(jié)合選定器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，將學(xué)生置于科學(xué)研究者的角色上，在真實(shí)任務(wù)情境中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。并且，課堂演示也并沒有預(yù)設(shè)成一次就實(shí)驗(yàn)成功，當(dāng)紫外線照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器張角并沒有張開，學(xué)生繼續(xù)尋找解決方案，直到成功演示，展現(xiàn)了科學(xué)研究過程的不確定性和曲折性。真實(shí)的研究體現(xiàn)了富有思維障礙和沖突的學(xué)習(xí)過程，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.實(shí)驗(yàn)探究光電效應(yīng)規(guī)律

活動一：學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路，得出初步探究方案，并用光電管、干電池、蜂鳴器、濾光片、手電筒等進(jìn)行簡單體驗(yàn)。學(xué)生得出結(jié)論：光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的，且當(dāng)入射光頻率增大到某一數(shù)值時(shí)，才有光電子發(fā)出，這種現(xiàn)象與光強(qiáng)無關(guān)。在入射光的頻率一定的條件下，光的強(qiáng)度越大，電流越大。

活動二：教師展示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路板（見圖4），微安電流表和電壓表均為數(shù)字式電表，黑盒子中是光電管，左側(cè)有一透光孔。

演示：紫光照射，未加電壓時(shí)，電流不為0。教師引導(dǎo)學(xué)生思考該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。學(xué)生分析得出：電子逸出金屬表面時(shí)具有一定的初速度，因此即便不加電壓也有光電流。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出要想使電流為0，加反向電壓并調(diào)大電壓即可，并現(xiàn)場演示。

繼續(xù)分兩種情況演示：頻率一定，選擇強(qiáng)紫光和弱紫光，增大電壓U，用數(shù)字傳感器觀察光電流隨電壓的變化規(guī)律（見圖5）；改變頻率，即再選擇一定強(qiáng)度的綠光演示。

觀察實(shí)驗(yàn)圖像，學(xué)生總結(jié)規(guī)律：存在飽和光電流和遏止電壓，且光的強(qiáng)度越大，飽和電流就越大。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考飽和電流和遏止電壓存在的原因，最后得出遏止電壓與最大初動能之間的關(guān)系。

【設(shè)計(jì)意圖】新主張的產(chǎn)生，是基于事實(shí)、數(shù)據(jù)和證據(jù)?！疤骄抗怆娦?yīng)規(guī)律”的環(huán)節(jié)，既是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是搜集“依據(jù)”的重要過程。教師創(chuàng)設(shè)了一個(gè)主體能動的教學(xué)環(huán)境，先是通過一個(gè)簡易的實(shí)驗(yàn)裝置讓學(xué)生初步感知規(guī)律，接著再通過數(shù)字式電表與DIS傳感器演示實(shí)驗(yàn)，結(jié)合層次性和遞進(jìn)性的問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生分析和推理，最后總結(jié)得出規(guī)律。本環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅實(shí)驗(yàn)過程讓學(xué)生參與，實(shí)驗(yàn)結(jié)果交由學(xué)生分析，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和領(lǐng)悟，而且收集了較為充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和事實(shí)，為新主張的提出奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（三）確立主張，體悟思維過程

思考與討論：按我們之前對光的認(rèn)識“光是電磁波，攜帶了能量”，你認(rèn)為有哪些跟光電效應(yīng)現(xiàn)象相違背的方面？

學(xué)生討論得出用經(jīng)典電磁理論解釋光電效應(yīng)的困難。

教師繼續(xù)拋出兩個(gè)問題供學(xué)生討論：1.當(dāng)傳統(tǒng)的理論無法解釋現(xiàn)象時(shí)，那就需要?jiǎng)?chuàng)新，你能提出新的主張來解決這些疑難現(xiàn)象嗎？比如瞬時(shí)性？你認(rèn)為這類似于我們前面學(xué)過的什么模型？2.只認(rèn)頻率不認(rèn)強(qiáng)度，說明光的能量與什么有關(guān)？為什么電子的最大初動能只與頻率有關(guān)？你能聯(lián)想此前學(xué)過的相關(guān)知識嘗試著進(jìn)行解釋嗎？為什么需要滿足一定的頻率條件，光電效應(yīng)才能發(fā)生呢？

學(xué)生再次思考、討論與交流，并建立光子模型。

總結(jié)：愛因斯坦受普朗克能量子觀點(diǎn)的啟發(fā)，提出了光子說。

問題：仔細(xì)研讀愛因斯坦光子說的具體內(nèi)容，分析光的光子說跟光的電磁說有哪些不同？

教師引導(dǎo)學(xué)生理解從經(jīng)典電磁理論中光的連續(xù)性到光的量子化，在認(rèn)識上發(fā)生了質(zhì)的飛躍，并用愛因斯坦的光子說解釋光電效應(yīng)的四個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

學(xué)生閱讀教材文本，尋求支撐光子說正確性的更多實(shí)驗(yàn)證據(jù)，如密立根根據(jù)光子說測出的普朗克常量h數(shù)值跟普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h數(shù)值的比較，及康普頓效應(yīng)。

最后，教師讓學(xué)生在課后查閱資料，搜集整理能證明光子說成立的其他實(shí)驗(yàn)或佐證材料，下節(jié)課在班級分享。

【設(shè)計(jì)意圖】當(dāng)現(xiàn)有的理論無法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和事實(shí)的時(shí)候，往往就是新主張、新理論開始萌芽的時(shí)刻，更是科學(xué)思維大顯身手的最佳契機(jī)。因此在探究光電效應(yīng)本質(zhì)的環(huán)節(jié)，基于學(xué)生的視角，以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為載體，借助已有的知識，通過邏輯推理和演繹，將科學(xué)思維方法應(yīng)用到復(fù)雜的情境中去，從而得出新的結(jié)論，讓學(xué)生體會到豁然開朗、柳暗花明的愉悅之感。另外，根據(jù)圖爾敏論證理論，新主張形成后的重要任務(wù)之一就是尋求支撐，以證實(shí)主張，因?yàn)閮H靠少數(shù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，從科學(xué)論證的嚴(yán)謹(jǐn)性來說，是不能真正保證新主張的正確性的。教師先通過新舊主張的對比讓學(xué)生領(lǐng)悟光子說的內(nèi)涵后，再讓學(xué)生嘗試著用新的主張——光子說解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程其實(shí)也是一種“證實(shí)”過程，然后再讓學(xué)生從文獻(xiàn)資料中尋找支撐光子說成立的更多依據(jù)。這樣，既可以培養(yǎng)學(xué)生思維的科學(xué)性與縝密性，也能讓學(xué)生從科學(xué)的發(fā)展歷史中感受人類文明進(jìn)步的艱辛和曲折，以及科學(xué)家堅(jiān)韌不拔、尋求真理的科學(xué)精神。

（四）完善主張，凸顯思維價(jià)值

活動1：學(xué)生在已知光子能量和金屬逸出功表達(dá)式的基礎(chǔ)上，嘗試推導(dǎo)光電子最大初動能與入射光頻率的關(guān)系式，以及遏止電壓Uc與光的頻率ν之間的關(guān)系式。

活動2：讓學(xué)生畫出Ek-ν圖像和Uc-ν圖像，并指出圖像斜率及截距的含義。

活動3：引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到光有波動性，也具有粒子性，讓學(xué)生閱讀教材，闡述對光的波粒二象性的理解。

【設(shè)計(jì)意圖】新主張即便被“證實(shí)”，仍需不斷完善，在完善中深化，在深化中發(fā)展。在本教學(xué)環(huán)節(jié)前，光子說已被“證實(shí)”，此時(shí)教師設(shè)計(jì)了三個(gè)教學(xué)片段，一是讓學(xué)生推導(dǎo)出光電子最大初動能和截止電壓隨入射光頻率間的函數(shù)表達(dá)式。二是要求學(xué)生根據(jù)表達(dá)式畫出最大初動能和截止電壓分別隨頻率變化的函數(shù)圖象，并研究圖像斜率和截距的含義。三是基于光既具有波動性又具有粒子性的事實(shí)，闡述對光的波粒二象性的理解。三個(gè)片段，步步深入，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對光粒子性的理解，同時(shí)又不斷螺旋上升發(fā)展主張，形成對光本質(zhì)的新認(rèn)識——波粒二象性。

本節(jié)課以圖爾敏的科學(xué)論證模式為教學(xué)依據(jù)，用研究的過程來優(yōu)化學(xué)習(xí)的過程，實(shí)現(xiàn)了從“知識積累學(xué)習(xí)”向“素養(yǎng)發(fā)展學(xué)習(xí)”的課堂轉(zhuǎn)型：從被動接受到能動實(shí)踐、從結(jié)論性問題到本源性問題、從知識傳輸過程到研究發(fā)現(xiàn)歷程、從簡單化互動到結(jié)構(gòu)化協(xié)作，回歸學(xué)科本質(zhì)、尊重主體思維、嚴(yán)密科學(xué)論證。在課堂教學(xué)中，充分挖掘物理學(xué)史中的課程資源，借鑒科學(xué)家實(shí)驗(yàn)探索的思維歷程，用論證的觀點(diǎn)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)、用論證的方式組織學(xué)習(xí)、用論證的過程促進(jìn)學(xué)習(xí)、用論證的內(nèi)涵豐富學(xué)習(xí)，展現(xiàn)出“學(xué)科時(shí)空”與“生活時(shí)空”“學(xué)科實(shí)踐”與“生活實(shí)踐”的雙向融合，實(shí)現(xiàn)了“聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活、立足科學(xué)論證、探尋科學(xué)本質(zhì)、體悟思維方法”的課堂樣態(tài)。

【參考文獻(xiàn)】

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［2］汪明.圖爾敏論證模型與物理教學(xué)的實(shí)踐［J］.物理教師，2020，41（12）：9-12.