創新演示實驗 構建基于核心素養的深度學習課堂
——以“光的粒子性”第1課時教學為例

祁紅菊

(江蘇省奔牛高級中學,江蘇 常州 213131)

深度學習是以理解為基礎的意義探究型學習活動,[1]直抵學科的本質和知識的內核,是超越了表層符號的學習．一般認為,深度學習有以下3個特征,一是基于真實情境的任務驅動型學習,二是基于任務驅動的學生深度參與型學習,三是基于合作交流探究的自主建構型學習．因此,深度學習能夠有效地激發學生的內驅力、思維力、想象力和遷移力等．

演示實驗既是高中物理教材的重要內容之一,也是課堂教學中教師傳授知識的一個重要的媒介．演示實驗既可以豐富學生的感知,變抽象為直觀,還可以引領學生深層思考,突破教學難點．在課堂教學中,教師若能創新演示實驗,充分挖掘演示實驗的價值,結合層層遞進的問題設計,讓學生始終處于一個發現者、探索者和揭秘者的位置,可以有效促進學生理性思考,發展科學探究能力,提升科學素養,真正實現深度學習．本文以人教版高中物理選修3-5第17章第2節“光的粒子性”的第1課時為例,探索通過創新演示實驗,構建基于核心素養的深度學習課堂的實踐策略．

1 教學過程

1.1 以趣味實驗創設真實情境,激發學生深度學習的內驅力

實驗1:神奇的光電實驗.

教師將GD-28光電管(稱“神秘元件”)放入開有透光孔的黑盒中,并將該元件和音樂賀卡中的蜂鳴器及干電池連成電路,此時蜂鳴器不發聲．[2]

演示1:當用強光手電筒照射光電管,蜂鳴器發出悅耳的音樂．移開手電筒時,蜂鳴器則不發聲．

演示2:讓強光手電筒逐漸靠近光電管,發現蜂鳴器發出的樂音聲音逐漸增強;讓強光手電筒逐漸遠離光電管,發現蜂鳴器發出的樂音聲音逐漸減弱．

提問:如果用紅光照射也有這種現象嗎?

演示3:在黑盒的透光孔前放置一紅色濾光片，使紅光照射“神秘元件”,蜂鳴器無反應．

提問:關于剛才的現象,你們有什么問題要提出來嗎?

設計意圖:此導入實驗新奇有趣,創設了一個極具探索氣息的學習場,充分激發了學生探究的興趣和欲望．在教師的啟發下,學生踴躍提出了很多有思考價值的問題,例如，該神秘元件是什么?有什么作用?為什么強光照射蜂鳴器就會發聲?為什么光源靠近蜂鳴器,音樂聲更大?為什么紅光照射就沒有這樣的現象了?在怎樣的條件下才能有這樣的現象等．以上教學過程為學生創設了神秘而又真實的情境,有效地激發了學習的內驅力,為學生發現并提出與學習主題相關的問題提供了條件,也為教學目標的順利推行提供了保證．

1.2 以經典實驗探尋現象本質,促進學生深度參與的思維力

教師:剛才的現象其實早在1887年就被大名鼎鼎的赫茲發現了,進而引發了許多科學家對其深入研究,從而顛覆了人們之前對光的本性的認識,讓我們追尋大師的足跡,重溫這個經典實驗．

實驗2:認識光電效應現象.

用導線將鋅板(事先要拋光打磨)與驗電器相連,同時讓紫外線燈靠近鋅板,為使實驗現象更加明顯,在靠近鋅板的另一側處要放置一只用絲綢摩擦過的玻璃棒,如圖1所示．

圖1 紫外線照射鋅板實驗

演示1:關閉開關,讓紫外線燈發光照射鋅板,發現驗電器指針有較大角度的偏轉．

提問:如何檢驗鋅板帶什么電?

演示2:用絲綢摩擦過的玻璃棒觸碰鋅板,發現驗電器指針的偏角變大．

提問:這個實驗現象說明了什么?

演示3:將鋅板換成等大的銅板,重復以上實驗操作,發現驗電器指針沒有發生偏轉．

提問:你觀察到的這個實驗現象又說明了什么?

總結:照射到金屬表面的光(包括不可見光),能使金屬中的電子從金屬表面逸出的現象叫做光電效應．發射出來的電子叫做光電子．

提問:在紫外線燈的照射下,鋅板中的電子為什么會跑出來?

引導討論:當光照射時,金屬表面的電子吸收了入射光的能量,振動加劇,當能量足夠大時,電子就會掙脫金屬的束縛從表面逸出,從而發生光電效應．

圖2 光電管原理圖

教師介紹神奇光電實驗的神秘元件——光電管的結構,如圖2所示,并提問:現在,你能解釋蜂鳴器發聲的原因了嗎?

得出結論:光照射金屬(陰極),陰極發射出的光電子在電路中定向移動形成光電流．

設計意圖:在鋅板前放置一帶正電的玻璃棒后,當光照射鋅板時,玻璃棒會吸附逸出的光電子,使鋅板電勢升到足夠高,驗電器指針張角就會較大,現象更明顯．在討論鋅板帶電的原因時,有學生認為也可能是紫外線使空氣電離從而導致鋅板帶電的,教師換用銅板重復上述實驗,發現驗電器并不張開,就排除了這一可能性．此實驗設計簡單,容易操作,既形象直觀地顯示了光電效應現象,又可引發學生對實驗現象的思考:鋅板為什么會帶電?鋅板帶正電的原因?電子為什么會逸出來?直接的感官刺激會激發學生探秘揭秘的欲望,促使學生積極地從物理學的視角去思考這種現象背后產生的本質原因,培養學生理性思維能力．

1.3 以創新實驗理順邏輯關系,提升學生自主建構的學習力

教師:光電效應現象被發現后,引起了許多科學家濃厚的興趣,不斷對此進行深入的探索和研究,其中德國物理學家菲利普·勒納德(赫茲的學生)在光電子的研究方面作出了巨大的貢獻．

提問:如果你是勒納德,你會去研究光電子哪些方面的內容?

引導學生得出,要研究影響光電子數量的多少和能量大小的因素等．

提問:光電子不可見,如何將微觀現象轉變成可見的宏觀現象來進行研究呢?

學生:可以研究光電流大小．

提問:金屬表面逸出的電子射向很多不同方向,如何讓更多的電子匯聚到陽極呢?

學生:可以加電場．

實驗3:探究光電效應規律.

自制如圖3所示的光電效應實驗電路板,其中的電壓表和微安表均為數字式電表,黑盒中為光電管,左側有透光孔．

圖3 自制光電效應實驗電路板

演示1:開關閉合后透光孔前加上紅光濾光片,即用紅光照射光電管,微安表示數為0．

提問:紅光照射沒有電流,你認為是什么原因造成的?

學生猜想:可能是光強不夠．

演示2:調節強光手電筒亮度,增加紅光光強,微安表示數依然為0．

提問:要想觀察到光電效應現象,你有沒有更好的建議呢?

學生:改變光的顏色試試．

演示3:在透光孔前分別換用黃光、紫光和綠光濾光片,發現微安表均有示數．減弱光強,微安表依然有示數．

總結規律①:只有當入射光的頻率大于某一數值νc時,才有光電子逸出,與光強無關,νc稱為截止頻率或極限頻率．

提問:用黃光照射光電管時能發生光電效應,在不改變光的顏色的條件下,如果想讓光電流增大,你有哪些辦法?并說說你的理由．

學生:增大光的強度或增大光電管兩端的電壓．

提問:若要研究影響光電流大小的因素,可以采用什么方法?

學生:控制變量法．

演示4:定性演示光電流大小與光強的關系,發現光越強,電流表示數增大．

演示5:分別用弱黃光和強黃光照射,增大正向電壓U,用DIS傳感器觀察電流隨電壓的變化規律,如圖4所示．

圖4 DIS傳感器演示光電流交化規律

提問:觀察圖像,你得到什么信息?

學生:電壓越大,光電流也越大,最后光電流趨于一個穩定值．光越強,光電流的穩定值就越大．

總結規律②:存在飽和電流,光強越大,飽和電流越大．

提問:試分析為什么正向電壓大到一定程度,光電流就不增大了?入射光越強,光電流的飽和值就越大,說明了什么?

討論完畢,繼續提問:如果陰、陽極之間不加電壓,光電流是否為0?如何才能使光電流為0?

引導學生分析得出:電子逸出金屬表面有一初速度,即使不加電壓也有光電流,教師現場演示現象,并引導學生分析得出要想使電流為0,加反向電壓并調大電壓即可．

演示6:光電管兩端加反向電壓并逐漸增大電壓值,觀察微安表的示數變化情況．

總結規律③:存在遏止電壓．

提問:為什么會存在遏止電壓?

引導學生分析得出光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用,最大速度的光電子到達陽極的速度剛好為0時對應的反向電壓為遏止電壓．

提問:為什么要研究遏止電壓?

引導學生分析得出,光電子的最大初動能決定了遏止電壓的大小,研究遏止電壓即可研究光電子的最大初動能．

提問:遏止電壓與最大初動能之間有什么關系?

學生:根據動能定理,有-eUC=0-Ekm,即eUC=Ekm.

引導學生領悟此實驗的設計方法——即轉換思想．

提問:猜測影響遏止電壓的可能因素有哪些?

演示7:改變光強,遏止電壓不變;光的頻率變大,遏止電壓變大．

得出結論:遏止電壓與光的頻率有關,即光電子的最大初動能與光的頻率有關,與光強無關．

演示8:分別用強黃光、弱黃光照射光電管,觀察從開始照射到微安表有示數之間間隔的時間．

總結規律④:光電效應的發生幾乎是瞬時的．精確的實驗表明,從光開始照射到有光電子逸出,所需的時間t<10-9s．

設計意圖:第一,關于光電效應現象的幾個規律教材編寫的邏輯主線是這樣的:先是介紹飽和電流,再是遏止電壓和截止頻系,最后介紹瞬時性．在教學實踐中,筆者感覺這樣編排的邏輯關系并不十分明晰,不同規律間的銜接較為生硬,上下文之間的關系較為松散,多數學生感到認知難度大,模糊不清,難以準確理解和把握光電效應的本質．鑒于以上問題的存在,筆者嘗試對教材內容進行了整合和優化設計,使課堂教學流程更加符合學生的認知,知識點的銜接更為流暢,邏輯關系更加明晰．學生通過觀察課堂導入實驗“神奇的光電實驗”,最先關注的應該是為什么紅色照射光電管時,蜂鳴器不響?即產生光電效應的條件是什么?進而分析用紅光照射光電管時,蜂鳴器不響的原因可能是紅光的強度不夠,教師驗證與光強無關之后,學生才會想到可能是與光的顏色有關．解決了發生光電效應的條件之后,再引導學生研究光電流的大小的決定因素,結合DIS傳感器直觀地顯示了光電流的變化規律,順理成章地得出了飽和電流,并結合引入實驗的現象猜想飽和電流應該與光強有關．接著光電流這個話題教師繼續拋出兩個問題讓學生進行思考,即“如果陰、陽極之間不加電壓,光電流是否為0?如何才能使光電流為零?”使學生知曉了遏止電壓的存在,知道通過研究遏止電壓的大小可以間接地了解光電子的能量,并體會實驗背后的科學思想方法．第二,本實驗對教材上的實驗作了改進,將傳統的指針式電表改成了數字式電表,實驗現象更直觀,在描繪I-U圖像時又結合了DIS數字傳感器,圖像對比明顯,使學生很易發現規律．實踐表明,直觀的現象結合有效的設問更能有助于學生自主構建概念,引發學生對物理現象的關注和思考,使學生學會象科學家一樣思考和解決問題,提升科學素養和高階思維能力．

2 教學反思

2.1 創新演示實驗,從現象到本質的思考

本節課的導入實驗設計精巧,創設出新穎且真實的情境,增加了科學的神秘感,現象的感官刺激激發了學生探求真理的渴望．同時,實驗的設計也利于學生觀察現象發現問題,讓學生自主提煉出需要探究的內容,順利進入新的教學環節．在設計課堂演示實驗時,教師要通過創新,嘗試著將不可見的實驗現象轉化為可見的實驗現象、把微弱的實驗現象放大為明顯的實驗現象、把定性的實驗研究轉換為定量的實驗研究,以達到最佳實驗效果．本節課中使用了數字式電表與DIS傳感器,并借助于希沃系統的同屏功能,擴大了學生觀察視野,清晰、直觀的實驗現象和圖像提升了視覺的指向性,利于學生從感性認識上升到理性思考．

2.2 問題促進思考,從已知向未知的探索

本節課以具有層次性和遞進性的問題鏈為抓手,充分利用演示實驗創設了一個科學探究的情境．即先通過現象的觀察發現問題,然后在教師的點拔和引導下,學生利用已有的知識,大膽猜想、假設或邏輯推理,最后通過實驗驗證并總結規律，有效促進了學生物理觀念的形成與發展以及對物理學科思想方法的理解,如微觀量轉化為宏觀量測量、定性研究與定量研究的結合等等,較好地體現了深度學習的需要及物理核心素養的要求．

2.3 遵循認知規律,從教材到教學的整合

物理概念或規律的構建既可以基于知識的內在邏輯來達成,也可遵循學生認知的發展規律來實現,但后者更貼近學生的學習需要,具有更現實的意義．本節課在進行教學時,沒有完全按照教材的編排順序,而是順應學生思路重新進行了整合．整個過程從直觀到抽象,從感性到理性,清晰流暢,串聯了各個教學板塊的內容,更符合學生的認知,對促進學生理解規律、梳理內在聯系,建立知識間的邏輯關聯及保持長時間的記憶起了很大的作用．

高品質、有內涵的課堂教學應努力創設新穎神秘、真實有趣的學習情境,讓學生積極參與并樂在其中,以真正凸顯學生的主體地位,發揮主體作用．在實驗探究的過程中,學生獲得的不僅僅是新的知識,更重要的是可以逐步形成正確的物理觀念、科學的思維方式和積極的科學態度．在課堂教學實踐中,通過創新演示實驗,整合教材內容,精心預設問題,從表層到內涵,從現象到本質,引導學生自主建構知識,就可以有效地提升課堂教學品質,構建基于核心素養的深層學習課堂．