基于導學研討式教學的大學物理教學設計
——以“光電效應”為例

李 霞 龔艷春 何蘇紅 陳 磊 黃雁華

（陸軍工程大學基礎部 江蘇南京 211100）

大學物理是高等學校理工科各專業(yè)學生一門重要的通識性必修基礎課，主要作用是為學生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎，增強學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識。高等教育的目的是培養(yǎng)高質量的創(chuàng)新型人才，如何通過這門課程實現(xiàn)學生知識、能力、素質的協(xié)調發(fā)展，使學生的探索精神和創(chuàng)新意識得到很好培養(yǎng)顯得尤為重要[1]。

“光電效應”是屬于大學物理近代物理學部分的內容，內容安排上處于黑體輻射及能量子假說之后。其具體內容包括：（1）光電效應的實驗規(guī)律；（2）光量子假說及其對光電效應的解釋；（3）光電效應在現(xiàn)代技術中的應用。

“光電效應”無論從知識結構還是人文精神以及現(xiàn)實應用上都有著豐富的內涵，教學設計采用導學研討式與線上線下混合式教學相結合，整合、優(yōu)化教學內容，以充分體現(xiàn)大學物理課程教學的知識價值、方法價值、人文價值和軍事應用價值。

一、教學目標

【知識目標】理解光電效應的實驗規(guī)律及經典物理解釋光電效應的困難，理解光量子理論，掌握愛因斯坦光電方程，能夠用光量子理論解釋光電效應，了解光電效應的實際應用。

【能力目標】通過課前預習、課堂思考與討論、課后拓展作業(yè)等活動，培養(yǎng)學生查閱文獻資料，獨立獲取知識的能力、分析問題和解決問題的能力、語言表達與合作能力等，帶領學生領略“提出問題—大膽假設—論證分析—實驗驗證”的研究過程，培養(yǎng)學生的科學思維方法、科學研究能力。

【情感與價值觀目標】體驗探究自然界規(guī)律的艱辛、喜悅與方法，學習物理學家們勤于思考、敢于堅持真理，勇于創(chuàng)新、求真務實的科學態(tài)度和科學精神，進一步強化物理學習興趣，轉變物理學習態(tài)度。

二、導學研討式教學實施設計

根據(jù)“學為主體，教為主導”和“能力為本”的教學理念，依托SPOC平臺，采取導學研討式的教學方法，按照課前導學、課中研討和課后拓展學習的順序設計教學流程，將課堂與課外學習有機結合，全面促進和培養(yǎng)學生自主學習能力、發(fā)現(xiàn)問題能力，培養(yǎng)學生的批判精神和合作交流意識[2-3]。

1.課前導學

教師活動：

通過 SPOC 平臺發(fā)布導學案，建立知識點目錄樹，推送相關學習資源（包括“光電效應”的電子教案、視頻文件、相關物理學史、物理學家的生平事跡介紹、相關物理學原理的應用、文獻等），引導學生預學，激發(fā)學生發(fā)現(xiàn)問題，鼓勵其通過平臺展開討論，提交問題。教師及時答疑，通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的分析，了解學生的課前預學情況。

學生活動：

在線預學，自測。設計意圖：使學生以教師設計的導學案為引導，通過閱讀教材、觀看視頻、閱讀文獻、完成自測題，進行有效的課前預學，并及時地在SPOC平臺反饋預習效果，提出疑惑，增強其主動提問和交流討論的意識，培養(yǎng)自主學習的能力。教師了解學生預學情況及集中存在的問題，才能切實提高課堂效率與學習效果。

2.課中研討

（1）播放視頻，創(chuàng)設情境，引入光電效應。

教師活動：

①播放一段關于微光夜視儀及其在戰(zhàn)場應用的視頻，時長大概40秒，創(chuàng)造軍事特色情境，引導思考微光夜視儀的工作原理是什么？引入光電效應。

②提問：什么是光電效應？

配合彩色圖片講解，簡要介紹發(fā)現(xiàn)光電效應的歷史，最早由赫茲發(fā)現(xiàn)，萊納德對此進行了系統(tǒng)的實驗研究。

學生活動：

①觀看夜視儀及其在戰(zhàn)場應用的視頻，激發(fā)興趣，探究其工作原理；

②回答問題。

設計意圖：從一個具有軍事特色的應用實例出發(fā)，抓住學生的眼球，激發(fā)學生的學習動力與興趣，引起學生的共鳴。

（2）總結光電效應的實驗規(guī)律。

教師活動：

①提問：萊納德對光電效應進行了系統(tǒng)的實驗研究，而他的發(fā)現(xiàn)讓當時的物理學家們大惑不解，他都發(fā)現(xiàn)了些什么結果？

請學生結合預習情況說說對光電效應實驗結果的了解，引導大家盡可能地把看到的、了解到的都描述出來。

②板書總結：光電效應的實驗規(guī)律。

在學生回答的基礎上，補充完善，結合實驗曲線，帶領學生一起，板書總結出光電效應四條實驗規(guī)律：

○存在截止頻率（紅限）ν0；

○瞬時性；

○飽和光電流與入射光的光強成正比。

在飽和狀態(tài)下，單位時間由陰極發(fā)出的光電子數(shù)與光強成正比。

○遏止電勢差的大小與入射光的頻率呈線性關系，與光強無關。

即光電子最大初動能隨入射光頻率增大而線性增大，與光強無關。

學生活動：

①結合預習情況，在教師的引導下，觀察分析，回答問題，總結實驗規(guī)律。

設計意圖：引導學生把預習了解到的光電效應的實驗情況盡可能地描述出來，培養(yǎng)學生觀察分析、歸納總結的能力，在學生回答的基礎上，教師進一步引導，培養(yǎng)學生深入思考，嚴謹縝密的能力。

（3）分析波動理論在解釋光電效應時的困難 。

教師活動：

①提問：這些結論讓19世紀末20世紀初的物理學家們大惑不解，為什么呢？你看到這些結論有沒有覺得不解？

請學生結合波動理論分析一下光電效應的實驗結論是否合理，根據(jù)學生回答的情況適當輔助引導，得到結論：

（a）按照經典電磁理論，不論入射光的頻率如何，物質中的電子在電磁波作用下總是能夠獲得足夠能量而逸出，因而不應存在紅限頻率；（b）逸出電子的初動能應隨入射光強的增大而增大，與入射光的頻率無關；（c）如果入射光的光強很小，則物質中的電子必須經過較長時間的積累，才有足夠能量而逸出，因而光電子的逸出不應具有瞬時性。

②總結：經典物理在解釋光電效應時遇到無法克服的困難。

學生活動：

①思考，討論分析，表達自己的見解，得到結論。

設計意圖：鼓勵學生把疑惑之處明確表達出來，培養(yǎng)深入思考，邏輯分析的能力，培養(yǎng)大膽質疑，勇于表達見解的精神，同時鍛煉學生的口頭表達能力。而了解到物理學家們跟大家一樣也有相同的困惑，可以拉近物理學跟大家的距離，增強大家學習的信心，進一步強化物理學習興趣，提高參與課堂的層次。

（4）介紹愛因斯坦光量子假說，并用光量子假說解釋光電效應。

教師活動：

①提問：既然波動理論解釋不了光電效應實驗結論，說明波動理論是有局限性的，那怎么辦？光電效應怎么解釋呢？

②引導回顧：前一節(jié)課，我們講黑體輻射的時候，黑體輻射的實驗規(guī)律與經典物理產生了無法調和的矛盾，后來是如何解決的這一問題呢？（引導學生回顧普朗克能量子假說）

③介紹愛因斯坦光量子假說。

④引導思考。按照光子概念，當光入射到金屬表面時，光子與電子相互作用，這一過程的能量轉化關系是怎樣的？從而得到愛因斯坦光電效應方程：

⑤提問：根據(jù)光量子假說，能不能解釋光電效應實驗呢？

請學生分組討論，然后請一個學生代表到講臺上板書講解利用光量子假說如何解釋光電效應現(xiàn)象。

⑥總結：光量子假說圓滿解釋了光電效應的所有規(guī)律。

學生活動：

①思考，回顧，回答問題（普朗克提出能量子假說解釋了黑體輻射的實驗曲線）。

②根據(jù)教師的引導，分析，推論。

③分組討論，學生代表上講臺板書講解。

設計意圖：介紹光量子假說提出時期的科學背景，讓學生更多地了解物理學不斷發(fā)展、不斷前進的過程，同時，學習愛因斯坦的科學思想和勇于創(chuàng)新的科學精神。一方面，板書講解可以促進學生主動學習、思考，加深對內容的理解；另一方面，板書講解也可鍛煉學生的邏輯分析、語言表達、板書書寫等各方面的能力。

（5）介紹密立根對光電效應方程的實驗驗證工作。

教師活動：

①引導：愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了經典的波動理論，而且沒有更多的實驗事實支持光電方程給出的定量關系，所以，光量子假說還只能稱之為假說，要被承認為真理，還需要精確的實驗驗證。是誰第一個驗證了愛因斯坦的光電方程呢？是美國物理學家密立根。

介紹密立根為驗證光電方程所做的工作，密立根花了十年時間做實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦光電效應方程，測出的h值與理論值完全一致，從而證明了光量子理論的正確性，圖片展示密利根發(fā)表的論文記錄的光電效應實驗曲線。

3.課后拓展

教師活動：

①引導：“光電效應”所講的光照射到金屬表面有電子逸出，這種光電效應通常稱為外光電效應，與之對應的，還有內光電效應，內光電效應也有非常廣泛的應用。比如，光敏電阻、CCD相機、光伏發(fā)電等。課后，請有余力的學生查閱資料了解內光電效應及其應用。

②布置課后鞏固作業(yè)。

③推送相關文獻。

學生活動：鞏固練習，跟帖討論，課后探究。

設計意圖：由外光電效應擴展至內光電效應，實現(xiàn)知識遷移，并逐漸培養(yǎng)學生查閱資料，自主獲取知識的能力。

三、教學反思

課程教學依托SPOC平臺，采用導學研討式教學方法，實施起來較為順利。學生在課前預學的基礎上，到了課堂上，思維活躍，發(fā)言積極，討論熱烈，教學效果良好。但是，也反映出一些問題。比如，在分析波動理論解釋光電效應規(guī)律的困難時，學生表述不清，缺乏條理，反映出邏輯思維能力、表達能力較弱，還需要進一步鍛煉。教學過程中，學生對教師介紹到的物理學家們的趣事表現(xiàn)出很大興趣，但是對物理學的傳承、發(fā)展，理論的形成過程關注度不夠，學生對知識的掌握較為重視，但是對其中蘊含的物理思維方法關注度不夠。這些都需要教師在教學過程中加強引導。大學物理的教學，不僅要傳授學生知識，而且更重要的是要培養(yǎng)、提高學生的能力與素質。