促進深度學習的演示實驗教學研究

湯可嵚

摘? ?要： 演示儀器目的單一，課堂教學“滿堂灌”等是傳統演示實驗課堂的“通病”。因此教師根據教學需求，對演示儀器加以改進，或者自制演示裝置是十分必要的。文章以演示實驗“光電效應的實驗規律”為例闡述如何根據教學需求，通過自制創新裝置，設計探究式的課堂以達到深度學習、提升核心素養的目的。

關鍵詞：深度學習；核心素養；光電效應；創新裝置；探究課堂

引言

“深度學習”是一種基于理解的學習，它主張在研究中學習，引導學生深入分析和思考，使學習成為一個探尋意義、獲得意義的過程[ 1 ]。深度學習，要求以學生為主體，讓學生深度參與建構和反思，可見，深度學習能夠實現有效地參與和體驗，對于學生核心素養的提升是十分必要的。然而在實際演示實驗教學中，由于演示裝置的限制和以教師為主體的教學模式，難以實現深度學習，也不利于學生學科科學素養的提高。利用探究性實驗教學方式，通過改造或自制演示裝置讓學生充分參與演示實驗的全過程可以促進深度學習，從而達到變被動學習為主動獲取知識從而提升學科科學素養的目的。

光電效應的實驗規律一直是高考的重點、教學的難點，本文以該演示實驗為例，基于深度學習的理念，設計促進深度學習的實驗探究課堂，通過自制實驗裝置，讓學生在主動設計實驗的過程理解原理，將抽象的規律直觀地用數據呈現，學生通過對原始數據的分析和總結得到結論。

1? 創新裝置簡介

1.1? 裝置主要元件

綜合現有演示裝置的優點和探究課堂的需要，筆者自制了教學儀器“光電效應規律演示儀”（圖1），元件有：LED純彩光源（紅，綠，藍，紫色）、光電管（GD-28，GD-21）、開關電源、電位器、數顯直流電壓表頭（DV50 V）、數顯直流電流表頭（DA200 μA）、（或朗威電壓傳感器、微電流傳感器），DC直流可調數控降壓電源模塊、帶有可調通光孔徑轉盤的遮光罩等。

1.2? 裝置特點

入射光的頻率可通過控制光源的顏色來實現，光強可通過調節光源電壓實現連續變化。特制遮光罩如圖2，遮光罩上設有S，2S，3S，4S等6種通光孔面積，控制入射光源電壓一定，通過旋轉帶孔轉盤來改變通光孔的面積，分別用遮光罩上S，2S，3S，4S通光孔面積控制光強，即光強比為1：2：3：4。實現光強半定量的控制。本裝置電流和電壓的測量可用外置數顯電表也可用外置傳感器直接連電腦測量，本文以外置數顯表測量為例進行闡述。

2? 促進深度學習的探究課堂

2.1? 探究實驗設計理念

2.1.1? 巧設探究主題

北京師范大學郭華教授[ 2 ] 指出，深度學習是在教師引領下，學生通過參與有挑戰性的學習主題，獲得發展的學習過程。本實驗教學中教師拋出問題：“如何獲得光電流？”“如何利用光電管獲得并控制光電流的大小？”接著整節課圍繞“光電流”這個主題展開，這個主題極具挑戰性，學生積極討論，分享思考，主動參與分步探究、體驗成功。

2.1.2? 巧設探究任務

光電效應的實驗規律十分抽象，為了真正有效地進行深度學習，將教學目標轉化成一個個探究任務，有層次，循序漸進的設計任務，將教學難點分散突破。通過任務布置，讓學生明確努力方向；通過任務實施，培養學生的科學思維和探究能力；通過任務達成，激發學習熱情，體驗探究的樂趣。

2.1.3 滲透深度學習的探究實驗教學過程

讓學生充分參與演示實驗的過程，用所學的知識嘗試構建物理模型去解釋每一個實驗現象，并能夠在適當的引導下進行知識的遷移，擺脫表面學習，以達到深度學習的效果和提升核心素養的目的。

教師首先給學生提供本節課實驗會用到的實驗器材，讓學生基于這些器材設計實驗完成各項探究任務。

任務一：如何利用光電管獲得光電流？需要哪些儀器？

學生很容易可以設計出電路1如圖3，并提出實驗還需要的器材有可變色的光源、遮光罩和電流表。教師按照學生的設計用自制裝置演示，此時光電管未加電壓，選用GD-28光電管，先用紅光照射，光電流為0，增大光強，光電流仍然為0，引導學生解釋原因。換綠光照射，發現馬上有電流值，引導學生得出光電效應的產生條件和瞬時性。

任務二：如何獲得盡可能大的光電流？

（1）討論和猜想：增大入射光頻率、光強等。教師追問，剛才用綠光獲得了光電流，如果換藍光光電流怎么變？學生普遍認為會變大。

（2）觀察和小結：教師演示用藍光和綠光照射，光電流不同，說明頻率對光電流有一定影響。接著演示控制藍光不變，通光孔面積一定，增加亮度，發現光電流增大，進而得出：入射光頻率不變，光電流隨光強增大而增大。

（3）深度學習

電路設計中的深度學習：教師先給出光強的概念，讓學生解釋頻率一定光強越大，光電流越大的原因。追問如果控制頻率和光強都不變，還有沒有辦法增大光電流？ 這個問題不太好回答，需要教師引導，可先讓學生思考：“陰極逸出的光電子能否全部到達陽極？”學生都認為不可能，但說不上為什么，教師通過動畫解釋是因為光電子逸出后運動方向是朝向四面八方的，且存在反向電場。繼續追問：“如何讓到不了陽極的光電子都到陽極？”學生就能想到：“加電場”。因此需要電源和滑動變阻器。讓學生設計出電路如圖4，這里可以借機回顧電路設計的知識。通過一個又一個階梯式的關聯問題的拋出，讓學生在逐步解決問題的過程中進行深度學習，將科學思維、科學態度與責任的培養充分滲透到課堂中。

實驗過程中的深度學習：教師閉合裝置電路部分的電鍵，給光電管加上正向電壓，讓學生上臺記錄數據。使用藍光，學生記錄光電流隨外加正向電壓的變化情況，同時用Excel描點作圖。讓學生觀察圖像的特點并思考“電壓增大，光電流變大，可是增大到一定值時，再增大電壓，電流值卻幾乎不變了是為什么？”在引導學生分析的過程中給出飽和電流的概念。然后繼續追問：①如果還想增大光電流，就必須使單位時間逸出的光電子數多一點，怎么做？②增大光強，也會有飽和電流嗎？③猜想飽和電流和光強的關系，如何用實驗驗證？

問題③有一定難度，教師引導學生回答電流和光強的正比關系，并讓學生設計出通過改變遮光罩通光孔面積來半定量控制光強來完成實驗的驗證。讓學生輔助記錄光電流隨外加正向電壓的變化情況，描點后作I-U圖像（見圖5）及飽和光電流Im與入射光強φ的關系圖像（即Im-φ圖像見圖6）。

最后得出實驗結論：

①存在飽和電流，入射光頻率一定，光強越強飽和電流越大。

②飽和電流值與光強成正比。

任務三：入射光頻率和光強不變，如何將獲得的光電流減小？

（1）討論和猜想：加反向電壓。

（2）觀察和小結：教師演示撥動自制裝置的選擇開關使光電管兩端的電壓反向，控制光源為藍光保持亮度不變，數據記錄如表1。

（3）深度學習：引導學生解釋這一現象，加反向電壓能使所有的光電子都受到一個反向的電場力，這個力如果能使跑得最快的光電子到不了陽極，那所有光電子就都到不了。提問：此時增大光強，遏止電壓怎么變？多數學生猜想變大。教師演示：用藍光控制，亮度不變，增大通光孔面積為16S，重復實驗記錄數據如表2，發現遏止電壓不變。改用綠光，數據如表3。進而得出遏止電壓與頻率有關而與光強無關的結論。

教師分析，遏止電壓是使光電流恰好為零的反向電壓值，意味著此時跑得最快的光電子恰好無法到達陽極，提問：①遏止電壓與跑得最快的光電子的初速度有什么關系？②光電子的最大初動能可以用遏止電壓來表征，也就意味著，光電子的最大初動能與光強無關，只與頻率有關，如何用光子說來解釋？

以上兩個問題都需要學生用舊知識和新知識構建物理模型，教師要做好引導，讓學生討論后并上臺板演，通過全班的交流和討論導出光電效應方程。在解決問題的過程中深度學習，通過知識的內化和向他人學習并獲得成果的過程體驗成功的快樂。

3? 結束語

通過演示實驗教學展示物理現象、導出物理概念、發現物理規律，是其它教學方式無法替代的。實踐發現高效、充分地在演示實驗中促進深度學習是培養學生物理核心素養有效途徑。讓學生像物理學家一樣去嚴謹地思考問題，去科學的設計實驗，通過觀察現象，分析數據，得出結論，并用所學的知識去構建物理模型解釋現象，體驗成功樂趣的同時提升核心素養。

參考文獻：

［1］ 劉新選.基于核心素養的高中物理深度學習的探討[J]．物理教學探討，2018，36（6），73-75．

［2］ 尤小平.學歷案與深度學習［Ｍ］．上海：華東師范大學出版社，2017：5-6．