大學物理實驗課程思政教學設計

［摘 要］ 基于大學物理實驗“光電效應測普朗克常量”，對其課程思政的教學設計進行了研究。在教學目標、教學方法、教學過程等方面進行了一些探索。在教學中融入思政元素，旨在培養學生的近代物理思想及創新的科學思維；培養學生為實現中華民族偉大復興中國夢而奮斗的精神。同時，在課堂講解中融入科學精神、社會主義核心價值觀、唯物辯證法、團隊協作精神等，以期實現價值塑造、知識傳授和能力培養“三位一體”的教學目標，全面提高學生的綜合素質，實現立德樹人根本任務。

［關鍵詞］ 大學物理實驗；課程思政；光電效應；普朗克常量

［基金項目］ 2021年度安徽省教育廳質量工程項目課程思政示范課“大學物理實驗”（2021kcszsfkc360）；2022年度合肥學院教研重點項目“在OBE教育理念和三全育人背景下大學物理實驗課程體系的構建與實施”（2022hfujyzd07）；2022年度安徽省高校優秀青年人才支持項目“3d過渡金屬離子摻雜調控下新型阻挫尖晶石材料的磁電性能研究”（gxyq2022071）

［作者簡介］ 劉 慧（1983—），女，安徽宿州人，博士，合肥大學先進制造工程學院高級實驗師，主要從事凝聚態物理工作研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）32-0144-05 ［收稿日期］ 2023-06-14

2020年6月，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，旨在把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量［1］。目前全國很多高校都在積極開展課程思政建設，深入挖掘各類課程中蘊含的思政元素，將其融入課程教學中，從而培養出以德為先、德才兼備的全面發展的現代化建設人才［2］。

“大學物理實驗”是一門對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎實驗課程，對于培養學生的實驗技能、分析解決問題的能力，以及提高學生的科學實驗素質等方面，起著至關重要的作用［3］。“大學物理實驗”課程可以使學生重現物理學史上重大的發現，更加深刻地理解物理學的基本原理，提升其觀察能力、操作能力、分析解決問題的能力、創新能力。“大學物理實驗”課程涉及了力學、熱學、電磁學、光學及近代物理等多方面的內容，且與現實生活聯系較為緊密，因此其中蘊含的思政元素特別廣泛，易于挖掘，有利于開展課程思政建設。首先，“大學物理實驗”是一門重要的公共基礎課，覆蓋面廣，涉及理工農醫類甚至文科等各專業的學生，在其中實施課程思政使學生受益面更加廣泛。其次，“大學物理實驗”課程蘊含了豐富的思政元素融入點，如物理學家的故事、科技的發展、公式的推導、定理的應用以及與實際生活的聯系等，都可以挖掘出思政元素。再次，“大學物理實驗”課程一般安排在大一下學期和大二上學期，此時正是大學的初期階段。大學階段是學生世界觀、人生觀和價值觀形成的關鍵時期，在大學初期對學生進行價值塑造和思想啟迪，有利于使學生樹立正確的“三觀”，增強學生的歷史使命感和社會責任感［4］。因此在“大學物理實驗”課程中開展課程思政具有十分重要的意義。

近年來，在課程思政背景下，高校教師對“大學物理實驗”教學進行了諸多探索。陳琳等［5］研究了“大學物理實驗”課程思政元素的挖掘與應用，并進行了光電效應測普朗克常數的教學設計；樊代和等［6］以邁克耳孫干涉實驗為例，探討了基于課程思政的“大學物理實驗”課程教學案例；劉欣等［7］將思政教育融入“大學物理實驗”課程的教學方法并進行了分析，提出了多種融入課程思政的路徑；紅蘭等［8］從整體課程設計入手，系統討論了課程思政融入“物理實驗”教學的改革過程，并對“物理實驗”課堂教學中思政元素的切入點進行探索性研究；吳衛華等［9］以“硅半導體太陽能電池特性實驗”為例，探討了課程思政在“大學物理實驗”教學改革中的探索；岳平等［10］對分光計實驗教學中的課程思政進行了探索和實踐；馮中營等［11］以太原工業學院為例，探討了思政元素在“大學物理實驗”課程教學中的融入。本文以大學物理實驗中的近代物理實驗“光電效應測普朗克常量”實驗為例，進行課程思政教學設計。

一、教學分析

（一）教學目標

將教學目標分為課程目標和思政目標。課程目標為了解光電效應的規律，加深對光的量子性的理解；驗證愛因斯坦光電方程，測定普朗克常量。思政目標為培養精益求精的科學精神，強化科技強國理念。

（二）教學方法

教學方法采用“互聯網+PBL”教學法，通過提出問題讓學生自主探究學習，課堂講授與演示實驗相結合，輔助分組討論法，引導學生積極思考。做到線上與線下相融合、課內與課外相融合、理論與實踐相融合、德育與智育相融合。

二、教學過程

（一）課前預習

課前預習是提高學習效率的一個重要措施，教師課前在學習通中發布預習任務：光電效應的發展歷程？學生通過查找資料發現，1887年赫茲發現了光電效應，但并未成功解釋其中的實驗規律；1900年普朗克提出了量子論及普朗克常量，獲得1918年諾貝爾物理學獎；1905年愛因斯坦在理論上提出光電效應方程，解釋了光電效應的實驗規律，獲得1921年諾貝爾物理學獎；1916年密立根在實驗上證實了光電理論的正確性，獲得1923年諾貝爾物理學獎。讓學生體會到科學的發展不是一蹴而就的，人們對光電效應的認識經歷了一個漫長的過程，需要很多科學家持之以恒、堅持不懈的努力探索，才有了今天我們對科學的認識，“前人栽樹后人乘涼”。這讓學生體會科學家精益求精的科學精神、不墨守成規的批判性思維以及創造性的科學方法。課前預習可以培養學生的閱讀、理解、分析、綜合等多種能力；培養學生的自主學習能力及良好的學習品質；激發學生的探索求知欲，使其在尋常中發現不尋常。

（二）課中講解

新課導入部分，在上課之前先請學生觀看資料圖片（見圖1）。2023年5月30日，神舟十六號載人飛船與我國空間站對接，也就是在那一天，神舟十六號與神舟十五號航天員順利完成太空會師。這標志著我國載人航天工程邁入了一個嶄新的發展階段，那就是載人航天工程邁入了從建設向應用、從投入向產出轉變的重要一步。縱觀中國載人航天數十年的發展歷程，是一部不斷學習、自主創新、自我超越、勇攀高峰的歷史，是一部矢志踐行航天報國之志的歷史。通過神舟系列載人宇宙飛船堅定學生的科技強國理念，為實現中華民族偉大復興中國夢而團結奮斗。仔細觀察宇宙飛船，會發現其兩邊有一對小翅膀，飛船飛行時小翅膀會打開。提出問題：宇宙飛船兩邊的小翅膀是什么？它有什么作用？兩邊的小翅膀就是太陽能電池板，它是把太陽能轉化為電能的裝置，為航天員在太空中的工作和生活提供能源。太陽能轉化成電能就是光生電的現象，光生電在物理中被稱為光電效應。引出光電效應的定義，要求學生區分內光電效應和外光電效應。本節課主要講解外光電效應：一定頻率的光照射到金屬上，會有電子從其中溢出的現象。其中溢出的電子稱為光電子，形成的電流稱為光電流。課堂主要從背景及意義、實驗設計思想、實驗內容及注意事項等幾個方面進行講解。

在背景和意義方面，再次提問學生與實驗相關的物理學家或物理學史，點撥學生養成良好的科學品格。值得一提的是，在測量普朗克常量的過程中也有我國科學家的貢獻。我國科學家葉企孫和導師用X射線精確測量了普朗克常量，他們改進了X射線分光計，提高X射線的強度，用了較窄的狹縫，極大提高了測量精度。他們測量的普朗克常量為h=（6.556±0.009）×10-34J·s（焦耳·秒），被物理學界沿用了16年之久。讓學生體會我國科學家在普朗克常量測量過程中所做的貢獻，增強學生的民族自豪感和歷史使命感。接著講解光電效應的應用意義。在實踐中，光電效應最重要的應用是制作光電器件，如光電管、光電池、光電倍增管、光敏電阻等，在航天、公安、光譜測量及控制領域都得到了廣泛的應用。光電器件已成為生活、生產和科研中不可缺少的器件，在科學技術中得到了廣泛的應用。讓學生體會到科技的進展與知識的力量。

在實驗設計思想方面，講解如何用光電效應測量普朗克常量［3］。首先，介紹光電效應的四條實驗規律：紅限頻率、瞬時效應、頻率關系和強度關系。提出經典物理在解釋紅限頻率、瞬時效應、頻率關系遇到困難時，量子物理應運而生。每當理論與實踐產生矛盾時，新的理論便會誕生。其次，介紹愛因斯坦光電方程，愛因斯坦根據普朗克提出的量子論受到啟發，提出光量子（光子）的假說。假設光在傳播的過程中，能量不是連續的，而是一份一份的，一份能量就稱為一個光量子，簡稱光子。一個光子把能量hν傳遞給了一個電子，電子獲得能量之后，一部分克服逸出功W，另一部分轉化為電子的動能" " mu2（見圖2）。愛因斯坦光電方程便是能量守恒的方程。讓學生體會近代物理的思想——光的量子性思想。讓學生分組討論如何用愛因斯坦光電方程解釋光電效應的四條實驗規律并進行觀點分享。小組討論可以培養學生的團結協作精神，活躍學生的思維，讓人人都參與到課堂中，人人都體會到獲取知識的喜悅。最后，介紹減速電位法測普朗克常量。一個理論的提出必須經過實驗的驗證，光電方程提出以后，很多科學家都試圖反駁愛因斯坦的觀點。密立根提出一種創新性的方法——減速電位差，成功驗證了愛因斯坦光電方程并測出了普朗克常量（見圖3）。讓學生感受科學家勇于創新、堅持不懈、鍥而不舍的精神。

講完實驗設計思想之后進行提問。用學習通里面的選人功能提問：一個光子的能量是多少？用學習通里面的主題討論功能討論：入射光的光強對截止電壓有無影響？為什么？用學習通里面的分組任務功能進行分組討論：為什么飽和光電流與光強成正比而與頻率無關？讓學生主動思考，真正參與到課堂教學中，提高學生在教學過程中的參與度。

（三）操作指導

一個實驗不僅要理解其中的理論，還要明白如何操作，只有實踐才是檢驗真理的唯一標準，讓學生明白實驗中要做到知行合一。知識只有在實踐中得到應用，才能體現其價值。本實驗所用實驗儀器為ZKY-GD-4智能型光電效應實驗儀。教師為學生演示儀器的操作過程，注意手動測試與自動測試的區別，引導學生思考并講解注意事項：調零時務必把微電流輸入端斷開；更換濾光片時，應先將光源遮蓋住；實驗結束時，應蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋；請勿將電流數據“溢出”當作電流為零。實事求是地記錄實驗數據。在學習中，我們要誠信對待實驗課，如實記錄數據；在考試中，要有誠信精神；以后讀研讀博，走上科研道路，更要踐行科研誠信。在生活中更要如此，誠信是社會主義核心價值觀的一個重要內容。

（四）學生操作

教師講解完之后讓學生自己操作并記錄數據，教師隨堂指導。實踐出真知，科學離不開實踐。實驗是人類認識大自然的基本途徑之一，也是科學教學中基本有效的方法，更是實施素質教育、培養創新意識、提高實踐能力的途徑。它有利于提升學生的探究能力、創新能力、科學思維能力，培養學生嚴謹求實的科研態度和精益求精的科學作風。實驗結束之后要求學生整理實驗儀器。教學是教師和學生雙邊活動的過程，包含教師善教和學生樂學。教師要有目標、有啟發、有新知、有故事，學生要有興趣、有參與、有思考、有收獲。

（五）隨堂測試

教師在學生操作結束之后抽查部分學生，對實驗原理及實驗操作進行隨堂就地測試。隨堂測試形式多種多樣，可以采用師生問答形式、組間問答形式、小組搶答形式、實際操作形式等。教師只有在和學生的多種互動中，以學生為主體進行思維碰撞和交流，才能及時掌握學生的學習情況和自己的教學狀況。可以采取積分制，活躍課堂氣氛。

（六）課后討論

教師在學習通平臺上發布分組討論。例如：實驗中采取哪些措施可以減小測量截止電壓的誤差？如何用此儀器測量在特定單色光入射情況下，光電管的伏安特性曲線？如何設計實驗，驗證“光電管的飽和光電流與入射光強度成正比”？學生分組討論并完成平臺上的思考與討論題。課后采取分組討論的方式，加強組內合作。學生在自主學習、交流拓展的過程中提高交流、溝通、思考及團隊協作能力。

結語

本文探索了大學物理實驗“光電效應測普朗克常量”的課程思政教學設計。在教學目標、教學方法、教學過程等方面進行了一些探索。光電效應證實了光的粒子性，使人們進一步認識到光的波粒二象性的本質，促進了光的量子論的建立并推動了近代物理學的發展。通過普朗克常量的測定，旨在培養學生的近代物理思想及創新的科學思維；通過介紹光電效應在我國航天領域的應用，堅定學生的科技強國理念，增強為實現中華民族偉大復興的中國夢而奮斗的精神。同時，在課堂講解中融入科學精神、社會主義核心價值觀、唯物辯證法、團隊協作精神等，達成課程專業目標與思政目標。“大學物理實驗”是一門實踐性很強的課程，蘊含豐富的思政元素，教師要精心挖掘課程中蘊含的思政元素，并把思政元素有機融入課堂教學中，引導學生在實踐中塑造良好的科學思維和思想品質。

參考文獻

［1］教育部.教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知：教高〔2020〕3號［A/OL］.（2020-06-01）［2023-05-14］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

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Teaching Design of Curriculum Ideology and Politics in College Physics Experimental Courses： Taking “Measurement of Planck Constant by Photoelectric Effect” as an Example

LIU Hui， BIAN Jian， FENG Yuan， XIE Yu

（School of Advanced Manufacturing Engineering， Hefei University， Hefei， Anhui 230601， China）

Abstract： Based on the college physics experiment “Measurement of Planck Constant by Photoelectric Effect”， the teaching design of the curriculum ideology and politics is studied. Some explorations have been made in teaching objectives， teaching methods and teaching processes. The introduction of ideological and political elements in teaching aims to cultivate students’ modern physical thinking， innovative scientific thinking， the spirit of striving for the realization of the Chinese Dream of the great rejuvenation of the Chinese nation. At the same time， the scientific spirit， socialist core values， materialist dialectics， and team spirit are integrated into the classroom explanation， with a view to achieving the teaching goal of value shaping， knowledge teaching and ability training. It aims to improve the comprehensive quality of students in an all-round way and realize the fundamental task of building morality and cultivating talents.

Key words： College Physics Experiment; curriculum ideology and politics; photoelectric effect; planck constant