基于建構主義理論的“光電效應”實驗情境創設研究

摘" "要：文章基于建構主義認知心理學的原理，設計了一系列以學生熟悉的實驗器材為基礎的實驗情境，深入展示了光電效應實驗的四大關鍵規律。這些設計為學生構建光電效應的結構化知識提供了有效的學習支架。此外，文章還引入了DIS數字信息系統實驗裝置，結合Phyphox軟件和藍牙電壓電流傳感器，實現了實驗數據的可視化呈現。這種方法為信息技術與物理實驗的深度融合提供了新的路徑，并顯著提升了實驗效率。

關鍵詞：建構主義認知心理學；實驗情境；光電效應

在世紀之交啟動的我國新一輪基礎教育課程改革已歷經二十余年，其理論基礎為建構主義認知心理學。建構主義認知心理學的研究表明，學生的知識并非由教師直接傳授，而是通過學生主動建構得來。具體而言，學生通過調動已有的知識與經驗，在特定的學習情境中，通過同化或順應的方式建構新的知識體系。在學習過程中，學生在具體的學習情境中運用感官接收外部信息，經過大腦加工后與原有的知識與經驗相互作用。如果原有的認知結構能夠解釋新接收的信息，這些信息便被納入原有的認知結構中，這一過程稱為同化，同化使原有認知結構的數量得以擴展。若原有的認知結構無法解釋新接收的信息，則通過重新組織和調整認知結構以適應新信息，從而達到認知平衡，這一過程稱為順應，順應引發了原有認知結構性質的變化。學習本質上是在不斷經歷認知“平衡—不平衡—新的平衡”這一過程中，通過同化與順應建構出新的結構化知識體系的過程。

同化與順應的過程都離不開從情境中獲取信息，正所謂“無情境，不學習”，即脫離情境的學習活動是難以發生的。因此，在教學設計中，應努力創設立體的學習情境，使學生能夠全方位、多感官、多層次地接收信息，而非僅通過單一方向、單一感官、單一層次的方式獲取信息。盲人摸象的寓言便是一個典型的反面例子：摸到象耳的認為大象是一把扇子，摸到象腿的則認為大象是一根柱子，摸到象牙的覺得大象是一根棍子，而摸到象身體的認為大象是一堵墻，摸到象尾的則認為大象是一根繩子。這種片面接收信息的方式導致了對整體的錯誤認知。這一寓言啟示我們，在日常的物理教學中，必須創設全面真實的學習情境。只有在這樣真實且全面的情境中，學生才能有效地接收信息、建構知識、培養能力、養成習慣、提升素養。全面真實的情境是學生自主學習和探究學習的前提條件，唯有在這樣的情境中，學生才能基于情境提出問題，利用已有的知識和經驗，以及在同伴的幫助下，進行問題分析，并通過分析、綜合、概括、抽象、判斷和推理的過程進一步解決問題。

基于物理學科的特點，運用實驗方法創設學習情境是常用且基本的方法。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》進一步提高了對實驗教學的質量和數量的要求，基于此標準編寫的司南版新教材特別加強了物理實驗教學的編排。如何在課堂教學中落實新課標與新教材的實驗教學要求，并切實發揮實驗在高中物理學習情境創設中的作用，是廣大高中物理教師需要積極探索的重要課題。教師應當發揮主動性，深入研究如何創設有效的實驗情境，以幫助學生構建有機的物理知識體系，并提供更多有利于學習的實驗情境。下面將以魯科版選擇性必修三第6章第1節“光電效應及其解釋”為例，探討在新課程背景下物理實驗情境創設的策略。

1" 學情分析

首先，學生通過學習光的干涉、衍射、偏振等現象，結合生活經驗，已經形成了“光是一種波”的觀念，并認為光的能量取決于光的強度。然而，學生對光的量子論知之甚少，也缺乏接觸支持光量子論的實驗現象的機會。在這樣的知識基礎和經驗背景下，學生接受光的量子化觀念面臨著較大的困難和障礙。因此，本節課中呈現光電效應實驗情境尤為重要，它是學生建立光具有量子性這一概念的重要實驗依據。

然而，教材中配備的J25109型集成光電效應演示器多用半導體光敏二極管替代真空光電管，由于二者的工作原理本質不同，這一實驗裝置難以有效演示極限頻率實驗和反向遏止電壓實驗，從而為實驗情境的創設帶來了困難和挑戰。此外，教材中直接呈現了通過滑動變阻器分壓式接法控制光電管兩端電壓的實驗電路，這種“一步到位”的呈現方式偏離了學生的認知規律，缺乏設計過程和認知臺階，加大了學生理解的難度。

為尊重學生的學習主體地位，遵循循序漸進的認知規律，并讓學生充分參與實驗過程，教師從學情出發，引導學生以低起點、小臺階、逐步深入的方式，利用學生熟悉的實驗器材，自主設計了一系列實驗。除了真空光電管，實驗中所用的其他器材均為學生熟悉的日常元件，這不僅大大減少了實驗的神秘感，還增強了實驗的親和力和趣味性，從而提高了實驗結果的可理解性和可信度。通過這一有認知梯度的系列實驗情境，為學生學習光電效應的結構化知識提供了有效的支撐。

2" 核心素養目標設計（表1）

3" 教學過程設計

首先，通過直觀的演示實驗讓學生感知光電效應的概念，然后通過層層設問和逐步深入的方式完成四個實驗任務，以探究光電效應的規律，從而引導學生構建光電效應的結構化知識。教學過程的設計如圖1所示，其思路是通過實驗探究和激活學生的原有知識與生活經驗相結合。教學中既運用原有知識理論指導實驗，又通過實驗現象和結果反向檢驗理論，從而為學生建構光電效應結構化知識的同化與順應過程提供真實實驗情境的認知支架。

4" 教學過程

4.1" 演示紫外線使鋅板失去電子實驗引出光電效應概念

如圖2所示，首先將用毛皮摩擦過的橡膠棒與連接到驗電器的鋅板接觸，使鋅板帶上負電荷，從而使驗電器的箔片張開。接著，用紫外線照射鋅板，驗電器的箔片會逐漸閉合，如圖3所示。引導學生推理得出紫外線照射導致鋅板失去電子的結論，從而引入光電效應的概念：在光的照射下，電子從金屬逸出的現象稱為光電效應。

學生在觀察到鋅板失去電子的實驗現象后，為了達到認知平衡，會調用原有知識結構中的光的電磁波理論和金屬物質結構的相關知識來解釋這一現象。由此，學生可能形成對光電效應的初步解釋：紫外光為電子提供了足夠的能量使其逸出，而光的能量取決于光的強度，因此要發生光電效應，光的強度必須足夠大。

4.2" 基于初步解釋深入探究

4.2.1介紹實驗裝置與器材，真空光電管的構造

如圖4所示，瓦形金屬片和金屬框分別作為真空光電管的陰極和陽極。當陰極溢出的光電子到達陽極時，會形成光電流。通過將電流表串聯在電路中，可以顯示光電流的大小。通過觀察電流表的示數是否存在，可以判斷陰極是否有光電子逸出，從而確定是否發生了光電效應現象。

改變光的顏色與強度。如圖5所示，將可調檔手電筒、濾光片和真空光電管安裝在光具座上。這樣，通過更換濾光片，可以獲得不同顏色的單色光。同時，通過調節手電筒的光強檔位或改變手電筒與真空光電管的距離，可以調節光的強度。

4.2.2" 探究產生光電效應的條件

提出問題：如圖6所示，在沒有光照的情況下，給光電管施加正向電壓時，電路中是否會產生電流？部分學生基于原有知識結構中關于歐姆定律的電流與電壓成正比的強勢知識，可能會判斷電路中應有電流產生。然而，實驗演示顯示，在沒有光照的情況下，電路中實際上沒有電流流動。這時，需引導學生反思真空光電管的結構特點，即陽極與陰極之間是真空的。通過這一實驗，進一步鞏固對真空光電管中陰極與陽極之間不導通的事實的理解，如圖7所示。

提出問題引導學生思考：為了使真空光電管產生光電效應現象，應該選擇強度大的光還是頻率大的光來照射光電管？基于光的波動理論和生活經驗，學生可能會認為選擇強度大的光能夠為陰極電子提供足夠的能量，從而產生光電效應。接著，通過實驗探究，分別使用藍光、綠光和紅光照射光電管。實驗結果表明，使用藍光（如圖8）和綠光（如圖9）照射光電管時會產生光電流，而使用紅光（如圖10）時則沒有光電流產生。進一步將紅光的強度調至最大，仍然沒有光電流產生。由此，學生可以歸納和推理出光電子的逸出與光的頻率大小有關，而與光的強度無關，從而得出光電效應存在極限頻率的規律。

學生觀察到存在極限頻率的實驗現象后，為了達到認知平衡，會調用原有知識結構中的光的波動理論來解釋實驗現象。光電效應中存在極限頻率的規律表明，光的能量決定于光的頻率而與光的強度無關，而光的波動理論則認為光的能量取決于光的強度，與頻率無關。光的頻率越大能量越大的結論與學生原有的光的波動理論和生活經驗不符。在這種原有知識與新實驗事實矛盾的背景下，提出愛因斯坦的光量子理論，可以幫助學生體會當理論無法解釋實驗現象時，必須調整理論的順應過程。這種過程使學生感受到物理學知識是隨著實驗事實的發展而不斷調整和發展的科學本質。

4.2.3探究光電效應現象中光電流大小規律

引導學生設計實驗，通過滑動變阻器分壓式接法控制光電管的正向電壓，電路如圖11所示。保持藍光的顏色和強度不變，首先通過增大正向電壓觀察光電流的變化，得出隨著正向電壓的增大，光電流會先增大然后趨于穩定，從而確認存在飽和電流的規律。接著，保持藍光顏色不變，通過調整手電筒的光強檔位或改變手電筒與光電管的距離來改變光的強度，探究飽和電流與光強的關系。實驗結果表明，光的強度越大，飽和光電流也越大。例如，在強藍光下，飽和電流為40微安（如圖12）；在弱藍光下，飽和電流為20微安（如圖13）。

引導學生思考光的強度越大飽和光電流越大的規律是否與光的波動理論相符？是否與愛因斯坦的光量子理論相符？在探討過程中，學生可以發現：

光的波動理論：根據光的波動理論，光的強度與光波的能量密度相關，因此強度大的光應具有更多的能量，這在一定程度上可以解釋飽和光電流隨光強度增加而增大的現象。然而，波動理論并未明確解釋光電效應中的飽和電流現象。

愛因斯坦的光量子理論：根據光量子理論，光的能量是由光子的頻率決定的，光的強度與光子數目有關。光的強度越大，入射到光電管上的光子數目越多，因此光電流（包括飽和電流）會增加。這與實驗現象是一致的，因為光量子理論能夠準確解釋飽和電流與光強度之間的關系。

通過讓學生體會光的波動理論和愛因斯坦的光量子理論都能夠解釋實驗現象的過程，學生可以理解這兩種理論如何通過不同的視角解釋相同的實驗數據。在這種情況下，學生將經歷知識的同化過程，即將實驗現象納入已有理論中，同時也可能進行理論的順應過程，以適應新發現的現象。

4.2.4探究光電效應現象中遏止電壓的規律

引導學生探究當施加反向電壓時光電流如何隨反向電壓變化。電路如圖14所示。保持藍光的顏色和強度不變，實驗探究了反向電壓增大時光電流的變化規律。結果表明，隨著反向電壓的增大，光電流逐漸減小，最終趨于零。此時的反向電壓稱為遏止電壓，表明光電效應存在遏止電壓的規律。進一步，通過調整手電筒與光電管的距離以改變光的強度，研究遏止電壓與光強的關系。實驗結果表明，遏止電壓與光的強度無關，而與光的頻率有關。隨后，使用黃光再次研究遏止電壓與光的頻率的關系。實驗結果顯示，藍光下的反向遏止電壓為1 V（如圖15），黃光下的反向遏止電壓為0.6 V（如圖16）。這表明遏止電壓與光的強度無關，而僅與光的頻率有關，引出了光電子的最大初動能的概念。

引導學生思考光的頻率越大光電子的最大初動能越大與光的波動理論相符嗎？與愛因斯坦的光量子理論相符嗎？引出愛因斯坦的光電效應方程，讓學生同時體會光的波動理論不能解釋實驗現象的順應過程和愛因斯坦的光量子理論能夠解釋實驗現象時的同化過程。

4.2.5探究光電效應的瞬時性

使用不透光的黑紙遮擋光線，觀察光電流的變化，發現光電流的變化幾乎與遮擋動作同時出現，從而表明光電效應具有瞬時性。引導學生思考：用光的波動理論和愛因斯坦的光量子理論能夠解釋光電效應的瞬時性嗎？讓學生同時體會光的波動理論不能解釋實驗現象的順應過程和愛因斯坦的光量子理論能夠解釋實驗現象的同化過程。

5" 實驗教學反思與拓展

本實驗還可以借助電壓傳感器、微電流傳感器、數據采集器和筆記本電腦等DIS數字信息系統實驗裝置，將實驗數據直觀地可視化呈現，從而提高實驗探究的效率。如圖17所示，隨著正向電壓的增大，光電流變化的規律并未呈現預期的光電流先增大后完全穩定的模式。實驗數據顯示如圖18所示，這并非實驗設計問題或實驗誤差，而是實驗結果的真實表現。

通過建立光電子在光電管陰極與陽極之間的真空區域的拋體運動模型進行精確的理論計算，可以得出電子在陽極的分布函數，并進一步計算光電流的解析表達式。將理論計算結果與圖17的實驗數據進行擬合，結果表明理論計算與實驗數據非常吻合。如圖19所示，展示了應用藍光和黃光入射時，隨著正向電壓的增大，光電流的變化實驗結果；圖20展示了應用藍光和黃光入射時，隨著反向電壓的增大，光電流的變化實驗結果。

應用DIS數字信息系統實驗裝置可以高效地呈現真空光電管的正向和反向伏安特性曲線，使學生能夠直觀地感受到電壓與電流的動態關系，從而高效地把握光電效應的規律，幫助學生構建結構化的知識體系。

本實驗還可以利用 Phyphox 軟件結合藍牙電壓電流傳感器，實現實驗數據的可視化直觀呈現。如圖21所示，通過在 Phyphox 官網設計實驗模板后，可以在手機上新增實驗并進行實時顯示。這種方法通過無線連接手機的 Phyphox 軟件與藍牙電壓電流傳感器，手機的 Phyphox 軟件便替代了傳統的 DIS 實驗數據采集器和電腦，從而使實驗操作更加高效和便捷。

6" 結束語

本實驗設計運用學生熟悉的器材自主設計實驗電路，遵循學生的認知規律，創設了序列化的真實實驗情境，從而為學生以漸進的方式建構結構化知識提供了認知支架。同時，通過使用 DIS 數字信息系統實驗裝置和 Phyphox 軟件結合藍牙電壓電流傳感器，實現了實驗數據的可視化直觀呈現，為學生高效地動態建構知識提供了進一步的支持。這種深度融合信息技術與物理實驗的方式，為創設真實的實驗情境提供了有效途徑，有助于落實物理學科核心素養。