在高中物理教学中培养学生的科学探究能力

李小英

【摘要】  “科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验和制订方案、获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。科学探究也是物理核心素养之一。本文以高中物理“光电效应”教学培养科学探究能力为例，从教学设计、教材处理、课堂教学等方面进行分析，在教学实例中渗透科学探究能力的培养。

【关键词】  高中物理 “光电效应” 科学探究

【中图分类号】  G633.7                         【文献标识码】  A 【文章编号】  1992-7711（2019）12-070-02

日前，中国华为遭遇了来自美国的遏制打压，华为及华为总裁多次成为国人关注的焦点。之所以出现这种局面，是因为华为5G技术领跑全球，华为对于核心科技方面的研究和成就，正是创新探究能力的突破，这也是引起了美国恐慌的原因。

民族振兴离不开科技的发展，具有科学探究能力的人才是科技发展的需要，尤其是在核心技术领域更加需要具备科学探究能力。在日益激烈的国际竞争中，创新是引领发展的第一动力。科技创新能力在一定程度上决定着我国在国际上的话语权。而科技创新能力又来源于个体对科学主动自发的探究精神。基于此，近几年的全国卷高考物理命题变化趋势和改革方向来看，试卷中考查学生探究能力的试题累见不鲜。

所以，培养学生的科学探究能力成为高中物理教学的重要目标。

一、科学探究能力的培养是中学物理教育的核心素养之一

2018年1月，在教育部颁布的我国普通高中新课程方案和课程标准中，首次提出了“学科核心素养”的概念，这是此次普通高中课程标准修订工作中的一个创新点，对于学校课程改革具有指导意义，义务教育阶段新一轮的课程改革正以核心素养为核心框架全面推行。物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和更关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成。物理核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度和责任”四方面。

二、粤教版《光电效应》教学中培养科学探究能力例析

1.课前导入的合理设计有利于科学探究能力的培养

在新课学习前，通常要复习已学知识提出新课学习目标的引入过程，这个过程作用设计得好可以起到承上启下，统领一节课教学的作用。粤教版的光电效应教学放在第二章波粒二象性的第一节内容，而在此之前学生们对于《选修3-4》学到的波动性有一定的认识。在开始进行第一节教学之前应该要进行知识回顾波动性的特点，要通过物理学史关于“光的本性”的研究的分享培养学生利用现代化手段获取知识的能力，同时也明确为什么要学习“光电效应”，在物理学史的查询和学习中，同学们也能够体会到“科学探究”精神的重要性，就如波动理论和粒子理论在歷史上的博弈一样，不断研究不断更新不断修正。

2.在引入光电效应概念巧设情景，培养学生科学探究的习惯

光电效应规律是本节教学的重点也是难点，通过实验观察得出光电效应规律是非常重要和有效的手段。

结合教材中的电路图，让学生观察实验装置，从而认识光电管。这个过程中教师不应直接介绍器材，而是采用提问式，让学生先观察后回答。在此基础上教师再进一步说明光电管的工作原理。这样有助于调动学生的积极思维。

演示实验分两个阶段，第一阶段老师按照设定程序演示，但不提醒学生要观察什么，不告诉学生具体怎么操作的，然后问学生观察到什么规律。可想而知，学生很难回答出来，这时候让学生回答为什么无法总结规律出来，通过这种方式引导学生观察和记录，引导学生学会对未知的探究方法，这也是一种挫折教育，挫折是在科学探究路上必然会遇到的，学会在挫折中成长是非常必要的。待学生重新理清思路后，就可以让学生来口述该怎么操作，而教师在学生的“指导”下进行操作，或者直接由学生自己上讲台操作，这样，把学生的学习主体地位突出了。同时，学生通过主动思考探究、动手操作，提升了探究能力。

具体教学过程如下;

实验1：把电源接通，检流装置接上，观察电流计指针，分析原因。

（电路还处于断开状态.锌板和铜网之间是空气，不能导电，所以电流计指针不偏转。）

实验2：用紫外线照射锌板，观察用紫外线照射锌板时，看到了什么现象？为什么会出现这种现象？

（看到电流计指针发生了偏转，说明电路中出现了电流.）

追问：分析电流可能是哪种原因产生的？

（可能是紫外线使空气电离，也可能是紫外线使锌板飞出了电子。）

教师用铜板代替锌板，则指针不会发生偏转，这样，排除排除了空气被电离的可能性.

通过实验现象总结：锌板在紫外线的照射下，飞出了电子，这种物体在光照下有电子飞出的现象叫光电效应;在光照下从物体中飞出的电子叫光电子，电路中的电流叫光电流。此时引入光电效应的概念。

3.在研究光电规律的过程，通过巧妙设计问题，提升科学探究能力

有了光电效应概念之后就是研究光电效应规律，研究前学生进行猜想，可能与哪些方面有关并设计实验操作的具体方案。

实验3：光源改变是否影响光电效应现象？

方案：用应急灯的可见光照射锌板，观察电流计指针不偏转;而后用x射线照射锌板，观察电流计指针发生偏转。

结论：可见光频率较低，不能发生光电效应，x射线频率较高，可以发生光电效应。

教师总结：可见光，紫外线，x射线都是电磁波，只是频率高低不同。用不同频率的各种电磁波照射同一种金属板，发现，当频率低到一定程度后，不论怎样增大入射光强度，怎样延长照射时间，都无法发生光电效应，这一频率界限就叫极限频率。

增加对比实验：让学生观察在能发生光电效应的情况下，从光照开始到光电效应发生，需要的时间长短，观察发现光照和指针偏转几乎是同时的。

结论：光电效应发生非常快，科学家用仪器测出了光电效应的发生时间，在10-9s以下。在这段时间中，光只能通过约20-30cm的距离，可以说光电效应的发生几乎是瞬时的。

实验4：发生光电效应时，若将高压电源去掉，电流计中仍能发现有电流通过，这说明什么呢？

结论：飞出的电子不需要加速电压，能从锌板飞向铜网，这也说明飞出的电子具有一定的初速度，具有一定的初动能。

追问：光电子的这一初动能是从哪里来的呢？

从入射光中获得，用不同的光——不同频率，不同光强——照射同一金属。发现：光电子的最大初动能与入射光强度无关，只与入射光频率有关，并且随入射光频率的增大而增大。

实验5：入射光强可以对什么发生影响呢？

操作：把紫外线管靠近锌板，改变紫外线管与锌板的距离，观察电流计指针偏转幅度相应地发生变化。

追问3：这个现象说明什么？

说明入射光强度增大时，光电流强度也增大。

通过对实验现象的观察、分析、追问思考等，得出了光电效应的规律。

4.通过“波动理论在解释光电效应时的矛盾”的教学，强化学生科学探究过程不断钻研的精神

为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？从光电效应的发生过程来看，电子吸收入射光能量后才能挣脱原子核的束缚，所以我们应从能量的角度来分析光效应.光的波动理论是这样描述光的能量的：（1）能量是连续的;（2）振幅（光强）越大，光能越大，光的能量与频率无关.大家想一想，波动理论为什么无法解释光电效应的规律？

（1）我们先来分析第一条规律：存在极限频率。

按波动理论，不论什么频率的光，只要光强足够大，就应该发生光电效应，不应存在极限频率。

（2）波动理论能解释光电子的最大初动能与入射光强无关吗？

按波动理论，入射光强越大，光能越大，飞出的光电子初动能就应越大，事实是光电子的最大初动能仅与入射光频率有关。

（3）光电效应几乎是瞬时发生的，也就是说，不论入射光强多么弱，只要，就立即能发生光电效应。光太弱时，按波动理论，要达到使光电子飞出的能量，要有一个能量积累过程。事实上光电效应几乎瞬时发生说明一旦发生光电效应，几乎不需要能量的积累过程。（板书：3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生）

（4）波动理论能够解释第四条规律——随着光强的增大，光电流也在增大。

通过上面的分析，光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子学说。

三、粤教版《光电效应》教学中过程的反思

教学中科学探究能力的培养非常重要，然而实际教学中存在几个问题：

（1）教学设备的局限直接影响了教学效果。本节内容由于教学设备有限，大部分学校只有一套演示实验器材，这样学生无法人人动手参与操作，只能在老师的引导下观察，这大大约束了学生思考，束缚了学生发展。如果实验设备充足，学生可以多角度全方位的进行实验探究，探究过程观察到不同实验现象，然后进一步分析思考，通过教材学习对比经典物理局限性。

（2）符合认知顺序的编写才能更有效促进学生能力的提升。选修3-5教材编写顺序是光电效应——能量量子化——原子结构——能级结构，这样的内容编排顺序导致学生学习光电效应时，学生对量子物理与经典物理之间关系缺少基础认识，对于能量量子化毫无认识，光电效应一节，新概念多且抽象、概念之间的关系紧密又复杂，又要引导同学们以新旧两种观念分析同一问题，在比较中体验新观念的意义，理解物理理论的发展规律、领会自然科学的发展观。光电效应现象本质是电子获得足够的能量成为自由电子，其实就是能级跃迁中的电离。而现在这种教材编排，在客观上就加大了本节课的授课难度。

（3）培养学生的科学探究能力还有赖于教师有较强的综合素质。

科学探究能力是一种更为“高级”的能力。要想培养学生的探究能力，老师自身必须要有扎实过硬的综合素质。针对部分高中物理教师综合素质偏低现状，应该从其提升综合素质及专业能力入手，将理论培训、实践锻炼进行有效结合，具体如下：第一、对高中物理教师进行理论培训及知识巩固，强化其自身的知识储备及应用能力，保证满足实际课堂教学需求。第二、不断加强实践教学及理论知识融合，对教师实际课堂教学技巧及方法进行现场传授及指导，通过邀请著名教学专家，将人才培养方式及科学探索能力提高作为具体培训内容。第三、树立教师科学意识及理念形成，将传统的滞后性教学理念进行摒弃，树立科学意识，将科学发现、科学分析、科学引导作为实际课堂教学重要核心，为培养学生科学探索能力的奠定坚实基础。

科学探究能力是科学素养的核心部分，科学探究能力的培养是每个学科、每位老师都要思考和践行的。中学物理在培养科学探究能力方面有着独特的优势，教师在课堂中精心设计问题、引导思考、调动学生积极参与等方式，想方设法挖掘教材的内涵和外延，在课堂教学中可以有效地培养中学生的科学探究能力。

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