创新演示实验 构建基于核心素养的深度学习课堂——以“光的粒子性”第1课时教学为例

祁红菊

(江苏省奔牛高级中学,江苏 常州 213131)

深度学习是以理解为基础的意义探究型学习活动,[1]直抵学科的本质和知识的内核,是超越了表层符号的学习．一般认为,深度学习有以下3个特征,一是基于真实情境的任务驱动型学习,二是基于任务驱动的学生深度参与型学习,三是基于合作交流探究的自主建构型学习．因此,深度学习能够有效地激发学生的内驱力、思维力、想象力和迁移力等．

演示实验既是高中物理教材的重要内容之一,也是课堂教学中教师传授知识的一个重要的媒介．演示实验既可以丰富学生的感知,变抽象为直观,还可以引领学生深层思考,突破教学难点．在课堂教学中,教师若能创新演示实验,充分挖掘演示实验的价值,结合层层递进的问题设计,让学生始终处于一个发现者、探索者和揭秘者的位置,可以有效促进学生理性思考,发展科学探究能力,提升科学素养,真正实现深度学习．本文以人教版高中物理选修3-5第17章第2节“光的粒子性”的第1课时为例,探索通过创新演示实验,构建基于核心素养的深度学习课堂的实践策略．

1 教学过程

1.1 以趣味实验创设真实情境,激发学生深度学习的内驱力

实验1:神奇的光电实验.

教师将GD-28光电管(称“神秘元件”)放入开有透光孔的黑盒中,并将该元件和音乐贺卡中的蜂鸣器及干电池连成电路,此时蜂鸣器不发声．[2]

演示1:当用强光手电筒照射光电管,蜂鸣器发出悦耳的音乐．移开手电筒时,蜂鸣器则不发声．

演示2:让强光手电筒逐渐靠近光电管,发现蜂鸣器发出的乐音声音逐渐增强;让强光手电筒逐渐远离光电管,发现蜂鸣器发出的乐音声音逐渐减弱．

提问:如果用红光照射也有这种现象吗?

演示3:在黑盒的透光孔前放置一红色滤光片，使红光照射“神秘元件”,蜂鸣器无反应．

提问:关于刚才的现象,你们有什么问题要提出来吗?

设计意图:此导入实验新奇有趣,创设了一个极具探索气息的学习场,充分激发了学生探究的兴趣和欲望．在教师的启发下,学生踊跃提出了很多有思考价值的问题,例如，该神秘元件是什么?有什么作用?为什么强光照射蜂鸣器就会发声?为什么光源靠近蜂鸣器,音乐声更大?为什么红光照射就没有这样的现象了?在怎样的条件下才能有这样的现象等．以上教学过程为学生创设了神秘而又真实的情境,有效地激发了学习的内驱力,为学生发现并提出与学习主题相关的问题提供了条件,也为教学目标的顺利推行提供了保证．

1.2 以经典实验探寻现象本质,促进学生深度参与的思维力

教师:刚才的现象其实早在1887年就被大名鼎鼎的赫兹发现了,进而引发了许多科学家对其深入研究,从而颠覆了人们之前对光的本性的认识,让我们追寻大师的足迹,重温这个经典实验．

实验2:认识光电效应现象.

用导线将锌板(事先要抛光打磨)与验电器相连,同时让紫外线灯靠近锌板,为使实验现象更加明显,在靠近锌板的另一侧处要放置一只用丝绸摩擦过的玻璃棒,如图1所示．

图1 紫外线照射锌板实验

演示1:关闭开关,让紫外线灯发光照射锌板,发现验电器指针有较大角度的偏转．

提问:如何检验锌板带什么电?

演示2:用丝绸摩擦过的玻璃棒触碰锌板,发现验电器指针的偏角变大．

提问:这个实验现象说明了什么?

演示3:将锌板换成等大的铜板,重复以上实验操作,发现验电器指针没有发生偏转．

提问:你观察到的这个实验现象又说明了什么?

总结:照射到金属表面的光(包括不可见光),能使金属中的电子从金属表面逸出的现象叫做光电效应．发射出来的电子叫做光电子．

提问:在紫外线灯的照射下,锌板中的电子为什么会跑出来?

引导讨论:当光照射时,金属表面的电子吸收了入射光的能量,振动加剧,当能量足够大时,电子就会挣脱金属的束缚从表面逸出,从而发生光电效应．

图2 光电管原理图

教师介绍神奇光电实验的神秘元件——光电管的结构,如图2所示,并提问:现在,你能解释蜂鸣器发声的原因了吗?

得出结论:光照射金属(阴极),阴极发射出的光电子在电路中定向移动形成光电流．

设计意图:在锌板前放置一带正电的玻璃棒后,当光照射锌板时,玻璃棒会吸附逸出的光电子,使锌板电势升到足够高,验电器指针张角就会较大,现象更明显．在讨论锌板带电的原因时,有学生认为也可能是紫外线使空气电离从而导致锌板带电的,教师换用铜板重复上述实验,发现验电器并不张开,就排除了这一可能性．此实验设计简单,容易操作,既形象直观地显示了光电效应现象,又可引发学生对实验现象的思考:锌板为什么会带电?锌板带正电的原因?电子为什么会逸出来?直接的感官刺激会激发学生探秘揭秘的欲望,促使学生积极地从物理学的视角去思考这种现象背后产生的本质原因,培养学生理性思维能力．

1.3 以创新实验理顺逻辑关系,提升学生自主建构的学习力

教师:光电效应现象被发现后,引起了许多科学家浓厚的兴趣,不断对此进行深入的探索和研究,其中德国物理学家菲利普·勒纳德(赫兹的学生)在光电子的研究方面作出了巨大的贡献．

提问:如果你是勒纳德,你会去研究光电子哪些方面的内容?

引导学生得出,要研究影响光电子数量的多少和能量大小的因素等．

提问:光电子不可见,如何将微观现象转变成可见的宏观现象来进行研究呢?

学生:可以研究光电流大小．

提问:金属表面逸出的电子射向很多不同方向,如何让更多的电子汇聚到阳极呢?

学生:可以加电场．

实验3:探究光电效应规律.

自制如图3所示的光电效应实验电路板,其中的电压表和微安表均为数字式电表,黑盒中为光电管,左侧有透光孔．

图3 自制光电效应实验电路板

演示1:开关闭合后透光孔前加上红光滤光片,即用红光照射光电管,微安表示数为0．

提问:红光照射没有电流,你认为是什么原因造成的?

学生猜想:可能是光强不够．

演示2:调节强光手电筒亮度,增加红光光强,微安表示数依然为0．

提问:要想观察到光电效应现象,你有没有更好的建议呢?

学生:改变光的颜色试试．

演示3:在透光孔前分别换用黄光、紫光和绿光滤光片,发现微安表均有示数．减弱光强,微安表依然有示数．

总结规律①:只有当入射光的频率大于某一数值νc时,才有光电子逸出,与光强无关,νc称为截止频率或极限频率．

提问:用黄光照射光电管时能发生光电效应,在不改变光的颜色的条件下,如果想让光电流增大,你有哪些办法?并说说你的理由．

学生:增大光的强度或增大光电管两端的电压．

提问:若要研究影响光电流大小的因素,可以采用什么方法?

学生:控制变量法．

演示4:定性演示光电流大小与光强的关系,发现光越强,电流表示数增大．

演示5:分别用弱黄光和强黄光照射,增大正向电压U,用DIS传感器观察电流随电压的变化规律,如图4所示．

图4 DIS传感器演示光电流交化规律

提问:观察图像,你得到什么信息?

学生:电压越大,光电流也越大,最后光电流趋于一个稳定值．光越强,光电流的稳定值就越大．

总结规律②:存在饱和电流,光强越大,饱和电流越大．

提问:试分析为什么正向电压大到一定程度,光电流就不增大了?入射光越强,光电流的饱和值就越大,说明了什么?

讨论完毕,继续提问:如果阴、阳极之间不加电压,光电流是否为0?如何才能使光电流为0?

引导学生分析得出:电子逸出金属表面有一初速度,即使不加电压也有光电流,教师现场演示现象,并引导学生分析得出要想使电流为0,加反向电压并调大电压即可．

演示6:光电管两端加反向电压并逐渐增大电压值,观察微安表的示数变化情况．

总结规律③:存在遏止电压．

提问:为什么会存在遏止电压?

引导学生分析得出光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用,最大速度的光电子到达阳极的速度刚好为0时对应的反向电压为遏止电压．

提问:为什么要研究遏止电压?

引导学生分析得出,光电子的最大初动能决定了遏止电压的大小,研究遏止电压即可研究光电子的最大初动能．

提问:遏止电压与最大初动能之间有什么关系?

学生:根据动能定理,有-eUC=0-Ekm,即eUC=Ekm.

引导学生领悟此实验的设计方法——即转换思想．

提问:猜测影响遏止电压的可能因素有哪些?

演示7:改变光强,遏止电压不变;光的频率变大,遏止电压变大．

得出结论:遏止电压与光的频率有关,即光电子的最大初动能与光的频率有关,与光强无关．

演示8:分别用强黄光、弱黄光照射光电管,观察从开始照射到微安表有示数之间间隔的时间．

总结规律④:光电效应的发生几乎是瞬时的．精确的实验表明,从光开始照射到有光电子逸出,所需的时间t<10-9s．

设计意图:第一,关于光电效应现象的几个规律教材编写的逻辑主线是这样的:先是介绍饱和电流,再是遏止电压和截止频系,最后介绍瞬时性．在教学实践中,笔者感觉这样编排的逻辑关系并不十分明晰,不同规律间的衔接较为生硬,上下文之间的关系较为松散,多数学生感到认知难度大,模糊不清,难以准确理解和把握光电效应的本质．鉴于以上问题的存在,笔者尝试对教材内容进行了整合和优化设计,使课堂教学流程更加符合学生的认知,知识点的衔接更为流畅,逻辑关系更加明晰．学生通过观察课堂导入实验“神奇的光电实验”,最先关注的应该是为什么红色照射光电管时,蜂鸣器不响?即产生光电效应的条件是什么?进而分析用红光照射光电管时,蜂鸣器不响的原因可能是红光的强度不够,教师验证与光强无关之后,学生才会想到可能是与光的颜色有关．解决了发生光电效应的条件之后,再引导学生研究光电流的大小的决定因素,结合DIS传感器直观地显示了光电流的变化规律,顺理成章地得出了饱和电流,并结合引入实验的现象猜想饱和电流应该与光强有关．接着光电流这个话题教师继续抛出两个问题让学生进行思考,即“如果阴、阳极之间不加电压,光电流是否为0?如何才能使光电流为零?”使学生知晓了遏止电压的存在,知道通过研究遏止电压的大小可以间接地了解光电子的能量,并体会实验背后的科学思想方法．第二,本实验对教材上的实验作了改进,将传统的指针式电表改成了数字式电表,实验现象更直观,在描绘I-U图像时又结合了DIS数字传感器,图像对比明显,使学生很易发现规律．实践表明,直观的现象结合有效的设问更能有助于学生自主构建概念,引发学生对物理现象的关注和思考,使学生学会象科学家一样思考和解决问题,提升科学素养和高阶思维能力．

2 教学反思

2.1 创新演示实验,从现象到本质的思考

本节课的导入实验设计精巧,创设出新颖且真实的情境,增加了科学的神秘感,现象的感官刺激激发了学生探求真理的渴望．同时,实验的设计也利于学生观察现象发现问题,让学生自主提炼出需要探究的内容,顺利进入新的教学环节．在设计课堂演示实验时,教师要通过创新,尝试着将不可见的实验现象转化为可见的实验现象、把微弱的实验现象放大为明显的实验现象、把定性的实验研究转换为定量的实验研究,以达到最佳实验效果．本节课中使用了数字式电表与DIS传感器,并借助于希沃系统的同屏功能,扩大了学生观察视野,清晰、直观的实验现象和图像提升了视觉的指向性,利于学生从感性认识上升到理性思考．

2.2 问题促进思考,从已知向未知的探索

本节课以具有层次性和递进性的问题链为抓手,充分利用演示实验创设了一个科学探究的情境．即先通过现象的观察发现问题,然后在教师的点拔和引导下,学生利用已有的知识,大胆猜想、假设或逻辑推理,最后通过实验验证并总结规律，有效促进了学生物理观念的形成与发展以及对物理学科思想方法的理解,如微观量转化为宏观量测量、定性研究与定量研究的结合等等,较好地体现了深度学习的需要及物理核心素养的要求．

2.3 遵循认知规律,从教材到教学的整合

物理概念或规律的构建既可以基于知识的内在逻辑来达成,也可遵循学生认知的发展规律来实现,但后者更贴近学生的学习需要,具有更现实的意义．本节课在进行教学时,没有完全按照教材的编排顺序,而是顺应学生思路重新进行了整合．整个过程从直观到抽象,从感性到理性,清晰流畅,串联了各个教学板块的内容,更符合学生的认知,对促进学生理解规律、梳理内在联系,建立知识间的逻辑关联及保持长时间的记忆起了很大的作用．

高品质、有内涵的课堂教学应努力创设新颖神秘、真实有趣的学习情境,让学生积极参与并乐在其中,以真正凸显学生的主体地位,发挥主体作用．在实验探究的过程中,学生获得的不仅仅是新的知识,更重要的是可以逐步形成正确的物理观念、科学的思维方式和积极的科学态度．在课堂教学实践中,通过创新演示实验,整合教材内容,精心预设问题,从表层到内涵,从现象到本质,引导学生自主建构知识,就可以有效地提升课堂教学品质,构建基于核心素养的深层学习课堂．