在高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

李小英

【摘要】 ?“科學(xué)探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗和制訂方案、獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力。科學(xué)探究也是物理核心素養(yǎng)之一。本文以高中物理“光電效應(yīng)”教學(xué)培養(yǎng)科學(xué)探究能力為例，從教學(xué)設(shè)計、教材處理、課堂教學(xué)等方面進行分析，在教學(xué)實例中滲透科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 ?高中物理 “光電效應(yīng)” 科學(xué)探究

【中圖分類號】 ?G633.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)識碼】 ?A 【文章編號】 ?1992-7711（2019）12-070-02

日前，中國華為遭遇了來自美國的遏制打壓，華為及華為總裁多次成為國人關(guān)注的焦點。之所以出現(xiàn)這種局面，是因為華為5G技術(shù)領(lǐng)跑全球，華為對于核心科技方面的研究和成就，正是創(chuàng)新探究能力的突破，這也是引起了美國恐慌的原因。

民族振興離不開科技的發(fā)展，具有科學(xué)探究能力的人才是科技發(fā)展的需要，尤其是在核心技術(shù)領(lǐng)域更加需要具備科學(xué)探究能力。在日益激烈的國際競爭中，創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力。科技創(chuàng)新能力在一定程度上決定著我國在國際上的話語權(quán)。而科技創(chuàng)新能力又來源于個體對科學(xué)主動自發(fā)的探究精神。基于此，近幾年的全國卷高考物理命題變化趨勢和改革方向來看，試卷中考查學(xué)生探究能力的試題累見不鮮。

所以，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力成為高中物理教學(xué)的重要目標(biāo)。

一、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是中學(xué)物理教育的核心素養(yǎng)之一

2018年1月，在教育部頒布的我國普通高中新課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)中，首次提出了“學(xué)科核心素養(yǎng)”的概念，這是此次普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂工作中的一個創(chuàng)新點，對于學(xué)校課程改革具有指導(dǎo)意義，義務(wù)教育階段新一輪的課程改革正以核心素養(yǎng)為核心框架全面推行。物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和更關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成。物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”四方面。

二、粵教版《光電效應(yīng)》教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)探究能力例析

1.課前導(dǎo)入的合理設(shè)計有利于科學(xué)探究能力的培養(yǎng)

在新課學(xué)習(xí)前，通常要復(fù)習(xí)已學(xué)知識提出新課學(xué)習(xí)目標(biāo)的引入過程，這個過程作用設(shè)計得好可以起到承上啟下，統(tǒng)領(lǐng)一節(jié)課教學(xué)的作用。粵教版的光電效應(yīng)教學(xué)放在第二章波粒二象性的第一節(jié)內(nèi)容，而在此之前學(xué)生們對于《選修3-4》學(xué)到的波動性有一定的認(rèn)識。在開始進行第一節(jié)教學(xué)之前應(yīng)該要進行知識回顧波動性的特點，要通過物理學(xué)史關(guān)于“光的本性”的研究的分享培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代化手段獲取知識的能力，同時也明確為什么要學(xué)習(xí)“光電效應(yīng)”，在物理學(xué)史的查詢和學(xué)習(xí)中，同學(xué)們也能夠體會到“科學(xué)探究”精神的重要性，就如波動理論和粒子理論在歷史上的博弈一樣，不斷研究不斷更新不斷修正。

2.在引入光電效應(yīng)概念巧設(shè)情景，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的習(xí)慣

光電效應(yīng)規(guī)律是本節(jié)教學(xué)的重點也是難點，通過實驗觀察得出光電效應(yīng)規(guī)律是非常重要和有效的手段。

結(jié)合教材中的電路圖，讓學(xué)生觀察實驗裝置，從而認(rèn)識光電管。這個過程中教師不應(yīng)直接介紹器材，而是采用提問式，讓學(xué)生先觀察后回答。在此基礎(chǔ)上教師再進一步說明光電管的工作原理。這樣有助于調(diào)動學(xué)生的積極思維。

演示實驗分兩個階段，第一階段老師按照設(shè)定程序演示，但不提醒學(xué)生要觀察什么，不告訴學(xué)生具體怎么操作的，然后問學(xué)生觀察到什么規(guī)律。可想而知，學(xué)生很難回答出來，這時候讓學(xué)生回答為什么無法總結(jié)規(guī)律出來，通過這種方式引導(dǎo)學(xué)生觀察和記錄，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會對未知的探究方法，這也是一種挫折教育，挫折是在科學(xué)探究路上必然會遇到的，學(xué)會在挫折中成長是非常必要的。待學(xué)生重新理清思路后，就可以讓學(xué)生來口述該怎么操作，而教師在學(xué)生的“指導(dǎo)”下進行操作，或者直接由學(xué)生自己上講臺操作，這樣，把學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位突出了。同時，學(xué)生通過主動思考探究、動手操作，提升了探究能力。

具體教學(xué)過程如下;

實驗1：把電源接通，檢流裝置接上，觀察電流計指針，分析原因。

（電路還處于斷開狀態(tài).鋅板和銅網(wǎng)之間是空氣，不能導(dǎo)電，所以電流計指針不偏轉(zhuǎn)。）

實驗2：用紫外線照射鋅板，觀察用紫外線照射鋅板時，看到了什么現(xiàn)象？為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？

（看到電流計指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明電路中出現(xiàn)了電流.）

追問：分析電流可能是哪種原因產(chǎn)生的？

（可能是紫外線使空氣電離，也可能是紫外線使鋅板飛出了電子。）

教師用銅板代替鋅板，則指針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣，排除排除了空氣被電離的可能性.

通過實驗現(xiàn)象總結(jié)：鋅板在紫外線的照射下，飛出了電子，這種物體在光照下有電子飛出的現(xiàn)象叫光電效應(yīng);在光照下從物體中飛出的電子叫光電子，電路中的電流叫光電流。此時引入光電效應(yīng)的概念。

3.在研究光電規(guī)律的過程，通過巧妙設(shè)計問題，提升科學(xué)探究能力

有了光電效應(yīng)概念之后就是研究光電效應(yīng)規(guī)律，研究前學(xué)生進行猜想，可能與哪些方面有關(guān)并設(shè)計實驗操作的具體方案。

實驗3：光源改變是否影響光電效應(yīng)現(xiàn)象？

方案：用應(yīng)急燈的可見光照射鋅板，觀察電流計指針不偏轉(zhuǎn);而后用x射線照射鋅板，觀察電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

結(jié)論：可見光頻率較低，不能發(fā)生光電效應(yīng)，x射線頻率較高，可以發(fā)生光電效應(yīng)。

教師總結(jié)：可見光，紫外線，x射線都是電磁波，只是頻率高低不同。用不同頻率的各種電磁波照射同一種金屬板，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率低到一定程度后，不論怎樣增大入射光強度，怎樣延長照射時間，都無法發(fā)生光電效應(yīng)，這一頻率界限就叫極限頻率。

增加對比實驗：讓學(xué)生觀察在能發(fā)生光電效應(yīng)的情況下，從光照開始到光電效應(yīng)發(fā)生，需要的時間長短，觀察發(fā)現(xiàn)光照和指針偏轉(zhuǎn)幾乎是同時的。

結(jié)論：光電效應(yīng)發(fā)生非常快，科學(xué)家用儀器測出了光電效應(yīng)的發(fā)生時間，在10-9s以下。在這段時間中，光只能通過約20-30cm的距離，可以說光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的。

實驗4：發(fā)生光電效應(yīng)時，若將高壓電源去掉，電流計中仍能發(fā)現(xiàn)有電流通過，這說明什么呢？

結(jié)論：飛出的電子不需要加速電壓，能從鋅板飛向銅網(wǎng)，這也說明飛出的電子具有一定的初速度，具有一定的初動能。

追問：光電子的這一初動能是從哪里來的呢？

從入射光中獲得，用不同的光——不同頻率，不同光強——照射同一金屬。發(fā)現(xiàn)：光電子的最大初動能與入射光強度無關(guān)，只與入射光頻率有關(guān)，并且隨入射光頻率的增大而增大。

實驗5：入射光強可以對什么發(fā)生影響呢？

操作：把紫外線管靠近鋅板，改變紫外線管與鋅板的距離，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)幅度相應(yīng)地發(fā)生變化。

追問3：這個現(xiàn)象說明什么？

說明入射光強度增大時，光電流強度也增大。

通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析、追問思考等，得出了光電效應(yīng)的規(guī)律。

4.通過“波動理論在解釋光電效應(yīng)時的矛盾”的教學(xué)，強化學(xué)生科學(xué)探究過程不斷鉆研的精神

為什么說光的波動理論無法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律？從光電效應(yīng)的發(fā)生過程來看，電子吸收入射光能量后才能掙脫原子核的束縛，所以我們應(yīng)從能量的角度來分析光效應(yīng).光的波動理論是這樣描述光的能量的：（1）能量是連續(xù)的;（2）振幅（光強）越大，光能越大，光的能量與頻率無關(guān).大家想一想，波動理論為什么無法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律？

（1）我們先來分析第一條規(guī)律：存在極限頻率。

按波動理論，不論什么頻率的光，只要光強足夠大，就應(yīng)該發(fā)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在極限頻率。

（2）波動理論能解釋光電子的最大初動能與入射光強無關(guān)嗎？

按波動理論，入射光強越大，光能越大，飛出的光電子初動能就應(yīng)越大，事實是光電子的最大初動能僅與入射光頻率有關(guān)。

（3）光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的，也就是說，不論入射光強多么弱，只要，就立即能發(fā)生光電效應(yīng)。光太弱時，按波動理論，要達(dá)到使光電子飛出的能量，要有一個能量積累過程。事實上光電效應(yīng)幾乎瞬時發(fā)生說明一旦發(fā)生光電效應(yīng)，幾乎不需要能量的積累過程。（板書：3、弱光照射時應(yīng)有能量積累過程，不應(yīng)瞬時發(fā)生）

（4）波動理論能夠解釋第四條規(guī)律——隨著光強的增大，光電流也在增大。

通過上面的分析，光的波動理論在解釋光電效應(yīng)時遇到了巨大的困難。后來，愛因斯坦在普朗克量子化理論的啟發(fā)下，提出了光子學(xué)說。

三、粵教版《光電效應(yīng)》教學(xué)中過程的反思

教學(xué)中科學(xué)探究能力的培養(yǎng)非常重要，然而實際教學(xué)中存在幾個問題：

（1）教學(xué)設(shè)備的局限直接影響了教學(xué)效果。本節(jié)內(nèi)容由于教學(xué)設(shè)備有限，大部分學(xué)校只有一套演示實驗器材，這樣學(xué)生無法人人動手參與操作，只能在老師的引導(dǎo)下觀察，這大大約束了學(xué)生思考，束縛了學(xué)生發(fā)展。如果實驗設(shè)備充足，學(xué)生可以多角度全方位的進行實驗探究，探究過程觀察到不同實驗現(xiàn)象，然后進一步分析思考，通過教材學(xué)習(xí)對比經(jīng)典物理局限性。

（2）符合認(rèn)知順序的編寫才能更有效促進學(xué)生能力的提升。選修3-5教材編寫順序是光電效應(yīng)——能量量子化——原子結(jié)構(gòu)——能級結(jié)構(gòu)，這樣的內(nèi)容編排順序?qū)е聦W(xué)生學(xué)習(xí)光電效應(yīng)時，學(xué)生對量子物理與經(jīng)典物理之間關(guān)系缺少基礎(chǔ)認(rèn)識，對于能量量子化毫無認(rèn)識，光電效應(yīng)一節(jié)，新概念多且抽象、概念之間的關(guān)系緊密又復(fù)雜，又要引導(dǎo)同學(xué)們以新舊兩種觀念分析同一問題，在比較中體驗新觀念的意義，理解物理理論的發(fā)展規(guī)律、領(lǐng)會自然科學(xué)的發(fā)展觀。光電效應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)是電子獲得足夠的能量成為自由電子，其實就是能級躍遷中的電離。而現(xiàn)在這種教材編排，在客觀上就加大了本節(jié)課的授課難度。

（3）培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力還有賴于教師有較強的綜合素質(zhì)。

科學(xué)探究能力是一種更為“高級”的能力。要想培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，老師自身必須要有扎實過硬的綜合素質(zhì)。針對部分高中物理教師綜合素質(zhì)偏低現(xiàn)狀，應(yīng)該從其提升綜合素質(zhì)及專業(yè)能力入手，將理論培訓(xùn)、實踐鍛煉進行有效結(jié)合，具體如下：第一、對高中物理教師進行理論培訓(xùn)及知識鞏固，強化其自身的知識儲備及應(yīng)用能力，保證滿足實際課堂教學(xué)需求。第二、不斷加強實踐教學(xué)及理論知識融合，對教師實際課堂教學(xué)技巧及方法進行現(xiàn)場傳授及指導(dǎo)，通過邀請著名教學(xué)專家，將人才培養(yǎng)方式及科學(xué)探索能力提高作為具體培訓(xùn)內(nèi)容。第三、樹立教師科學(xué)意識及理念形成，將傳統(tǒng)的滯后性教學(xué)理念進行摒棄，樹立科學(xué)意識，將科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)分析、科學(xué)引導(dǎo)作為實際課堂教學(xué)重要核心，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力的奠定堅實基礎(chǔ)。

科學(xué)探究能力是科學(xué)素養(yǎng)的核心部分，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是每個學(xué)科、每位老師都要思考和踐行的。中學(xué)物理在培養(yǎng)科學(xué)探究能力方面有著獨特的優(yōu)勢，教師在課堂中精心設(shè)計問題、引導(dǎo)思考、調(diào)動學(xué)生積極參與等方式，想方設(shè)法挖掘教材的內(nèi)涵和外延，在課堂教學(xué)中可以有效地培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)探究能力。

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