創(chuàng)新演示實驗 構建基于核心素養(yǎng)的深度學習課堂
——以“光的粒子性”第1課時教學為例

祁紅菊

(江蘇省奔牛高級中學,江蘇 常州 213131)

深度學習是以理解為基礎的意義探究型學習活動,[1]直抵學科的本質(zhì)和知識的內(nèi)核,是超越了表層符號的學習．一般認為,深度學習有以下3個特征,一是基于真實情境的任務驅(qū)動型學習,二是基于任務驅(qū)動的學生深度參與型學習,三是基于合作交流探究的自主建構型學習．因此,深度學習能夠有效地激發(fā)學生的內(nèi)驅(qū)力、思維力、想象力和遷移力等．

演示實驗既是高中物理教材的重要內(nèi)容之一,也是課堂教學中教師傳授知識的一個重要的媒介．演示實驗既可以豐富學生的感知,變抽象為直觀,還可以引領學生深層思考,突破教學難點．在課堂教學中,教師若能創(chuàng)新演示實驗,充分挖掘演示實驗的價值,結合層層遞進的問題設計,讓學生始終處于一個發(fā)現(xiàn)者、探索者和揭秘者的位置,可以有效促進學生理性思考,發(fā)展科學探究能力,提升科學素養(yǎng),真正實現(xiàn)深度學習．本文以人教版高中物理選修3-5第17章第2節(jié)“光的粒子性”的第1課時為例,探索通過創(chuàng)新演示實驗,構建基于核心素養(yǎng)的深度學習課堂的實踐策略．

1 教學過程

1.1 以趣味實驗創(chuàng)設真實情境,激發(fā)學生深度學習的內(nèi)驅(qū)力

實驗1:神奇的光電實驗.

教師將GD-28光電管(稱“神秘元件”)放入開有透光孔的黑盒中,并將該元件和音樂賀卡中的蜂鳴器及干電池連成電路,此時蜂鳴器不發(fā)聲．[2]

演示1:當用強光手電筒照射光電管,蜂鳴器發(fā)出悅耳的音樂．移開手電筒時,蜂鳴器則不發(fā)聲．

演示2:讓強光手電筒逐漸靠近光電管,發(fā)現(xiàn)蜂鳴器發(fā)出的樂音聲音逐漸增強;讓強光手電筒逐漸遠離光電管,發(fā)現(xiàn)蜂鳴器發(fā)出的樂音聲音逐漸減弱．

提問:如果用紅光照射也有這種現(xiàn)象嗎?

演示3:在黑盒的透光孔前放置一紅色濾光片，使紅光照射“神秘元件”,蜂鳴器無反應．

提問:關于剛才的現(xiàn)象,你們有什么問題要提出來嗎?

設計意圖:此導入實驗新奇有趣,創(chuàng)設了一個極具探索氣息的學習場,充分激發(fā)了學生探究的興趣和欲望．在教師的啟發(fā)下,學生踴躍提出了很多有思考價值的問題,例如，該神秘元件是什么?有什么作用?為什么強光照射蜂鳴器就會發(fā)聲?為什么光源靠近蜂鳴器,音樂聲更大?為什么紅光照射就沒有這樣的現(xiàn)象了?在怎樣的條件下才能有這樣的現(xiàn)象等．以上教學過程為學生創(chuàng)設了神秘而又真實的情境,有效地激發(fā)了學習的內(nèi)驅(qū)力,為學生發(fā)現(xiàn)并提出與學習主題相關的問題提供了條件,也為教學目標的順利推行提供了保證．

1.2 以經(jīng)典實驗探尋現(xiàn)象本質(zhì),促進學生深度參與的思維力

教師:剛才的現(xiàn)象其實早在1887年就被大名鼎鼎的赫茲發(fā)現(xiàn)了,進而引發(fā)了許多科學家對其深入研究,從而顛覆了人們之前對光的本性的認識,讓我們追尋大師的足跡,重溫這個經(jīng)典實驗．

實驗2:認識光電效應現(xiàn)象.

用導線將鋅板(事先要拋光打磨)與驗電器相連,同時讓紫外線燈靠近鋅板,為使實驗現(xiàn)象更加明顯,在靠近鋅板的另一側處要放置一只用絲綢摩擦過的玻璃棒,如圖1所示．

圖1 紫外線照射鋅板實驗

演示1:關閉開關,讓紫外線燈發(fā)光照射鋅板,發(fā)現(xiàn)驗電器指針有較大角度的偏轉(zhuǎn)．

提問:如何檢驗鋅板帶什么電?

演示2:用絲綢摩擦過的玻璃棒觸碰鋅板,發(fā)現(xiàn)驗電器指針的偏角變大．

提問:這個實驗現(xiàn)象說明了什么?

演示3:將鋅板換成等大的銅板,重復以上實驗操作,發(fā)現(xiàn)驗電器指針沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

提問:你觀察到的這個實驗現(xiàn)象又說明了什么?

總結:照射到金屬表面的光(包括不可見光),能使金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象叫做光電效應．發(fā)射出來的電子叫做光電子．

提問:在紫外線燈的照射下,鋅板中的電子為什么會跑出來?

引導討論:當光照射時,金屬表面的電子吸收了入射光的能量,振動加劇,當能量足夠大時,電子就會掙脫金屬的束縛從表面逸出,從而發(fā)生光電效應．

圖2 光電管原理圖

教師介紹神奇光電實驗的神秘元件——光電管的結構,如圖2所示,并提問:現(xiàn)在,你能解釋蜂鳴器發(fā)聲的原因了嗎?

得出結論:光照射金屬(陰極),陰極發(fā)射出的光電子在電路中定向移動形成光電流．

設計意圖:在鋅板前放置一帶正電的玻璃棒后,當光照射鋅板時,玻璃棒會吸附逸出的光電子,使鋅板電勢升到足夠高,驗電器指針張角就會較大,現(xiàn)象更明顯．在討論鋅板帶電的原因時,有學生認為也可能是紫外線使空氣電離從而導致鋅板帶電的,教師換用銅板重復上述實驗,發(fā)現(xiàn)驗電器并不張開,就排除了這一可能性．此實驗設計簡單,容易操作,既形象直觀地顯示了光電效應現(xiàn)象,又可引發(fā)學生對實驗現(xiàn)象的思考:鋅板為什么會帶電?鋅板帶正電的原因?電子為什么會逸出來?直接的感官刺激會激發(fā)學生探秘揭秘的欲望,促使學生積極地從物理學的視角去思考這種現(xiàn)象背后產(chǎn)生的本質(zhì)原因,培養(yǎng)學生理性思維能力．

1.3 以創(chuàng)新實驗理順邏輯關系,提升學生自主建構的學習力

教師:光電效應現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后,引起了許多科學家濃厚的興趣,不斷對此進行深入的探索和研究,其中德國物理學家菲利普·勒納德(赫茲的學生)在光電子的研究方面作出了巨大的貢獻．

提問:如果你是勒納德,你會去研究光電子哪些方面的內(nèi)容?

引導學生得出,要研究影響光電子數(shù)量的多少和能量大小的因素等．

提問:光電子不可見,如何將微觀現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成可見的宏觀現(xiàn)象來進行研究呢?

學生:可以研究光電流大小．

提問:金屬表面逸出的電子射向很多不同方向,如何讓更多的電子匯聚到陽極呢?

學生:可以加電場．

實驗3:探究光電效應規(guī)律.

自制如圖3所示的光電效應實驗電路板,其中的電壓表和微安表均為數(shù)字式電表,黑盒中為光電管,左側有透光孔．

圖3 自制光電效應實驗電路板

演示1:開關閉合后透光孔前加上紅光濾光片,即用紅光照射光電管,微安表示數(shù)為0．

提問:紅光照射沒有電流,你認為是什么原因造成的?

學生猜想:可能是光強不夠．

演示2:調(diào)節(jié)強光手電筒亮度,增加紅光光強,微安表示數(shù)依然為0．

提問:要想觀察到光電效應現(xiàn)象,你有沒有更好的建議呢?

學生:改變光的顏色試試．

演示3:在透光孔前分別換用黃光、紫光和綠光濾光片,發(fā)現(xiàn)微安表均有示數(shù)．減弱光強,微安表依然有示數(shù)．

總結規(guī)律①:只有當入射光的頻率大于某一數(shù)值νc時,才有光電子逸出,與光強無關,νc稱為截止頻率或極限頻率．

提問:用黃光照射光電管時能發(fā)生光電效應,在不改變光的顏色的條件下,如果想讓光電流增大,你有哪些辦法?并說說你的理由．

學生:增大光的強度或增大光電管兩端的電壓．

提問:若要研究影響光電流大小的因素,可以采用什么方法?

學生:控制變量法．

演示4:定性演示光電流大小與光強的關系,發(fā)現(xiàn)光越強,電流表示數(shù)增大．

演示5:分別用弱黃光和強黃光照射,增大正向電壓U,用DIS傳感器觀察電流隨電壓的變化規(guī)律,如圖4所示．

圖4 DIS傳感器演示光電流交化規(guī)律

提問:觀察圖像,你得到什么信息?

學生:電壓越大,光電流也越大,最后光電流趨于一個穩(wěn)定值．光越強,光電流的穩(wěn)定值就越大．

總結規(guī)律②:存在飽和電流,光強越大,飽和電流越大．

提問:試分析為什么正向電壓大到一定程度,光電流就不增大了?入射光越強,光電流的飽和值就越大,說明了什么?

討論完畢,繼續(xù)提問:如果陰、陽極之間不加電壓,光電流是否為0?如何才能使光電流為0?

引導學生分析得出:電子逸出金屬表面有一初速度,即使不加電壓也有光電流,教師現(xiàn)場演示現(xiàn)象,并引導學生分析得出要想使電流為0,加反向電壓并調(diào)大電壓即可．

演示6:光電管兩端加反向電壓并逐漸增大電壓值,觀察微安表的示數(shù)變化情況．

總結規(guī)律③:存在遏止電壓．

提問:為什么會存在遏止電壓?

引導學生分析得出光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用,最大速度的光電子到達陽極的速度剛好為0時對應的反向電壓為遏止電壓．

提問:為什么要研究遏止電壓?

引導學生分析得出,光電子的最大初動能決定了遏止電壓的大小,研究遏止電壓即可研究光電子的最大初動能．

提問:遏止電壓與最大初動能之間有什么關系?

學生:根據(jù)動能定理,有-eUC=0-Ekm,即eUC=Ekm.

引導學生領悟此實驗的設計方法——即轉(zhuǎn)換思想．

提問:猜測影響遏止電壓的可能因素有哪些?

演示7:改變光強,遏止電壓不變;光的頻率變大,遏止電壓變大．

得出結論:遏止電壓與光的頻率有關,即光電子的最大初動能與光的頻率有關,與光強無關．

演示8:分別用強黃光、弱黃光照射光電管,觀察從開始照射到微安表有示數(shù)之間間隔的時間．

總結規(guī)律④:光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的．精確的實驗表明,從光開始照射到有光電子逸出,所需的時間t<10-9s．

設計意圖:第一,關于光電效應現(xiàn)象的幾個規(guī)律教材編寫的邏輯主線是這樣的:先是介紹飽和電流,再是遏止電壓和截止頻系,最后介紹瞬時性．在教學實踐中,筆者感覺這樣編排的邏輯關系并不十分明晰,不同規(guī)律間的銜接較為生硬,上下文之間的關系較為松散,多數(shù)學生感到認知難度大,模糊不清,難以準確理解和把握光電效應的本質(zhì)．鑒于以上問題的存在,筆者嘗試對教材內(nèi)容進行了整合和優(yōu)化設計,使課堂教學流程更加符合學生的認知,知識點的銜接更為流暢,邏輯關系更加明晰．學生通過觀察課堂導入實驗“神奇的光電實驗”,最先關注的應該是為什么紅色照射光電管時,蜂鳴器不響?即產(chǎn)生光電效應的條件是什么?進而分析用紅光照射光電管時,蜂鳴器不響的原因可能是紅光的強度不夠,教師驗證與光強無關之后,學生才會想到可能是與光的顏色有關．解決了發(fā)生光電效應的條件之后,再引導學生研究光電流的大小的決定因素,結合DIS傳感器直觀地顯示了光電流的變化規(guī)律,順理成章地得出了飽和電流,并結合引入實驗的現(xiàn)象猜想飽和電流應該與光強有關．接著光電流這個話題教師繼續(xù)拋出兩個問題讓學生進行思考,即“如果陰、陽極之間不加電壓,光電流是否為0?如何才能使光電流為零?”使學生知曉了遏止電壓的存在,知道通過研究遏止電壓的大小可以間接地了解光電子的能量,并體會實驗背后的科學思想方法．第二,本實驗對教材上的實驗作了改進,將傳統(tǒng)的指針式電表改成了數(shù)字式電表,實驗現(xiàn)象更直觀,在描繪I-U圖像時又結合了DIS數(shù)字傳感器,圖像對比明顯,使學生很易發(fā)現(xiàn)規(guī)律．實踐表明,直觀的現(xiàn)象結合有效的設問更能有助于學生自主構建概念,引發(fā)學生對物理現(xiàn)象的關注和思考,使學生學會象科學家一樣思考和解決問題,提升科學素養(yǎng)和高階思維能力．

2 教學反思

2.1 創(chuàng)新演示實驗,從現(xiàn)象到本質(zhì)的思考

本節(jié)課的導入實驗設計精巧,創(chuàng)設出新穎且真實的情境,增加了科學的神秘感,現(xiàn)象的感官刺激激發(fā)了學生探求真理的渴望．同時,實驗的設計也利于學生觀察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題,讓學生自主提煉出需要探究的內(nèi)容,順利進入新的教學環(huán)節(jié)．在設計課堂演示實驗時,教師要通過創(chuàng)新,嘗試著將不可見的實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可見的實驗現(xiàn)象、把微弱的實驗現(xiàn)象放大為明顯的實驗現(xiàn)象、把定性的實驗研究轉(zhuǎn)換為定量的實驗研究,以達到最佳實驗效果．本節(jié)課中使用了數(shù)字式電表與DIS傳感器,并借助于希沃系統(tǒng)的同屏功能,擴大了學生觀察視野,清晰、直觀的實驗現(xiàn)象和圖像提升了視覺的指向性,利于學生從感性認識上升到理性思考．

2.2 問題促進思考,從已知向未知的探索

本節(jié)課以具有層次性和遞進性的問題鏈為抓手,充分利用演示實驗創(chuàng)設了一個科學探究的情境．即先通過現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn)問題,然后在教師的點拔和引導下,學生利用已有的知識,大膽猜想、假設或邏輯推理,最后通過實驗驗證并總結規(guī)律，有效促進了學生物理觀念的形成與發(fā)展以及對物理學科思想方法的理解,如微觀量轉(zhuǎn)化為宏觀量測量、定性研究與定量研究的結合等等,較好地體現(xiàn)了深度學習的需要及物理核心素養(yǎng)的要求．

2.3 遵循認知規(guī)律,從教材到教學的整合

物理概念或規(guī)律的構建既可以基于知識的內(nèi)在邏輯來達成,也可遵循學生認知的發(fā)展規(guī)律來實現(xiàn),但后者更貼近學生的學習需要,具有更現(xiàn)實的意義．本節(jié)課在進行教學時,沒有完全按照教材的編排順序,而是順應學生思路重新進行了整合．整個過程從直觀到抽象,從感性到理性,清晰流暢,串聯(lián)了各個教學板塊的內(nèi)容,更符合學生的認知,對促進學生理解規(guī)律、梳理內(nèi)在聯(lián)系,建立知識間的邏輯關聯(lián)及保持長時間的記憶起了很大的作用．

高品質(zhì)、有內(nèi)涵的課堂教學應努力創(chuàng)設新穎神秘、真實有趣的學習情境,讓學生積極參與并樂在其中,以真正凸顯學生的主體地位,發(fā)揮主體作用．在實驗探究的過程中,學生獲得的不僅僅是新的知識,更重要的是可以逐步形成正確的物理觀念、科學的思維方式和積極的科學態(tài)度．在課堂教學實踐中,通過創(chuàng)新演示實驗,整合教材內(nèi)容,精心預設問題,從表層到內(nèi)涵,從現(xiàn)象到本質(zhì),引導學生自主建構知識,就可以有效地提升課堂教學品質(zhì),構建基于核心素養(yǎng)的深層學習課堂．