促进深度学习的演示实验教学研究

汤可嵚

摘   要： 演示仪器目的单一，课堂教学“满堂灌”等是传统演示实验课堂的“通病”。因此教师根据教学需求，对演示仪器加以改进，或者自制演示装置是十分必要的。文章以演示实验“光电效应的实验规律”为例阐述如何根据教学需求，通过自制创新装置，设计探究式的课堂以达到深度学习、提升核心素养的目的。

关键词：深度学习；核心素养；光电效应；创新装置；探究课堂

引言

“深度学习”是一种基于理解的学习，它主张在研究中学习，引导学生深入分析和思考，使学习成为一个探寻意义、获得意义的过程[ 1 ]。深度学习，要求以学生为主体，让学生深度参与建构和反思，可见，深度学习能够实现有效地参与和体验，对于学生核心素养的提升是十分必要的。然而在实际演示实验教学中，由于演示装置的限制和以教师为主体的教学模式，难以实现深度学习，也不利于学生学科科学素养的提高。利用探究性实验教学方式，通过改造或自制演示装置让学生充分参与演示实验的全过程可以促进深度学习，从而达到变被动学习为主动获取知识从而提升学科科学素养的目的。

光电效应的实验规律一直是高考的重点、教学的难点，本文以该演示实验为例，基于深度学习的理念，设计促进深度学习的实验探究课堂，通过自制实验装置，让学生在主动设计实验的过程理解原理，将抽象的规律直观地用数据呈现，学生通过对原始数据的分析和总结得到结论。

1  创新装置简介

1.1  装置主要元件

綜合现有演示装置的优点和探究课堂的需要，笔者自制了教学仪器“光电效应规律演示仪”（图1），元件有：LED纯彩光源（红，绿，蓝，紫色）、光电管（GD-28，GD-21）、开关电源、电位器、数显直流电压表头（DV50 V）、数显直流电流表头（DA200 μA）、（或朗威电压传感器、微电流传感器），DC直流可调数控降压电源模块、带有可调通光孔径转盘的遮光罩等。

1.2  装置特点

入射光的频率可通过控制光源的颜色来实现，光强可通过调节光源电压实现连续变化。特制遮光罩如图2，遮光罩上设有S，2S，3S，4S等6种通光孔面积，控制入射光源电压一定，通过旋转带孔转盘来改变通光孔的面积，分别用遮光罩上S，2S，3S，4S通光孔面积控制光强，即光强比为1：2：3：4。实现光强半定量的控制。本装置电流和电压的测量可用外置数显电表也可用外置传感器直接连电脑测量，本文以外置数显表测量为例进行阐述。

2  促进深度学习的探究课堂

2.1  探究实验设计理念

2.1.1  巧设探究主题

北京师范大学郭华教授[ 2 ] 指出，深度学习是在教师引领下，学生通过参与有挑战性的学习主题，获得发展的学习过程。本实验教学中教师抛出问题：“如何获得光电流？”“如何利用光电管获得并控制光电流的大小？”接着整节课围绕“光电流”这个主题展开，这个主题极具挑战性，学生积极讨论，分享思考，主动参与分步探究、体验成功。

2.1.2  巧设探究任务

光电效应的实验规律十分抽象，为了真正有效地进行深度学习，将教学目标转化成一个个探究任务，有层次，循序渐进的设计任务，将教学难点分散突破。通过任务布置，让学生明确努力方向；通过任务实施，培养学生的科学思维和探究能力；通过任务达成，激发学习热情，体验探究的乐趣。

2.1.3 渗透深度学习的探究实验教学过程

让学生充分参与演示实验的过程，用所学的知识尝试构建物理模型去解释每一个实验现象，并能够在适当的引导下进行知识的迁移，摆脱表面学习，以达到深度学习的效果和提升核心素养的目的。

教师首先给学生提供本节课实验会用到的实验器材，让学生基于这些器材设计实验完成各项探究任务。

任务一：如何利用光电管获得光电流？需要哪些仪器？

学生很容易可以设计出电路1如图3，并提出实验还需要的器材有可变色的光源、遮光罩和电流表。教师按照学生的设计用自制装置演示，此时光电管未加电压，选用GD-28光电管，先用红光照射，光电流为0，增大光强，光电流仍然为0，引导学生解释原因。换绿光照射，发现马上有电流值，引导学生得出光电效应的产生条件和瞬时性。

任务二：如何获得尽可能大的光电流？

（1）讨论和猜想：增大入射光频率、光强等。教师追问，刚才用绿光获得了光电流，如果换蓝光光电流怎么变？学生普遍认为会变大。

（2）观察和小结：教师演示用蓝光和绿光照射，光电流不同，说明频率对光电流有一定影响。接着演示控制蓝光不变，通光孔面积一定，增加亮度，发现光电流增大，进而得出：入射光频率不变，光电流随光强增大而增大。

（3）深度学习

电路设计中的深度学习：教师先给出光强的概念，让学生解释频率一定光强越大，光电流越大的原因。追问如果控制频率和光强都不变，还有没有办法增大光电流？ 这个问题不太好回答，需要教师引导，可先让学生思考：“阴极逸出的光电子能否全部到达阳极？”学生都认为不可能，但说不上为什么，教师通过动画解释是因为光电子逸出后运动方向是朝向四面八方的，且存在反向电场。继续追问：“如何让到不了阳极的光电子都到阳极？”学生就能想到：“加电场”。因此需要电源和滑动变阻器。让学生设计出电路如图4，这里可以借机回顾电路设计的知识。通过一个又一个阶梯式的关联问题的抛出，让学生在逐步解决问题的过程中进行深度学习，将科学思维、科学态度与责任的培养充分渗透到课堂中。

实验过程中的深度学习：教师闭合装置电路部分的电键，给光电管加上正向电压，让学生上台记录数据。使用蓝光，学生记录光电流随外加正向电压的变化情况，同时用Excel描点作图。让学生观察图像的特点并思考“电压增大，光电流变大，可是增大到一定值时，再增大电压，电流值却几乎不变了是为什么？”在引导学生分析的过程中给出饱和电流的概念。然后继续追问：①如果还想增大光电流，就必须使单位时间逸出的光电子数多一点，怎么做？②增大光强，也会有饱和电流吗？③猜想饱和电流和光强的关系，如何用实验验证？

问题③有一定难度，教师引导学生回答电流和光强的正比关系，并让学生设计出通过改变遮光罩通光孔面积来半定量控制光強来完成实验的验证。让学生辅助记录光电流随外加正向电压的变化情况，描点后作I-U图像（见图5）及饱和光电流Im与入射光强φ的关系图像（即Im-φ图像见图6）。

最后得出实验结论：

①存在饱和电流，入射光频率一定，光强越强饱和电流越大。

②饱和电流值与光强成正比。

任务三：入射光频率和光强不变，如何将获得的光电流减小？

（1）讨论和猜想：加反向电压。

（2）观察和小结：教师演示拨动自制装置的选择开关使光电管两端的电压反向，控制光源为蓝光保持亮度不变，数据记录如表1。

（3）深度学习：引导学生解释这一现象，加反向电压能使所有的光电子都受到一个反向的电场力，这个力如果能使跑得最快的光电子到不了阳极，那所有光电子就都到不了。提问：此时增大光强，遏止电压怎么变？多数学生猜想变大。教师演示：用蓝光控制，亮度不变，增大通光孔面积为16S，重复实验记录数据如表2，发现遏止电压不变。改用绿光，数据如表3。进而得出遏止电压与频率有关而与光强无关的结论。

教师分析，遏止电压是使光电流恰好为零的反向电压值，意味着此时跑得最快的光电子恰好无法到达阳极，提问：①遏止电压与跑得最快的光电子的初速度有什么关系？②光电子的最大初动能可以用遏止电压来表征，也就意味着，光电子的最大初动能与光强无关，只与频率有关，如何用光子说来解释？

以上两个问题都需要学生用旧知识和新知识构建物理模型，教师要做好引导，让学生讨论后并上台板演，通过全班的交流和讨论导出光电效应方程。在解决问题的过程中深度学习，通过知识的内化和向他人学习并获得成果的过程体验成功的快乐。

3  结束语

通过演示实验教学展示物理现象、导出物理概念、发现物理规律，是其它教学方式无法替代的。实践发现高效、充分地在演示实验中促进深度学习是培养学生物理核心素养有效途径。让学生像物理学家一样去严谨地思考问题，去科学的设计实验，通过观察现象，分析数据，得出结论，并用所学的知识去构建物理模型解释现象，体验成功乐趣的同时提升核心素养。

参考文献：

［1］ 刘新选.基于核心素养的高中物理深度学习的探讨[J]．物理教学探讨，2018，36（6），73-75．

［2］ 尤小平.学历案与深度学习［Ｍ］．上海：华东师范大学出版社，2017：5-6．