李 霞 龔艷春 何蘇紅 陳 磊 黃雁華

（陸軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部 江蘇南京 211100）

大學(xué)物理是高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生一門重要的通識(shí)性必修基礎(chǔ)課，主要作用是為學(xué)生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。高等教育的目的是培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新型人才，如何通過這門課程實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，使學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)得到很好培養(yǎng)顯得尤為重要[1]。

“光電效應(yīng)”是屬于大學(xué)物理近代物理學(xué)部分的內(nèi)容，內(nèi)容安排上處于黑體輻射及能量子假說之后。其具體內(nèi)容包括：（1）光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律；（2）光量子假說及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋；（3）光電效應(yīng)在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用。

“光電效應(yīng)”無(wú)論從知識(shí)結(jié)構(gòu)還是人文精神以及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用上都有著豐富的內(nèi)涵，教學(xué)設(shè)計(jì)采用導(dǎo)學(xué)研討式與線上線下混合式教學(xué)相結(jié)合，整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以充分體現(xiàn)大學(xué)物理課程教學(xué)的知識(shí)價(jià)值、方法價(jià)值、人文價(jià)值和軍事應(yīng)用價(jià)值。

一、教學(xué)目標(biāo)

【知識(shí)目標(biāo)】理解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及經(jīng)典物理解釋光電效應(yīng)的困難，理解光量子理論，掌握愛因斯坦光電方程，能夠用光量子理論解釋光電效應(yīng)，了解光電效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。

【能力目標(biāo)】通過課前預(yù)習(xí)、課堂思考與討論、課后拓展作業(yè)等活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，獨(dú)立獲取知識(shí)的能力、分析問題和解決問題的能力、語(yǔ)言表達(dá)與合作能力等，帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)略“提出問題—大膽假設(shè)—論證分析—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的研究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法、科學(xué)研究能力。

【情感與價(jià)值觀目標(biāo)】體驗(yàn)探究自然界規(guī)律的艱辛、喜悅與方法，學(xué)習(xí)物理學(xué)家們勤于思考、敢于堅(jiān)持真理，勇于創(chuàng)新、求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，進(jìn)一步強(qiáng)化物理學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)變物理學(xué)習(xí)態(tài)度。

二、導(dǎo)學(xué)研討式教學(xué)實(shí)施設(shè)計(jì)

根據(jù)“學(xué)為主體，教為主導(dǎo)”和“能力為本”的教學(xué)理念，依托SPOC平臺(tái)，采取導(dǎo)學(xué)研討式的教學(xué)方法，按照課前導(dǎo)學(xué)、課中研討和課后拓展學(xué)習(xí)的順序設(shè)計(jì)教學(xué)流程，將課堂與課外學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，全面促進(jìn)和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)問題能力，培養(yǎng)學(xué)生的批判精神和合作交流意識(shí)[2-3]。

1.課前導(dǎo)學(xué)

教師活動(dòng)：

通過 SPOC 平臺(tái)發(fā)布導(dǎo)學(xué)案，建立知識(shí)點(diǎn)目錄樹，推送相關(guān)學(xué)習(xí)資源（包括“光電效應(yīng)”的電子教案、視頻文件、相關(guān)物理學(xué)史、物理學(xué)家的生平事跡介紹、相關(guān)物理學(xué)原理的應(yīng)用、文獻(xiàn)等），引導(dǎo)學(xué)生預(yù)學(xué)，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，鼓勵(lì)其通過平臺(tái)展開討論，提交問題。教師及時(shí)答疑，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析，了解學(xué)生的課前預(yù)學(xué)情況。

學(xué)生活動(dòng)：

在線預(yù)學(xué)，自測(cè)。設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生以教師設(shè)計(jì)的導(dǎo)學(xué)案為引導(dǎo)，通過閱讀教材、觀看視頻、閱讀文獻(xiàn)、完成自測(cè)題，進(jìn)行有效的課前預(yù)學(xué)，并及時(shí)地在SPOC平臺(tái)反饋預(yù)習(xí)效果，提出疑惑，增強(qiáng)其主動(dòng)提問和交流討論的意識(shí)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。教師了解學(xué)生預(yù)學(xué)情況及集中存在的問題，才能切實(shí)提高課堂效率與學(xué)習(xí)效果。

2.課中研討

（1）播放視頻，創(chuàng)設(shè)情境，引入光電效應(yīng)。

教師活動(dòng)：

①播放一段關(guān)于微光夜視儀及其在戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用的視頻，時(shí)長(zhǎng)大概40秒，創(chuàng)造軍事特色情境，引導(dǎo)思考微光夜視儀的工作原理是什么？引入光電效應(yīng)。

②提問：什么是光電效應(yīng)？

配合彩色圖片講解，簡(jiǎn)要介紹發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的歷史，最早由赫茲發(fā)現(xiàn)，萊納德對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

學(xué)生活動(dòng)：

①觀看夜視儀及其在戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用的視頻，激發(fā)興趣，探究其工作原理；

②回答問題。

設(shè)計(jì)意圖：從一個(gè)具有軍事特色的應(yīng)用實(shí)例出發(fā)，抓住學(xué)生的眼球，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力與興趣，引起學(xué)生的共鳴。

（2）總結(jié)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

教師活動(dòng)：

①提問：萊納德對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，而他的發(fā)現(xiàn)讓當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們大惑不解，他都發(fā)現(xiàn)了些什么結(jié)果？

請(qǐng)學(xué)生結(jié)合預(yù)習(xí)情況說說對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的了解，引導(dǎo)大家盡可能地把看到的、了解到的都描述出來(lái)。

②板書總結(jié)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充完善，結(jié)合實(shí)驗(yàn)曲線，帶領(lǐng)學(xué)生一起，板書總結(jié)出光電效應(yīng)四條實(shí)驗(yàn)規(guī)律：

○存在截止頻率（紅限）ν0；

○瞬時(shí)性；

○飽和光電流與入射光的光強(qiáng)成正比。

在飽和狀態(tài)下，單位時(shí)間由陰極發(fā)出的光電子數(shù)與光強(qiáng)成正比。

○遏止電勢(shì)差的大小與入射光的頻率呈線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。

即光電子最大初動(dòng)能隨入射光頻率增大而線性增大，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。

學(xué)生活動(dòng)：

①結(jié)合預(yù)習(xí)情況，在教師的引導(dǎo)下，觀察分析，回答問題，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生把預(yù)習(xí)了解到的光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)情況盡可能地描述出來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、歸納總結(jié)的能力，在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生深入思考，嚴(yán)謹(jǐn)縝密的能力。

（3）分析波動(dòng)理論在解釋光電效應(yīng)時(shí)的困難 。

教師活動(dòng)：

①提問：這些結(jié)論讓19世紀(jì)末20世紀(jì)初的物理學(xué)家們大惑不解，為什么呢？你看到這些結(jié)論有沒有覺得不解？

請(qǐng)學(xué)生結(jié)合波動(dòng)理論分析一下光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否合理，根據(jù)學(xué)生回答的情況適當(dāng)輔助引導(dǎo)，得到結(jié)論：

（a）按照經(jīng)典電磁理論，不論入射光的頻率如何，物質(zhì)中的電子在電磁波作用下總是能夠獲得足夠能量而逸出，因而不應(yīng)存在紅限頻率；（b）逸出電子的初動(dòng)能應(yīng)隨入射光強(qiáng)的增大而增大，與入射光的頻率無(wú)關(guān)；（c）如果入射光的光強(qiáng)很小，則物質(zhì)中的電子必須經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的積累，才有足夠能量而逸出，因而光電子的逸出不應(yīng)具有瞬時(shí)性。

②總結(jié)：經(jīng)典物理在解釋光電效應(yīng)時(shí)遇到無(wú)法克服的困難。

學(xué)生活動(dòng)：

①思考，討論分析，表達(dá)自己的見解，得到結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：鼓勵(lì)學(xué)生把疑惑之處明確表達(dá)出來(lái)，培養(yǎng)深入思考，邏輯分析的能力，培養(yǎng)大膽質(zhì)疑，勇于表達(dá)見解的精神，同時(shí)鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)能力。而了解到物理學(xué)家們跟大家一樣也有相同的困惑，可以拉近物理學(xué)跟大家的距離，增強(qiáng)大家學(xué)習(xí)的信心，進(jìn)一步強(qiáng)化物理學(xué)習(xí)興趣，提高參與課堂的層次。

（4）介紹愛因斯坦光量子假說，并用光量子假說解釋光電效應(yīng)。

教師活動(dòng)：

①提問：既然波動(dòng)理論解釋不了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，說明波動(dòng)理論是有局限性的，那怎么辦？光電效應(yīng)怎么解釋呢？

②引導(dǎo)回顧：前一節(jié)課，我們講黑體輻射的時(shí)候，黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律與經(jīng)典物理產(chǎn)生了無(wú)法調(diào)和的矛盾，后來(lái)是如何解決的這一問題呢？（引導(dǎo)學(xué)生回顧普朗克能量子假說）

③介紹愛因斯坦光量子假說。

④引導(dǎo)思考。按照光子概念，當(dāng)光入射到金屬表面時(shí)，光子與電子相互作用，這一過程的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系是怎樣的？從而得到愛因斯坦光電效應(yīng)方程：

⑤提問：根據(jù)光量子假說，能不能解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

請(qǐng)學(xué)生分組討論，然后請(qǐng)一個(gè)學(xué)生代表到講臺(tái)上板書講解利用光量子假說如何解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。

⑥總結(jié)：光量子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)的所有規(guī)律。

學(xué)生活動(dòng)：

①思考，回顧，回答問題（普朗克提出能量子假說解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)曲線）。

②根據(jù)教師的引導(dǎo)，分析，推論。

③分組討論，學(xué)生代表上講臺(tái)板書講解。

設(shè)計(jì)意圖：介紹光量子假說提出時(shí)期的科學(xué)背景，讓學(xué)生更多地了解物理學(xué)不斷發(fā)展、不斷前進(jìn)的過程，同時(shí)，學(xué)習(xí)愛因斯坦的科學(xué)思想和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。一方面，板書講解可以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、思考，加深對(duì)內(nèi)容的理解；另一方面，板書講解也可鍛煉學(xué)生的邏輯分析、語(yǔ)言表達(dá)、板書書寫等各方面的能力。

（5）介紹密立根對(duì)光電效應(yīng)方程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

教師活動(dòng)：

①引導(dǎo)：愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了經(jīng)典的波動(dòng)理論，而且沒有更多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)支持光電方程給出的定量關(guān)系，所以，光量子假說還只能稱之為假說，要被承認(rèn)為真理，還需要精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。是誰(shuí)第一個(gè)驗(yàn)證了愛因斯坦的光電方程呢？是美國(guó)物理學(xué)家密立根。

介紹密立根為驗(yàn)證光電方程所做的工作，密立根花了十年時(shí)間做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，測(cè)出的h值與理論值完全一致，從而證明了光量子理論的正確性，圖片展示密利根發(fā)表的論文記錄的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線。

3.課后拓展

教師活動(dòng)：

①引導(dǎo)：“光電效應(yīng)”所講的光照射到金屬表面有電子逸出，這種光電效應(yīng)通常稱為外光電效應(yīng)，與之對(duì)應(yīng)的，還有內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)也有非常廣泛的應(yīng)用。比如，光敏電阻、CCD相機(jī)、光伏發(fā)電等。課后，請(qǐng)有余力的學(xué)生查閱資料了解內(nèi)光電效應(yīng)及其應(yīng)用。

②布置課后鞏固作業(yè)。

③推送相關(guān)文獻(xiàn)。

學(xué)生活動(dòng)：鞏固練習(xí)，跟帖討論，課后探究。

設(shè)計(jì)意圖：由外光電效應(yīng)擴(kuò)展至內(nèi)光電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移，并逐漸培養(yǎng)學(xué)生查閱資料，自主獲取知識(shí)的能力。

三、教學(xué)反思

課程教學(xué)依托SPOC平臺(tái)，采用導(dǎo)學(xué)研討式教學(xué)方法，實(shí)施起來(lái)較為順利。學(xué)生在課前預(yù)學(xué)的基礎(chǔ)上，到了課堂上，思維活躍，發(fā)言積極，討論熱烈，教學(xué)效果良好。但是，也反映出一些問題。比如，在分析波動(dòng)理論解釋光電效應(yīng)規(guī)律的困難時(shí)，學(xué)生表述不清，缺乏條理，反映出邏輯思維能力、表達(dá)能力較弱，還需要進(jìn)一步鍛煉。教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)教師介紹到的物理學(xué)家們的趣事表現(xiàn)出很大興趣，但是對(duì)物理學(xué)的傳承、發(fā)展，理論的形成過程關(guān)注度不夠，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握較為重視，但是對(duì)其中蘊(yùn)含的物理思維方法關(guān)注度不夠。這些都需要教師在教學(xué)過程中加強(qiáng)引導(dǎo)。大學(xué)物理的教學(xué)，不僅要傳授學(xué)生知識(shí)，而且更重要的是要培養(yǎng)、提高學(xué)生的能力與素質(zhì)。