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【高中物理教学论文】核心素养下的高中物理实验资源开发应用研究——以自制“光电效应”教具为例
【摘 要】在分析人教版高中物理“光电效应”教学难点及现有实验器材局限性的基础上，阐述自制教具“光电效应演示仪”的设计思路、使用方法与创新点。该教具通过采用RGB灯泡、数字仪表及优化电路，有效解决了传统仪器在探究遏止电压、饱和光电流时现象不明显、数据误差大等问题。在教学中，通过问题链引导和分组实验，利用该教具有效探究了光电效应的主要实验规律，并结合Excel进行数据处理，帮助学生突破了教学难点。实践证明，基于核心素养导向的教学设计，不仅能有效提升学生的科学探究能力与学科核心素养，更为同类课题的教学提供了可借鉴的实践范式。
【关键词】自制教具；光电效应；核心素养；实验资源开发
光的粒子性的发现过程
人教版高中物理选择性必修三第4章第2节为“光电效应”，新课标对其的具体要求是：通过实验，了解光电效应现象，知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，能根据实验结论说明光的波粒二象性 。该节由光电效应的实验规律、光电效应解释中的疑难问题和爱因斯坦的光电效应理论共3个部分组成，不仅内容抽象，而且难度较大。该节的相关知识是第4章的重点内容，也是认识光的粒子性的重要依据。该节课的授课对象是高二学生，他们已经了解了普朗克的量子化观点、光子的概念等知识点，这对学习有一定的帮助。同时，通过该节课的学习，可以为后面学习康普顿效应和光的粒子性打下基础。
由于该节课的抽象概念较多，而现有演示实验仪器的功能不足，学生只能较为被动地接受抽象的概念，学习效果不佳。为突破教学难点，笔者利用课余时间自制了一款光电效应教具并用于教学。从达成核心素养的角度看，该自制教具的教学设计思路具有一定的可取性。
1 教材实验、教具及改进说明
1.1 教材实验
把一块锌板与验电器连接，用毛皮摩擦橡胶棒，用橡胶棒使锌板带上负电，同时验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，可以观察到验电器指针张角变小，这说明有电子从锌板逸出，发生了光电效应。若严格按照人教版高中物理教材的实验装置进行演示，往往难以保证实验成功。主要原因包括：空气湿度较大、验电器存在漏电现象，以及绝缘性不佳导致电荷流失过快等。这些原因使得验电器指针的偏转角度极小，实验现象不明显。
1.2 教师常用的演示实验仪器
课堂上，教师大多采用J25109光电效应演示器进行演示。实践发现，该装置存在以下不足：①电路无法提供反向电压，则无法探究反向遏止电压的影响因素；②无法多次改变光的频率，导致光源颜色单一；③无法通过改变光强来探究光强与饱和光电流之间的关系；④无法改变正向电压的大小探究饱和光电流的特点；⑤灵敏电流计虽然可以观察电流流向的变化，但在精确量化方面存在困难。受限于以上问题，大多数教师只能采取“先灌输知识，再通过练习强化”的教学模式，导致学生被动接受知识，学习效率低下。
1.3 文献中的自制教具
鉴于以上原因，很多教师对现有设备进行了优化，以期解决教学过程中遇到的关键问题。笔者列举以下两个实例，并分析其改进情况。
周连鹏自制了光电效应演示仪，其电路简单，现象直观，有助于学生清晰理解实验原理。还需进一步改进之处：电流表、电压表的读数较为不便，没有利用信息技术辅助教学；正向、反向电压的切换需要设计得更为方便，以利于学生理解。童有彩等自制实验装置，其缺点是实物连接有些混乱，不利于学生正确操作；优点是利用电流传感器和电压传感器可采集光电流随电压变化的图像并呈现在电脑上，便于学生分析实验结论。
2 自制教具介绍
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2.1 实验教学目标
(1) 物理观念：了解光电效应的实验规律，掌握光电效应中的截止频率、遏止电压、饱和光电流、光电子的最大初动能等概念；理解光电效应具有瞬时性，应用爱因斯坦光电效应方程解释相关现象。
(2) 科学思维：培养学生基于爱因斯坦的光量子假说解释光电效应实验规律的能力；理解光电效应的成功解释确立了光具有粒子性的思想。...
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