高中原子物理教學案例分析

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摘要：現行高中物理教材中原子物理部分有些內容在高中階段無法進行實驗展示，利用科學可視化的技術手段來輔助高中原子物理內容的教學，使得原子物理中的一些現象、過程可以直觀、動態、交互式呈現，從而讓學生對原子物理學的相關概念規律的理解變的更加容易。

關鍵詞：科學可視化；原子物理；教學探索

科學可視化（scientificvisualization）是指利用計算機圖形學創建視覺圖像，過對體、面等的逼真渲染（包括動態成分）幫助人們理解科學技術概念。

現行高中物理教材中原子物理部分較為詳盡地闡述了原子的內部結構、相互作用等相關規律，但有些物理過程在高中階段無法進行實驗展示，利用科學可視化的技術手段來輔助高中原子物理內容的教學，使得原子物理中的一些現象、過程可以直觀、動態、交互式呈現，可以讓學生對原子物理學的相關概念規律的理解變的更加容易。下面舉例說明。

一、案例1：科學可視化輔助光電效應實驗規律的教學

對于光電效應的實驗規律的教學，以往教師都是根據教材上的一幅靜態的“研究光電效應的電路圖”，按照純講述的方式向學生解釋光電效應的產生機理、發生過程和相關概念及規律。而通過這種傳統的教學方式介紹光電效應的實驗規律，大多數學生對知識的理解和接受確實存在一定困難。筆者利用科學可視化技術制作成動態交互呈現的演示電路，用以“光電效應的實驗規律”的闡述，達到了良好的教學效果。如圖1所示，可以利用演示界面右邊的控件來調整入射光的波長和強度；通過移動滑動變阻器的滑片來改變兩極間電壓；點擊電池就能正負極對調。“光電效應的實驗規律”動態交互演示具體操作如下。1．存在著飽和電流。在光照條件不變的情況下，即在演示界面上保持波長和強度一定，通過移動滑動變阻器的滑片來增加兩極間的正向電壓，我們可以看到電壓表的示數變大、光電子運動變快、電流表示數變大（光電流增大），但當電流增加到一定值后，即使電壓再增大，電流表示數也不再變大（光電流不再增大），即達到了飽和電流。在演示界面上保持波長不變，增大入射光的強度后，再重復上述操作，可以得出在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大這一結論。2．存在著遏止電壓。在光照條件不變的情況下，即在演示界面上保持波長和強度一定，移動滑動變阻器的滑片至最左側（兩極間的正向電壓零），但仍有光電子到達陽極，電流表示數不為零，形成光電流。點擊電池使正負極對調（兩極間加反向電壓），可以看到光電子減速，到達陽極的光電子減少，電流表示數減小，光電流減小。移動滑動變阻器的滑片增大反向電壓，可以看到光電子減速到更慢，到達陽極的光電子更少，電流表示數更小，光電流更小。逐漸增大兩極間反向電壓至某一值時，所有的光電子都不能達到陽極，恰好形成不了光電流，此時電流表示數為零，此時的反向電壓即為遏止電壓。在演示界面上保持波長不變，改變入射光的強度后，再重復上述操作，可以得出在光的顏色不變的情況下，無論入射光強弱如何，遏止電壓都是一樣的。3．存在著截止頻率。在演示界面上保持入射光強度一定，正向電壓一定，改變入射光的波長，當波長增加到某一值時，無論光強和正向電壓再變大，都不再有光電子從陰極逸出，都不會形成光電流。說明入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應。

二、案例2：科學可視化輔助物質波和概率波的實驗驗證教學

物質波和概率波的概念對于高中生來說比較抽象，不易理解。對于物質波和概率波的實驗驗證的認知則更為困難。因此，筆者利用科學可視化輔助物質波和概率波的實驗驗證教學，對幫助學生深刻理解其物理內涵起到了很好的作用。點擊電子槍即可發射電子束，通過界面下方的控件可以改變電子束的發射速度。電子束穿過鋁箔后在屏上形成衍射圖樣，槍、板、屏的視角可以通過拖拽界面進行調整，以便于觀察圖樣的形成過程。點擊電子槍即可發射電子束且形成波動，通過界面下方的控件可以改變發射出的電子數量。電子束穿過雙縫后在屏上形成干涉圖樣。圖2物質波的實驗驗證動態交互演示

三、結語

以上兩個案例是筆者在原子物理教學中的有益的嘗試。通過科學可視化的技術手段來輔助高中原子物理部分的教學，一定程度上有效地幫助教師突破了教學的難點，同時也使得學生對于概念的建立和規律的理解更為準確深刻。2018年4月教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》中明確指出：“全面提升師生信息素養，應用信息技術解決教學、學習、生活中問題的能力成為必備的基本素質”。如何利用信息化手段去促進教育教學，使信息化真正與教學深度融合，讓技術服務于教學、服務于學生，需要我們新時期的一線教師親身去踐行。

作者:渠雷雷 單位:安徽省蚌埠第二中學