大学物理实验课程思政教学设计

［摘 要］ 基于大学物理实验“光电效应测普朗克常量”，对其课程思政的教学设计进行了研究。在教学目标、教学方法、教学过程等方面进行了一些探索。在教学中融入思政元素，旨在培养学生的近代物理思想及创新的科学思维；培养学生为实现中华民族伟大复兴中国梦而奋斗的精神。同时，在课堂讲解中融入科学精神、社会主义核心价值观、唯物辩证法、团队协作精神等，以期实现价值塑造、知识传授和能力培养“三位一体”的教学目标，全面提高学生的综合素质，实现立德树人根本任务。

［关键词］ 大学物理实验；课程思政；光电效应；普朗克常量

［基金项目］ 2021年度安徽省教育厅质量工程项目课程思政示范课“大学物理实验”（2021kcszsfkc360）；2022年度合肥学院教研重点项目“在OBE教育理念和三全育人背景下大学物理实验课程体系的构建与实施”（2022hfujyzd07）；2022年度安徽省高校优秀青年人才支持项目“3d过渡金属离子掺杂调控下新型阻挫尖晶石材料的磁电性能研究”（gxyq2022071）

［作者简介］ 刘 慧（1983—），女，安徽宿州人，博士，合肥大学先进制造工程学院高级实验师，主要从事凝聚态物理工作研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）32-0144-05 ［收稿日期］ 2023-06-14

2020年6月，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，旨在把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量［1］。目前全国很多高校都在积极开展课程思政建设，深入挖掘各类课程中蕴含的思政元素，将其融入课程教学中，从而培养出以德为先、德才兼备的全面发展的现代化建设人才［2］。

“大学物理实验”是一门对学生进行科学实验基本训练的必修基础实验课程，对于培养学生的实验技能、分析解决问题的能力，以及提高学生的科学实验素质等方面，起着至关重要的作用［3］。“大学物理实验”课程可以使学生重现物理学史上重大的发现，更加深刻地理解物理学的基本原理，提升其观察能力、操作能力、分析解决问题的能力、创新能力。“大学物理实验”课程涉及了力学、热学、电磁学、光学及近代物理等多方面的内容，且与现实生活联系较为紧密，因此其中蕴含的思政元素特别广泛，易于挖掘，有利于开展课程思政建设。首先，“大学物理实验”是一门重要的公共基础课，覆盖面广，涉及理工农医类甚至文科等各专业的学生，在其中实施课程思政使学生受益面更加广泛。其次，“大学物理实验”课程蕴含了丰富的思政元素融入点，如物理学家的故事、科技的发展、公式的推导、定理的应用以及与实际生活的联系等，都可以挖掘出思政元素。再次，“大学物理实验”课程一般安排在大一下学期和大二上学期，此时正是大学的初期阶段。大学阶段是学生世界观、人生观和价值观形成的关键时期，在大学初期对学生进行价值塑造和思想启迪，有利于使学生树立正确的“三观”，增强学生的历史使命感和社会责任感［4］。因此在“大学物理实验”课程中开展课程思政具有十分重要的意义。

近年来，在课程思政背景下，高校教师对“大学物理实验”教学进行了诸多探索。陈琳等［5］研究了“大学物理实验”课程思政元素的挖掘与应用，并进行了光电效应测普朗克常数的教学设计；樊代和等［6］以迈克耳孙干涉实验为例，探讨了基于课程思政的“大学物理实验”课程教学案例；刘欣等［7］将思政教育融入“大学物理实验”课程的教学方法并进行了分析，提出了多种融入课程思政的路径；红兰等［8］从整体课程设计入手，系统讨论了课程思政融入“物理实验”教学的改革过程，并对“物理实验”课堂教学中思政元素的切入点进行探索性研究；吴卫华等［9］以“硅半导体太阳能电池特性实验”为例，探讨了课程思政在“大学物理实验”教学改革中的探索；岳平等［10］对分光计实验教学中的课程思政进行了探索和实践；冯中营等［11］以太原工业学院为例，探讨了思政元素在“大学物理实验”课程教学中的融入。本文以大学物理实验中的近代物理实验“光电效应测普朗克常量”实验为例，进行课程思政教学设计。

一、教学分析

（一）教学目标

将教学目标分为课程目标和思政目标。课程目标为了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解；验证爱因斯坦光电方程，测定普朗克常量。思政目标为培养精益求精的科学精神，强化科技强国理念。

（二）教学方法

教学方法采用“互联网+PBL”教学法，通过提出问题让学生自主探究学习，课堂讲授与演示实验相结合，辅助分组讨论法，引导学生积极思考。做到线上与线下相融合、课内与课外相融合、理论与实践相融合、德育与智育相融合。

二、教学过程

（一）课前预习

课前预习是提高学习效率的一个重要措施，教师课前在学习通中发布预习任务：光电效应的发展历程？学生通过查找资料发现，1887年赫兹发现了光电效应，但并未成功解释其中的实验规律；1900年普朗克提出了量子论及普朗克常量，获得1918年诺贝尔物理学奖；1905年爱因斯坦在理论上提出光电效应方程，解释了光电效应的实验规律，获得1921年诺贝尔物理学奖；1916年密立根在实验上证实了光电理论的正确性，获得1923年诺贝尔物理学奖。让学生体会到科学的发展不是一蹴而就的，人们对光电效应的认识经历了一个漫长的过程，需要很多科学家持之以恒、坚持不懈的努力探索，才有了今天我们对科学的认识，“前人栽树后人乘凉”。这让学生体会科学家精益求精的科学精神、不墨守成规的批判性思维以及创造性的科学方法。课前预习可以培养学生的阅读、理解、分析、综合等多种能力；培养学生的自主学习能力及良好的学习品质；激发学生的探索求知欲，使其在寻常中发现不寻常。

（二）课中讲解

新课导入部分，在上课之前先请学生观看资料图片（见图1）。2023年5月30日，神舟十六号载人飞船与我国空间站对接，也就是在那一天，神舟十六号与神舟十五号航天员顺利完成太空会师。这标志着我国载人航天工程迈入了一个崭新的发展阶段，那就是载人航天工程迈入了从建设向应用、从投入向产出转变的重要一步。纵观中国载人航天数十年的发展历程，是一部不断学习、自主创新、自我超越、勇攀高峰的历史，是一部矢志践行航天报国之志的历史。通过神舟系列载人宇宙飞船坚定学生的科技强国理念，为实现中华民族伟大复兴中国梦而团结奋斗。仔细观察宇宙飞船，会发现其两边有一对小翅膀，飞船飞行时小翅膀会打开。提出问题：宇宙飞船两边的小翅膀是什么？它有什么作用？两边的小翅膀就是太阳能电池板，它是把太阳能转化为电能的装置，为航天员在太空中的工作和生活提供能源。太阳能转化成电能就是光生电的现象，光生电在物理中被称为光电效应。引出光电效应的定义，要求学生区分内光电效应和外光电效应。本节课主要讲解外光电效应：一定频率的光照射到金属上，会有电子从其中溢出的现象。其中溢出的电子称为光电子，形成的电流称为光电流。课堂主要从背景及意义、实验设计思想、实验内容及注意事项等几个方面进行讲解。

在背景和意义方面，再次提问学生与实验相关的物理学家或物理学史，点拨学生养成良好的科学品格。值得一提的是，在测量普朗克常量的过程中也有我国科学家的贡献。我国科学家叶企孙和导师用X射线精确测量了普朗克常量，他们改进了X射线分光计，提高X射线的强度，用了较窄的狭缝，极大提高了测量精度。他们测量的普朗克常量为h=（6.556±0.009）×10-34J·s（焦耳·秒），被物理学界沿用了16年之久。让学生体会我国科学家在普朗克常量测量过程中所做的贡献，增强学生的民族自豪感和历史使命感。接着讲解光电效应的应用意义。在实践中，光电效应最重要的应用是制作光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管、光敏电阻等，在航天、公安、光谱测量及控制领域都得到了广泛的应用。光电器件已成为生活、生产和科研中不可缺少的器件，在科学技术中得到了广泛的应用。让学生体会到科技的进展与知识的力量。

在实验设计思想方面，讲解如何用光电效应测量普朗克常量［3］。首先，介绍光电效应的四条实验规律：红限频率、瞬时效应、频率关系和强度关系。提出经典物理在解释红限频率、瞬时效应、频率关系遇到困难时，量子物理应运而生。每当理论与实践产生矛盾时，新的理论便会诞生。其次，介绍爱因斯坦光电方程，爱因斯坦根据普朗克提出的量子论受到启发，提出光量子（光子）的假说。假设光在传播的过程中，能量不是连续的，而是一份一份的，一份能量就称为一个光量子，简称光子。一个光子把能量hν传递给了一个电子，电子获得能量之后，一部分克服逸出功W，另一部分转化为电子的动能    mu2（见图2）。爱因斯坦光电方程便是能量守恒的方程。让学生体会近代物理的思想——光的量子性思想。让学生分组讨论如何用爱因斯坦光电方程解释光电效应的四条实验规律并进行观点分享。小组讨论可以培养学生的团结协作精神，活跃学生的思维，让人人都参与到课堂中，人人都体会到获取知识的喜悦。最后，介绍减速电位法测普朗克常量。一个理论的提出必须经过实验的验证，光电方程提出以后，很多科学家都试图反驳爱因斯坦的观点。密立根提出一种创新性的方法——减速电位差，成功验证了爱因斯坦光电方程并测出了普朗克常量（见图3）。让学生感受科学家勇于创新、坚持不懈、锲而不舍的精神。

讲完实验设计思想之后进行提问。用学习通里面的选人功能提问：一个光子的能量是多少？用学习通里面的主题讨论功能讨论：入射光的光强对截止电压有无影响？为什么？用学习通里面的分组任务功能进行分组讨论：为什么饱和光电流与光强成正比而与频率无关？让学生主动思考，真正参与到课堂教学中，提高学生在教学过程中的参与度。

（三）操作指导

一个实验不仅要理解其中的理论，还要明白如何操作，只有实践才是检验真理的唯一标准，让学生明白实验中要做到知行合一。知识只有在实践中得到应用，才能体现其价值。本实验所用实验仪器为ZKY-GD-4智能型光电效应实验仪。教师为学生演示仪器的操作过程，注意手动测试与自动测试的区别，引导学生思考并讲解注意事项：调零时务必把微电流输入端断开；更换滤光片时，应先将光源遮盖住；实验结束时，应盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖；请勿将电流数据“溢出”当作电流为零。实事求是地记录实验数据。在学习中，我们要诚信对待实验课，如实记录数据；在考试中，要有诚信精神；以后读研读博，走上科研道路，更要践行科研诚信。在生活中更要如此，诚信是社会主义核心价值观的一个重要内容。

（四）学生操作

教师讲解完之后让学生自己操作并记录数据，教师随堂指导。实践出真知，科学离不开实践。实验是人类认识大自然的基本途径之一，也是科学教学中基本有效的方法，更是实施素质教育、培养创新意识、提高实践能力的途径。它有利于提升学生的探究能力、创新能力、科学思维能力，培养学生严谨求实的科研态度和精益求精的科学作风。实验结束之后要求学生整理实验仪器。教学是教师和学生双边活动的过程，包含教师善教和学生乐学。教师要有目标、有启发、有新知、有故事，学生要有兴趣、有参与、有思考、有收获。

（五）随堂测试

教师在学生操作结束之后抽查部分学生，对实验原理及实验操作进行随堂就地测试。随堂测试形式多种多样，可以采用师生问答形式、组间问答形式、小组抢答形式、实际操作形式等。教师只有在和学生的多种互动中，以学生为主体进行思维碰撞和交流，才能及时掌握学生的学习情况和自己的教学状况。可以采取积分制，活跃课堂气氛。

（六）课后讨论

教师在学习通平台上发布分组讨论。例如：实验中采取哪些措施可以减小测量截止电压的误差？如何用此仪器测量在特定单色光入射情况下，光电管的伏安特性曲线？如何设计实验，验证“光电管的饱和光电流与入射光强度成正比”？学生分组讨论并完成平台上的思考与讨论题。课后采取分组讨论的方式，加强组内合作。学生在自主学习、交流拓展的过程中提高交流、沟通、思考及团队协作能力。