高中原子物理教学案例分析

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摘要：现行高中物理教材中原子物理部分有些内容在高中阶段无法进行实验展示，利用科学可视化的技术手段来辅助高中原子物理内容的教学，使得原子物理中的一些现象、过程可以直观、动态、交互式呈现，从而让学生对原子物理学的相关概念规律的理解变的更加容易。

关键词：科学可视化；原子物理；教学探索

科学可视化（scientificvisualization）是指利用计算机图形学创建视觉图像，过对体、面等的逼真渲染（包括动态成分）帮助人们理解科学技术概念。

现行高中物理教材中原子物理部分较为详尽地阐述了原子的内部结构、相互作用等相关规律，但有些物理过程在高中阶段无法进行实验展示，利用科学可视化的技术手段来辅助高中原子物理内容的教学，使得原子物理中的一些现象、过程可以直观、动态、交互式呈现，可以让学生对原子物理学的相关概念规律的理解变的更加容易。下面举例说明。

一、案例1：科学可视化辅助光电效应实验规律的教学

对于光电效应的实验规律的教学，以往教师都是根据教材上的一幅静态的“研究光电效应的电路图”，按照纯讲述的方式向学生解释光电效应的产生机理、发生过程和相关概念及规律。而通过这种传统的教学方式介绍光电效应的实验规律，大多数学生对知识的理解和接受确实存在一定困难。笔者利用科学可视化技术制作成动态交互呈现的演示电路，用以“光电效应的实验规律”的阐述，达到了良好的教学效果。如图1所示，可以利用演示界面右边的控件来调整入射光的波长和强度；通过移动滑动变阻器的滑片来改变两极间电压；点击电池就能正负极对调。“光电效应的实验规律”动态交互演示具体操作如下。1．存在着饱和电流。在光照条件不变的情况下，即在演示界面上保持波长和强度一定，通过移动滑动变阻器的滑片来增加两极间的正向电压，我们可以看到电压表的示数变大、光电子运动变快、电流表示数变大（光电流增大），但当电流增加到一定值后，即使电压再增大，电流表示数也不再变大（光电流不再增大），即达到了饱和电流。在演示界面上保持波长不变，增大入射光的强度后，再重复上述操作，可以得出在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大这一结论。2．存在着遏止电压。在光照条件不变的情况下，即在演示界面上保持波长和强度一定，移动滑动变阻器的滑片至最左侧（两极间的正向电压零），但仍有光电子到达阳极，电流表示数不为零，形成光电流。点击电池使正负极对调（两极间加反向电压），可以看到光电子减速，到达阳极的光电子减少，电流表示数减小，光电流减小。移动滑动变阻器的滑片增大反向电压，可以看到光电子减速到更慢，到达阳极的光电子更少，电流表示数更小，光电流更小。逐渐增大两极间反向电压至某一值时，所有的光电子都不能达到阳极，恰好形成不了光电流，此时电流表示数为零，此时的反向电压即为遏止电压。在演示界面上保持波长不变，改变入射光的强度后，再重复上述操作，可以得出在光的颜色不变的情况下，无论入射光强弱如何，遏止电压都是一样的。3．存在着截止频率。在演示界面上保持入射光强度一定，正向电压一定，改变入射光的波长，当波长增加到某一值时，无论光强和正向电压再变大，都不再有光电子从阴极逸出，都不会形成光电流。说明入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。

二、案例2：科学可视化辅助物质波和概率波的实验验证教学

物质波和概率波的概念对于高中生来说比较抽象，不易理解。对于物质波和概率波的实验验证的认知则更为困难。因此，笔者利用科学可视化辅助物质波和概率波的实验验证教学，对帮助学生深刻理解其物理内涵起到了很好的作用。点击电子枪即可发射电子束，通过界面下方的控件可以改变电子束的发射速度。电子束穿过铝箔后在屏上形成衍射图样，枪、板、屏的视角可以通过拖拽界面进行调整，以便于观察图样的形成过程。点击电子枪即可发射电子束且形成波动，通过界面下方的控件可以改变发射出的电子数量。电子束穿过双缝后在屏上形成干涉图样。图2物质波的实验验证动态交互演示

三、结语

以上两个案例是笔者在原子物理教学中的有益的尝试。通过科学可视化的技术手段来辅助高中原子物理部分的教学，一定程度上有效地帮助教师突破了教学的难点，同时也使得学生对于概念的建立和规律的理解更为准确深刻。2018年4月教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》中明确指出：“全面提升师生信息素养，应用信息技术解决教学、学习、生活中问题的能力成为必备的基本素质”。如何利用信息化手段去促进教育教学，使信息化真正与教学深度融合，让技术服务于教学、服务于学生，需要我们新时期的一线教师亲身去践行。

作者:渠雷雷 单位:安徽省蚌埠第二中学