李莉 張師平 裴藝麗 謝子昂 陳森 吳平

摘 要 物理實(shí)驗(yàn)具有天生的“思政”教育屬性，可以幫助學(xué)生樹立愛國情懷，為培養(yǎng)學(xué)生客觀進(jìn)取、實(shí)事求是的世界觀和人生觀奠定基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量人才培養(yǎng)的目標(biāo)，我們提出了物理實(shí)驗(yàn)的反溯效教學(xué)法，將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)新發(fā)展引入物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生探索欲和創(chuàng)造欲的同時，深挖物理實(shí)驗(yàn)中的思政元素，以此打通前沿科技發(fā)展、基本物理原理與現(xiàn)象、課程價值引領(lǐng)之間的聯(lián)系，探索了物理實(shí)驗(yàn)的知識傳授、能力提高與價值塑造三位一體的育人模式。本文以霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，探索了基于反溯效教學(xué)法的思政元素融入物理實(shí)驗(yàn)課程的方法。

關(guān)鍵詞 物理實(shí)驗(yàn);課程建設(shè);課程思政;反溯教學(xué)法

2017年2月，中共中央、國務(wù)院《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)新形勢下高校思想政治工作的意見》[1]提出，堅持全員全過程全方位育人。2020年5月，教育部頒發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量這一核心要務(wù)為主線，部署高校結(jié)合學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)全面推進(jìn)課程思政建設(shè)。因此，如何將思想政治教育貫穿教育教學(xué)全過程，立德樹人的同時提高人才培養(yǎng)能力，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，是當(dāng)前國內(nèi)各個高校普遍關(guān)注、熱烈討論并積極開展教學(xué)實(shí)踐的一個重大課題[2]。

物理實(shí)驗(yàn)課程是高等學(xué)校理工科類專業(yè)對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程[3]。物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有很強(qiáng)的邏輯性、思想性和方法性，蘊(yùn)含著樸素但深刻的辯證唯物主義思想，物理實(shí)驗(yàn)過程很多是人類物理知識獲得過程的濃縮再現(xiàn)過程，在引導(dǎo)學(xué)生掌握理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)結(jié)合的意識和方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等方面具有明顯優(yōu)勢[4]。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與思政教育目標(biāo)一致，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生思想道德品質(zhì)十分必要性并且切實(shí)可行[5]。因此，物理實(shí)驗(yàn)課程在全面推進(jìn)課程思政建設(shè)中應(yīng)積極作為、主動作為、創(chuàng)新作為。

本文以北京科技大學(xué)吳平教學(xué)團(tuán)隊(duì)提出反溯教學(xué)法為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)新發(fā)展引入物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，同時深挖物理實(shí)驗(yàn)中的思政元素，打通前沿科技發(fā)展、基本物理原理與現(xiàn)象、課程價值引領(lǐng)之間的聯(lián)系，探索了物理實(shí)驗(yàn)的知識傳授、能力提高與價值塑造三位一體的育人模式。

1 物理實(shí)驗(yàn)課程思政的先天優(yōu)勢

物理實(shí)驗(yàn)在融入課程思政教育方面具有獨(dú)特的先天優(yōu)勢。充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)勢，深入挖掘這些資源，自然融入教學(xué)過程，既有利于高質(zhì)高效完成物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，又有利于對學(xué)生的思想價值引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的課程思政。

1.1 物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)于學(xué)生思想價值引領(lǐng)的關(guān)鍵時期

物理實(shí)驗(yàn)課程是高等學(xué)校理工科類專業(yè)對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端[3]，面向各高校理工科大學(xué)低年級學(xué)生開設(shè)。而這些年級的學(xué)生正處于樹立思想、形成人生觀和世界觀的關(guān)鍵年齡與黃金時期。為抓住這段關(guān)鍵時期，實(shí)現(xiàn)全過程全方位育人，急需物理實(shí)驗(yàn)課程積極主動地充分發(fā)揮它的思想價值引領(lǐng)作用。

1.2 物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容充分體現(xiàn)了“格物致理”的過程

物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容涵蓋力、熱、光、電和近代物理等諸多分支學(xué)科，知識覆蓋面寬，學(xué)生受益面廣，兼具理論與實(shí)踐相結(jié)合、創(chuàng)新與應(yīng)用相結(jié)合的特征和優(yōu)點(diǎn)。不僅僅教給學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)知識、培養(yǎng)動手能力，也能帶給學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)思維。通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析、對物理量的測量與計算，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。在每一個物理實(shí)驗(yàn)中都涉及一些物理方法與思想，了解這些方法與思想，有利于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知問題、提出問題與解決問題的能力，為學(xué)生適應(yīng)科技進(jìn)步和社會發(fā)展變化奠定了必要的基礎(chǔ)。

1.3 物理實(shí)驗(yàn)課程天然具有豐富的思政內(nèi)涵

物理實(shí)驗(yàn)中許多成就本身即是人類實(shí)現(xiàn)價值理想的成果，體現(xiàn)了人類追求真理、不斷超越的精神品質(zhì)內(nèi)涵。例如，科學(xué)家們?yōu)榭茖W(xué)發(fā)展而拼搏的奉獻(xiàn)精神，不貪圖功名利祿的精神和愛國情懷以及民族自豪感;在研究中勇于創(chuàng)新、不畏權(quán)威、鍥而不舍的探索精神;物理實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、誠實(shí)守信、團(tuán)結(jié)協(xié)作的專業(yè)操守[6]。此外，物理實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)研究物質(zhì)運(yùn)動及其規(guī)律，其研究內(nèi)容和對象，與辯證唯物主義哲學(xué)的物質(zhì)觀及其運(yùn)動觀有著密不可分的聯(lián)系。物理實(shí)驗(yàn)自然蘊(yùn)含著的馬克思主義哲學(xué)思想，有助于培養(yǎng)學(xué)生的哲學(xué)思維，樹立科學(xué)的世界觀和方法論。

同時，物理實(shí)驗(yàn)課程還可以培養(yǎng)學(xué)生的思想道德素質(zhì)和愛國主義情感。改革開放以來，我國物理學(xué)家們犧牲個人利益，紛紛投身祖國的科研事業(yè)。“兩彈一星”、載人航天、月球探測、深海載人潛水、建造空間站與太空實(shí)驗(yàn)室等顯著成績，增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心和自豪感，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷，培養(yǎng)學(xué)生為中國崛起努力學(xué)習(xí)的熱情[7]。

2 反溯教學(xué)法

為切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量，我們提出了物理實(shí)驗(yàn)圖1 在物理實(shí)驗(yàn)中融入思政元素的設(shè)計方案的反溯教學(xué)法，即以學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)為目標(biāo)，注重學(xué)生未來發(fā)展的實(shí)際需求，將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)新發(fā)展引入物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。反溯教學(xué)法的基本思想，是從前沿科技發(fā)展及應(yīng)用反溯其基本物理學(xué)概念、原理和現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的探索欲和創(chuàng)造欲，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)能力，充分挖掘課程潛力，讓學(xué)生從“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。同時，在尊重物理實(shí)驗(yàn)課程自身建設(shè)規(guī)律的前提下，堅持“課程承載思政”和“思政寓于課程”的理念，分析物理實(shí)驗(yàn)涉及的社會背景、深刻影響與前沿科技應(yīng)用，尋找激發(fā)學(xué)生愛國情懷，增強(qiáng)法治意識、社會責(zé)任與人文精神的事例，將思想政治教育元素自然融入物理實(shí)驗(yàn)的反溯教學(xué)過程中，加強(qiáng)課程的價值引領(lǐng)作用。

由此，基于反溯教學(xué)法充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)課程思政的先天優(yōu)勢，打通在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中高新技術(shù)新發(fā)展、基本物理原理與現(xiàn)象、課程價值引領(lǐng)之間的聯(lián)系，在知識、方法、思想與精神協(xié)調(diào)統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，激起學(xué)生的好奇心和興趣，也讓學(xué)生切實(shí)體會到基本物理原理和現(xiàn)象是新技術(shù)發(fā)展的重要源泉，有助于切實(shí)有效地達(dá)成教書育人的教學(xué)目標(biāo)。

3 基于反溯教學(xué)法的霍爾效應(yīng)思政實(shí)例

基于反溯教學(xué)法的思想，我們對物理實(shí)驗(yàn)課程體系與內(nèi)容進(jìn)行了全面的建設(shè)和深化，構(gòu)建了一整套大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)范式，在課程體系建設(shè)、學(xué)生能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)等諸多方面均發(fā)揮了重要作用。在本文中，將以霍爾效應(yīng)為例，介紹基于反溯效教學(xué)法的思政元素融入物理實(shí)驗(yàn)課程的探索與實(shí)踐。

3.1 案例設(shè)計思路

物理實(shí)驗(yàn)融入思政元素的設(shè)計思路如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中知識傳授、能力提高與價值塑造協(xié)調(diào)統(tǒng)一，首先，需要充分挖掘霍爾效應(yīng)的思政元素。如通過講述霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的歷史背景與發(fā)展沿革歷程，使學(xué)生知曉本實(shí)驗(yàn)的必要性和歷史價值，讓學(xué)生了解更加豐富的物理知識和背景，從而拓寬視野，培養(yǎng)創(chuàng)新精神;通過了解霍爾效應(yīng)領(lǐng)域中科學(xué)家的貢獻(xiàn)與事跡，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和愛國情懷;通過介紹霍爾效應(yīng)的前沿高新技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力，調(diào)動學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新精神;通過體會并實(shí)踐霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的崇尚實(shí)踐、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是等科學(xué)素養(yǎng)。

其次，以霍爾效應(yīng)為主線，充分挖掘每一教學(xué)環(huán)節(jié)中可利用節(jié)點(diǎn)，以將思政元素融入教學(xué)全過程。以線上SPOC課程與線下實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合的教學(xué)模式，在課前預(yù)習(xí)、課上講解與實(shí)踐、課后撰寫實(shí)驗(yàn)報告、課后復(fù)習(xí)與課后拓展各個環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生反溯回其中蘊(yùn)含的基本物理學(xué)概念、原理和物理現(xiàn)象，潛移默化融入相關(guān)的思政內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)立德樹人潤物無聲。

最后，采取適當(dāng)?shù)某煽冊u定方法，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新活動。如鼓勵學(xué)生參加本科生科技創(chuàng)新、物理實(shí)驗(yàn)競賽等，訓(xùn)練運(yùn)用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，以期培養(yǎng)能學(xué)以致用、用以促學(xué)、學(xué)用相長、知行合一的高質(zhì)量創(chuàng)新型人才。

3.2 霍爾效應(yīng)中典型的思政元素

3.2.1 霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)與發(fā)展沿革中的科學(xué)精神

霍爾效應(yīng)的原理如圖2所示。當(dāng)霍爾電流IS垂直于外加磁場B 通過半導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生附加電場，使半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，即霍爾電壓VH。

自19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)后，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)、量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)等，該領(lǐng)域一共產(chǎn)生了三個諾貝爾物理學(xué)獎。隨著時代的發(fā)展，越來越多的霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，從而推動了物理學(xué)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。教師在講這部分內(nèi)容時，不僅可以講霍爾效應(yīng)的內(nèi)容，也可以適當(dāng)?shù)赝卣菇榻B霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的歷史背景與發(fā)展沿革歷程[8-11]，讓學(xué)生了解更加豐富的物理知識和背景，從而拓寬他們的視野，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

經(jīng) 典霍爾效應(yīng)。1879年，24歲的霍爾是霍普斯金大學(xué)羅蘭教授的研究生。當(dāng)時還沒有發(fā)現(xiàn)電子，也沒有人知道金屬中導(dǎo)電的機(jī)理， 科學(xué)家們對很多問題持有不同的看法。經(jīng)典電磁理論的創(chuàng)始人麥克斯韋認(rèn)為“在磁場中的通電導(dǎo)體受到的機(jī)械力不是作用于電流上，而是作用在導(dǎo)體上的”。然而，瑞典物理學(xué)家愛德朗則認(rèn)為磁場作用在固定導(dǎo)體中的電流上，與作用在自由移動的導(dǎo)體上是完全相同的。發(fā)現(xiàn)兩位學(xué)術(shù)權(quán)威的觀點(diǎn)不一致，霍爾萌生了疑問，在與羅蘭教授討論后，決定通過實(shí)驗(yàn)研究通電導(dǎo)體在磁場中的受力情況。

經(jīng)歷了前期反復(fù)的失敗，認(rèn)真分析、調(diào)整實(shí)驗(yàn)思路后，他大膽想象把導(dǎo)體中的電流類比為管道中的水流，并通過較高精確的實(shí)驗(yàn)測量，成功證實(shí)了自己的想法。最終，有了霍爾效應(yīng)這一偉大的發(fā)現(xiàn)。

經(jīng)典霍爾效的發(fā)現(xiàn)過程可以說明，沒有質(zhì)疑精神就沒有科學(xué)的發(fā)展。面對麥克斯韋這樣偉大的物理學(xué)家，霍爾沒有盲從、敢于質(zhì)疑、獨(dú)立思考，以實(shí)踐作為檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。他緊跟科學(xué)發(fā)展前沿，虛心請教，不畏挫折，始終朝著既定目標(biāo)堅持不懈。在當(dāng)時洛倫茲的經(jīng)典電子論還未建立之時，霍爾敢于大膽想象，當(dāng)實(shí)驗(yàn)失敗后勇于創(chuàng)新，善于運(yùn)用類比的方法，以其超強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Λ@得了實(shí)驗(yàn)的成功[11， 12]。在教學(xué)過程中，融入霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)過程以及科學(xué)家霍爾的科學(xué)精神，可以讓學(xué)生體會與領(lǐng)悟到學(xué)習(xí)不但要敢于質(zhì)疑，更需要追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、不怕失敗、堅持到底的精神，同時創(chuàng)新的思維和正確的方法也是成功的關(guān)鍵[12]。

霍爾效應(yīng)的發(fā)展沿革。霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們在這一領(lǐng)域的研究興趣，霍爾效應(yīng)的三個副效應(yīng)，即埃廷斯豪森效應(yīng)、能斯特效應(yīng)和里吉勒迪克效應(yīng)，相繼被發(fā)現(xiàn)。此后，磁現(xiàn)象研究取得了許多突破性的進(jìn)展[8]：

① 量子霍爾效應(yīng)：因在極低溫度、強(qiáng)磁場中的半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，德國物理學(xué)家克利青榮獲1985年度諾貝爾物理學(xué)獎;2018年，復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢課題組首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，并在國際權(quán)威期刊《自然》發(fā)表了研究成果《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應(yīng)》;2019年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)喬振華課題組與南方科技大學(xué)張立源課題組首次驗(yàn)證了三維量子霍爾效應(yīng)，并在《自然》期刊上發(fā)表了研究成果。

② 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)：繼發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)之后，因在更低溫度、更強(qiáng)磁場下發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，使得人們對量子現(xiàn)象的認(rèn)識更進(jìn)了一步，美籍華裔物理學(xué)家崔琦、美籍德裔物理學(xué)家施特默、和美國物理學(xué)家勞克林榮獲1998年度諾貝爾物理學(xué)獎。這也是繼楊振寧、李政道等之后又一位獲得諾貝爾物理學(xué)獎的華裔科學(xué)家。

③ 量子反?；魻栃?yīng)：1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，即量子反常霍爾效應(yīng);2010年，我國理論物理學(xué)家方忠、戴希等與復(fù)旦校友、美國斯坦福教授張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。德國、美國、日本等有多個世界一流研究組受到啟發(fā)，在實(shí)驗(yàn)上尋找量子反?；魻栃?yīng)，但均未取得突破。2013 年，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成功在實(shí)驗(yàn)上首次觀測到了量子反?；魻栃?yīng)，薛其坤院士獲得了2020年度菲列茲·倫敦獎。

④ 半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)：因在石墨烯中發(fā)現(xiàn)了半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，兩位英國科學(xué)家而榮獲了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

⑤ 自旋霍爾效應(yīng)：2004年美國加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校Awscha-lom 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了自旋霍爾效應(yīng)。

⑥ 量子自旋霍爾效應(yīng)：2006年， 復(fù)旦校友、美國斯坦福教授張首晟成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2007年與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應(yīng)”的研究?！傲孔幼孕魻栃?yīng)”是美國《科學(xué)》雜志評出的2007年十大科學(xué)進(jìn)展之一。

發(fā)展才是硬道理，現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步高度依賴于科學(xué)的發(fā)展，而創(chuàng)新更是科學(xué)發(fā)展的源泉，科學(xué)需要創(chuàng)新精神。正是由于科學(xué)家們堅持不懈地探索與創(chuàng)新才會有霍爾效應(yīng)領(lǐng)域中這些新成就的取得[12]。通過講述霍爾效應(yīng)的發(fā)展沿革過程，可以啟發(fā)學(xué)生理解事物辯證發(fā)展的觀點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生熱愛科學(xué)、積極探索、勇于創(chuàng)新，激勵其刻苦奮斗、努力學(xué)習(xí)，為科技發(fā)展與人類進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

3.2.2 霍爾效應(yīng)發(fā)展過程中科學(xué)家的貢獻(xiàn)與情懷

物理學(xué)家認(rèn)識自然和世界的歷程中充滿內(nèi)涵豐富的科學(xué)實(shí)踐，其中不僅包含豐富的科學(xué)知識，也包含了大量的科學(xué)精神和人文思想[6]。在講解霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)及發(fā)展沿革過程中，著重講述我國科學(xué)家的貢獻(xiàn)與事跡，可以增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和愛國情懷。

華裔科學(xué)家崔琦因發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)獲得了1998年諾貝爾物理學(xué)獎，而在該領(lǐng)域甚至整個物理學(xué)界都沒有中國籍物理學(xué)家獲得過諾貝爾物理學(xué)獎。為此，我國物理學(xué)家們正在不斷地探索;三維量子霍爾效應(yīng)對測量條件、材料體系的要求異常苛刻，一直是科學(xué)家們未能突破難題。

2018年，復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢課題組首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)喬振華課題組與南方科技大學(xué)張立源課題組在有磁場的情況下對五碲化鋯晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首次驗(yàn)證了“三維量子霍爾效應(yīng)”，并發(fā)現(xiàn)了全新的物態(tài)和機(jī)制[11];量子反常霍爾效應(yīng)不同于量子霍爾效應(yīng)，自1988年起不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上卻沒有取得任何進(jìn)展。清華大學(xué)薛其坤團(tuán)隊(duì)一直致力于反常量子霍爾效應(yīng)的研究，經(jīng)過堅持不懈的努力，在2013年首次實(shí)驗(yàn)觀測到反常量子霍爾效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)有望突破摩爾定律的瓶頸，可能推進(jìn)信息技術(shù)巨大的突破， 也讓中國科學(xué)界站在了下一次信息革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[12]。之后，薛其坤團(tuán)隊(duì)將觀測溫度從30mK 提高到2K左右，進(jìn)一步提高了量子反?；魻栃?yīng)的觀測溫度。這是許多拓?fù)淞孔有?yīng)走向應(yīng)用的關(guān)鍵因素[13]。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，薛其坤獲得2020年度菲列茲·倫敦獎。

從分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到反常量子霍爾效應(yīng)的驗(yàn)證，華裔科學(xué)家與中國本土科學(xué)家們憑借堅持不懈、精益求精、追求極致的科研精神取得了巨大的成功，也使我國在相關(guān)領(lǐng)域中取得了高新技術(shù)上的突破。在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，教師可以向?qū)W生講述崔琦、修發(fā)賢、張立源、張首晟、薛其坤等華人物理學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究成果，以中國的科技進(jìn)步，弘揚(yáng)了愛國精神，提升民族自豪感。

3.2.3 霍爾效應(yīng)的科學(xué)前沿應(yīng)用，提升社會責(zé)任感

霍爾效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它為半導(dǎo)體材料的參數(shù)、磁場、無損檢測等提供了一種精確測量的途徑?；魻杺鞲衅魇瞧涞湫蛻?yīng)用，可以將位移、角度、轉(zhuǎn)速、壓力、液位等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量進(jìn)行測量，廣泛應(yīng)用于自動控制裝置、電測量和高新信息技術(shù)等方面[9]。教師可以介紹有關(guān)霍爾效應(yīng)的前沿研究動態(tài)以及在科技上的應(yīng)用，既能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新精神，又能引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生明白該領(lǐng)域還有很多值得探索的東西，進(jìn)而培養(yǎng)他們遠(yuǎn)大的志向。

測量磁場。利用霍爾效應(yīng)可以制造測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的精密儀器———高斯計（又稱毫特斯拉計）。高斯計的探頭是一個霍爾元件，在它的里面是一個半導(dǎo)體薄片。探頭在磁場中因霍爾效應(yīng)而產(chǎn)生霍爾電壓，測出霍爾電壓后根據(jù)霍爾電壓公式和已知的霍爾系數(shù)可確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。高斯計主要用于測量磁性材料的均勻磁場、表面磁場、永磁電機(jī)磁場、電磁鐵磁場以及交變磁場的檢測。例如，圖3所示的測量磁性納米粒子（MNP）的場分布，用于研究磁性納米粒子（MNP）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的靶向控制;調(diào)控磁場強(qiáng)度的大小與方向，對磁性納米機(jī)器人做定向?qū)Ш降?。在人造衛(wèi)星系統(tǒng)中，對星際磁場及衛(wèi)星外層空間磁場進(jìn)行檢測，有利于火箭發(fā)射及衛(wèi)星控制。

霍爾傳感器。以霍爾效應(yīng)原理構(gòu)成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件通稱為霍爾效應(yīng)磁敏傳感器，簡稱霍爾傳感器，可以精確測量力、位移、壓差、角度、振動、轉(zhuǎn)速、加速度等各種非電學(xué)量。例如，電動跑步機(jī)上安裝霍爾速度傳感器，用于人因意外跌倒后機(jī)器的緊急停止;如圖4所示，汽車上的汽車霍爾傳感器，用于電池檢測、動力控制、車身穩(wěn)定性控制、牽引力控制、安全氣囊系統(tǒng)及防抱死制動系統(tǒng)等;姿態(tài)傳感器安裝在宇航員、飛船、衛(wèi)星與空間站上用于調(diào)整姿態(tài)，圖5展示了天宮空間站組合體調(diào)整姿態(tài)傾斜超70°的景象。

霍爾電推進(jìn)器?；魻栯娡七M(jìn)器的應(yīng)用領(lǐng)域已由 GEO 衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星擴(kuò)展至深空探測器、大型載人航天器等方面?；魻栯娡七M(jìn)器的原理與外觀如圖6所示。我國首臺霍爾推力器、首臺多模式霍爾推力器和首套霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，可以替代傳統(tǒng)的化學(xué)燃料為我國的天官空間站持續(xù)提供推力。實(shí)現(xiàn)了我國霍爾電推進(jìn)的首次空間飛行，成為第四個掌握霍爾電推進(jìn)技術(shù)的國家。2020 年我國霍爾電推進(jìn)已取得喜人的成績，實(shí)現(xiàn)了推力從毫牛級向牛級的跨越。目前，我國已經(jīng)研制出多種型號和規(guī)格的霍爾電推力器，從牛級到千牛級再到噸級，從低軌到高軌再到深空，從衛(wèi)星到空間站，對我國的太空技術(shù)發(fā)展起到了極大的作用。

高速電子器件中的應(yīng)用。量子霍爾效應(yīng)中電子運(yùn)動無能量耗散，在一些高速電子器件中有重要應(yīng)用[10]。例如，量子霍爾效應(yīng)可以解決和電子器件能量耗散和電腦發(fā)熱的問題，但因需要強(qiáng)磁場、制造成本很高，難以實(shí)際應(yīng)用[13]。張首晟團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了“量子自旋霍爾效應(yīng)”之后，研究發(fā)現(xiàn)利用電子自轉(zhuǎn)方向與電流方向之間的規(guī)律，可以降低電子器件的能量耗散[18]，進(jìn)而研發(fā)量子自旋電子設(shè)備集成信息處理和存儲單元，執(zhí)行低功耗的可逆量子計算。

只有科技才能強(qiáng)國，而科技的發(fā)展離不開創(chuàng)新精神。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過介紹霍爾效應(yīng)在現(xiàn)代化技術(shù)中應(yīng)用，特別是前沿科技中的應(yīng)用，使學(xué)生了解我國在霍爾效應(yīng)研究領(lǐng)域中的最新進(jìn)展，了解科技發(fā)展對人們的生活方式以及對社會未來發(fā)展的引領(lǐng)作用，以此鼓勵學(xué)生展望未來，激發(fā)勇于探索與敢于創(chuàng)新的精神。同時，將高新科技發(fā)展反溯至霍爾效應(yīng)的基本物理學(xué)概念、原理和現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，切實(shí)體會到基本物理原理和現(xiàn)象是高新技術(shù)發(fā)展的重要源泉，進(jìn)而全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力。

3.2.4 霍爾效應(yīng)中的科學(xué)方法

霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求學(xué)生研究霍爾電壓與勵磁電流和外加磁場的關(guān)系，測量磁感應(yīng)強(qiáng)度與半導(dǎo)體相關(guān)參數(shù)。不同的參數(shù)測量涉及不同的實(shí)驗(yàn)思想方法，而領(lǐng)悟與體會實(shí)驗(yàn)測量的思想方法是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的重要方面[12]。在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，主要用到了“轉(zhuǎn)換測量法”“控制變量法”“轉(zhuǎn)化法”“對稱測量法”等方法。

轉(zhuǎn)換測量法。利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行磁學(xué)量與電學(xué)量的轉(zhuǎn)換測量，是霍爾效應(yīng)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，使用高斯計測量外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。其他實(shí)驗(yàn)條件不變，通過改變勵磁電流IM ，研究磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與勵磁電流IM 的關(guān)系，擬合二者的關(guān)系曲線并計算出線圈常數(shù)α（曲線斜率），進(jìn)而以勵磁電流IM 為基準(zhǔn)去測量未知的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

轉(zhuǎn)換測量法是根據(jù)物理量之問的各種效應(yīng)和函數(shù)關(guān)系，利用變換原理進(jìn)行測量的方法。由于物理量之間存在多種效應(yīng)所以有各種不同的換測法，這正是物理實(shí)驗(yàn)最富有啟發(fā)性和開創(chuàng)性的面。啟發(fā)學(xué)生體會事物的普遍聯(lián)系性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)方法滲透到各學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)也不斷向高精度、寬量程、快速測量、遙感測量和自動化測量發(fā)展，這一切都與轉(zhuǎn)換測量緊密相關(guān)。

控 制變量法。控制變量法是一種把多因素的問題變成多個單因素的問題的方法。在研究和解決問題時，對影響變化規(guī)律的因素加以人為控制，每一次只改變其中一個變量的大小，而控制其他變量不變，從而分別研究每個因素的影響規(guī)律。在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，霍爾電壓VH =K HISB，其中，VH 是霍爾電壓，V;K H 是霍爾靈敏度，m2/C;IS是霍爾電流，A;B 是外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，A/m。當(dāng)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B 不變（即保持勵磁電流IM 不變），通過改變霍爾電流IS，研究霍爾電壓VH 與霍爾電流IS 的關(guān)系;當(dāng)保持霍爾電流IS 不變，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B （即改變勵磁電流IM），研究霍爾電壓VH 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 之間的關(guān)系。

控 制變量法是科學(xué)探究中的重要思想方法。它可以將含有多個自變量與因變量的復(fù)雜物理規(guī)律簡單化，使學(xué)生對物理規(guī)律產(chǎn)生一定的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上逐漸加深理解。通過由淺到深逐步建立對物理規(guī)律的認(rèn)知，有助于提升學(xué)生自身解決實(shí)際物理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)精神。

作 圖法與最小二乘法擬合。作圖法是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或其變化情況繪制成圖，更形象直觀地顯示物理量之間的變化規(guī)律的方法。作圖法在數(shù)據(jù)處理中是一種很便利的方法，但往往會引入附加誤差。為克服這一點(diǎn)，在數(shù)理統(tǒng)計中研究直線擬合問題，常用以最小二乘法為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)測量獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制霍爾電壓VH 與霍爾電流IS 的關(guān)系曲線;繪制霍爾電壓VH 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的關(guān)系曲線，用最小二乘法計算出相應(yīng)的霍爾靈敏度K H;根據(jù)VH-IS 與VH-B 曲線，計算霍爾系數(shù)RH，并進(jìn)一步計算載流子濃度n。作圖法與最小二乘法擬合可以訓(xùn)練學(xué)生對基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力，以及分析問題的能力。

對稱測量法。在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的過程中會伴隨有各種副效應(yīng)產(chǎn)生的附加電壓疊加在霍爾電壓上。由于制造工藝技術(shù)的影響，測量霍爾電壓的電極很難做到在一個理想的等勢面上，兩極間會產(chǎn)生不等位電勢差VO;由于載流子速度分布不均，霍爾樣品兩側(cè)聚集了不同速度的載流子導(dǎo)致溫度不同，從而產(chǎn)生了溫差電動勢VE，即埃廷斯豪森效應(yīng);由于霍爾樣品的電流兩端電極與基底接觸電阻不同，產(chǎn)生不同的焦耳熱并形成兩電極間的溫度梯度，沿該溫度梯度擴(kuò)散的載流子受到磁場的作用而偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電位差VN，即能斯特效應(yīng);能斯特效應(yīng)中沿溫度梯度擴(kuò)散的載流子在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)且速度不同，會再次產(chǎn)生埃廷斯豪森效應(yīng)，形成溫差電動勢VR，即里吉勒迪克效應(yīng)。不等位電勢差VO 的方向與霍爾電流IS 方向有關(guān);溫差電動勢VE 的方向與霍爾電流IS 和磁場B 兩者有關(guān)。電位差VN 與溫差電動勢VR 的方向僅與磁場B 方向有關(guān)[23， 24]。因此，在保持霍爾電流IS 和強(qiáng)感應(yīng)強(qiáng)度B 的大小不變時，通過依次改變它們的方向就可以基本上消除這些副效應(yīng)的影響。這就是對稱測量法。

通過講解霍爾效應(yīng)消除副效應(yīng)的測量方法，訓(xùn)練科學(xué)的思維方法，體現(xiàn)辯證唯物主義的思想。雖然有時副效應(yīng)影響較小，但要追求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。例如，汽車駕駛安全問題，對霍爾傳感器精度要求很高，一些微小測量誤差很可能造成嚴(yán)重的后果。

4 結(jié)語

反溯教學(xué)法以學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)為目標(biāo)，注重學(xué)生未來發(fā)展的實(shí)際需求，將前沿科技發(fā)展及應(yīng)用發(fā)引入物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。為充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在課程思政上的先天優(yōu)勢，我們在教學(xué)過程中，融入了物理實(shí)驗(yàn)的歷史背景與發(fā)展沿革歷程、科學(xué)家的貢獻(xiàn)與事跡、前沿科技發(fā)展及應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及的科學(xué)方法中的思政元素?；诜此萁虒W(xué)思想，打通了在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中高新技術(shù)新發(fā)展、基本物理原理與現(xiàn)象、課程價值引領(lǐng)之間的聯(lián)系，探索了物理實(shí)驗(yàn)的知識傳授、能力提高與價值塑造三位一體的育人模式，促進(jìn)育人成效與教學(xué)質(zhì)量共同提升。

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