黃臻

(安徽省歙縣中學(xué) 安徽 黃山 245200)

就當(dāng)前高中物理“霍爾效應(yīng)”教學(xué)實(shí)際而言，由于缺乏具體可操作性強(qiáng)的方案，缺少與實(shí)驗(yàn)要求匹配的實(shí)驗(yàn)器材，很少有學(xué)校有能力開(kāi)展一堂符合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)，為此我們通過(guò)結(jié)合教材內(nèi)容與高中學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，確定探究?jī)?nèi)容，自制實(shí)用教學(xué)儀器，以期望達(dá)到良好的教育教學(xué)效果，期望能在教知識(shí)的同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科能力，這將對(duì)學(xué)生能力的提高產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響．

1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)

隨著嵌入核心素養(yǎng)的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，教學(xué)目標(biāo)已從“三維目標(biāo)”提升為學(xué)科核心素養(yǎng)，以大單元教學(xué)為基礎(chǔ)，以“素養(yǎng)”為核心的教學(xué)和課程受到高度關(guān)注，以學(xué)生核心素養(yǎng)的培育推動(dòng)教育和課程改革已經(jīng)成為大勢(shì)所趨．其中，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分．

2 霍爾元件與霍爾效應(yīng)

在人教版(2019版)高中物理選擇性必修二第一章“安培力與洛倫茲力”的教學(xué)中，例舉了一些利用電磁學(xué)知識(shí)發(fā)明的現(xiàn)代科技成果．如質(zhì)譜儀、磁流體發(fā)電機(jī)、速度選擇器、霍爾元件等等．其中，霍爾元件便是基于霍爾效應(yīng)制成的.1879年美國(guó)物理學(xué)家E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，人們把這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)(Hall effect)，把利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件．同時(shí)把這個(gè)電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差或霍爾電壓．圖1為HW-302B型霍爾元件，該元件長(zhǎng)10.35 mm，寬2.7 mm．圖2表示載流粒子帶正電時(shí)，h端電勢(shì)高于h′端電勢(shì)，即Uhh′>0；圖3表示載流粒子帶負(fù)電時(shí)，h端電勢(shì)低于h′端電勢(shì)，即Uhh′<0．

圖1 霍爾元件

圖2 正載流子霍爾效應(yīng)

圖3 負(fù)載流子霍爾效應(yīng)

3 當(dāng)前教學(xué)具體問(wèn)題

由于霍爾效應(yīng)的發(fā)生是建立在三維立體空間上的物理過(guò)程，所以在教學(xué)時(shí)要使學(xué)生理解并掌握這部分內(nèi)容，對(duì)學(xué)生空間思維能力要求較高，給教學(xué)帶來(lái)諸多不便．

(1)由于教學(xué)無(wú)實(shí)物模型展示，不利于學(xué)生直觀觀念的建立．

(2)教師在上課時(shí)只能畫(huà)出簡(jiǎn)易原理圖講解原理以及理論推導(dǎo)霍爾電壓與工作電流、勵(lì)磁電流的關(guān)系，但不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,所以無(wú)法通過(guò)具體數(shù)據(jù)判斷理論與事實(shí)是否相統(tǒng)一．

(3)上課單純講原理及理論推導(dǎo)，過(guò)程枯燥無(wú)味,不利于激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的好奇心與興趣,更不能使學(xué)生在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上,引發(fā)對(duì)相關(guān)知識(shí)更深層次的展望與思考，如到更高層次學(xué)習(xí)階段才會(huì)涉及的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、埃廷斯豪森(Ettingshausen)效應(yīng)、能斯特(Nernst)效應(yīng)、里吉-勒迪克(Righi-Leduc)效應(yīng)等等．

(4)學(xué)生的理論水平提升和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ陌l(fā)展是相輔相成、相互促進(jìn)、邏輯上升的過(guò)程，而不是各自獨(dú)立發(fā)展毫無(wú)關(guān)聯(lián)的．傳統(tǒng)教學(xué)只能在理論上進(jìn)行教學(xué)，不利于學(xué)生認(rèn)知水平的提高和對(duì)知識(shí)本元的理解以及知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系的完整構(gòu)建,不能讓學(xué)生做到知其然的同時(shí)還知其所以然．

4 自制教具的介紹

為了解決上述教學(xué)過(guò)程中遇到的這些問(wèn)題，并體現(xiàn)核心素養(yǎng)教學(xué)精神，深挖學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，在我校教師的共同努力下，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套數(shù)字化定量探究霍爾效應(yīng)裝置．利用該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流Ib、工作電流IH、霍爾電壓UH進(jìn)行數(shù)字化定量探究．圖4為該裝置實(shí)物圖，圖5為該裝置原理圖．

圖4 定量探究霍爾效應(yīng)裝置圖

圖5 定量探究霍爾效應(yīng)原理圖

該裝置主要由3部分電路組成：工作電流調(diào)節(jié)電路、勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)電路、霍爾電壓測(cè)量電路．

(1)工作電流調(diào)節(jié)電路主要由電源(一節(jié)1.5 V干電池)、數(shù)字電流表、電位器組成．若a端接電源正極，a′端接電源負(fù)極，則電流從a端流經(jīng)霍爾元件再流向a′端；若a端接電源負(fù)極，a′端接電源正極，則電流從a′端流經(jīng)霍爾元件再流向a端,其中可以通過(guò)電位器調(diào)節(jié)電路電流，由數(shù)字電流表測(cè)出工作電流IH．

(2)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)電路主要由勵(lì)磁線圈(由直徑為0.26 mm的漆包線在直徑1.5 cm、長(zhǎng)2.5 cm的PVC管上繞500匝制作而成)、可調(diào)數(shù)字電源組成．若b端接電源正極，b′端接電源負(fù)極，由安培定則可知?jiǎng)t，電流流經(jīng)勵(lì)磁線圈可產(chǎn)生垂直霍爾元件的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向如圖5所示；若b端接電源負(fù)極，b′端接電源正極，則產(chǎn)生反向垂直霍爾元件的磁場(chǎng)；其中勵(lì)磁電流大小由數(shù)字電源直接讀出，由畢奧-薩伐爾定律可知?jiǎng)?lì)磁電流大小與所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小成正比，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小對(duì)磁場(chǎng)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)．

(3)霍爾電壓測(cè)量電路主要由霍爾元件(型號(hào)HW-302B)、數(shù)字電壓表組成．其中數(shù)字電壓表可直接測(cè)量h與h′兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差，即與磁場(chǎng)、工作電流方向均垂直的方向上的電壓，也就是霍爾元件兩側(cè)面的電勢(shì)差．

5 部分實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程案例展示

例：在講解霍爾電壓UH與勵(lì)磁電流Ib和工作電流IH關(guān)系時(shí)，可以采用控制變量法進(jìn)行數(shù)字化探究．具體過(guò)程如下：

(1)保持勵(lì)磁電流Ib=0.3 A不變，探究霍爾電壓UH與工作電流IH關(guān)系，并得出結(jié)論．采集數(shù)據(jù)如圖6所示．

圖6 探究霍爾電壓UH與工作電流IH關(guān)系數(shù)據(jù)圖

結(jié)論1:在勵(lì)磁電流一定時(shí), 霍爾電壓與工作電流成正比,即UH∝IH.

(2)保持工作電流IH=1 mA不變，探究霍爾電壓UH與勵(lì)磁電流Ib關(guān)系，并得出結(jié)論．采集數(shù)據(jù)如圖7所示．

圖7 探究霍爾電壓UH與勵(lì)磁電流Ib關(guān)系數(shù)據(jù)圖

結(jié)論2:在工作電流一定時(shí), 霍爾電壓與勵(lì)磁電流成正比,即UH∝Ib．

根據(jù)上面控制變量法得出的兩個(gè)小結(jié)論，并結(jié)合牛頓得出牛頓第二定律的科學(xué)思維歷程，可引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手推出霍爾電壓與工作電流、勵(lì)磁電流的關(guān)系式為UH=KIHIb,其中K為系數(shù)．

6 該裝置的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)自制教學(xué)儀器在平時(shí)課堂中運(yùn)用，彌補(bǔ)現(xiàn)成教具的不足，能起到較好的教學(xué)效果，教學(xué)的過(guò)程同時(shí)也是深入理解、實(shí)踐、感知新課改精神的過(guò)程．該教具在霍爾效應(yīng)的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中比以往的傳統(tǒng)教學(xué)更簡(jiǎn)單方便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、直觀形象、通俗易懂，能滿足高效課堂的需求，充分體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)．具體體現(xiàn)關(guān)系如下：

(1)通過(guò)自制教具的課堂運(yùn)用，學(xué)生可以直觀看到實(shí)物，有利于學(xué)生物理觀念的建立，也更容易建立物理模型，體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念這一重要要素．

(2)學(xué)生通過(guò)觀察自制教具自然展開(kāi)對(duì)三大實(shí)驗(yàn)電路的功能、調(diào)節(jié)方法以及數(shù)據(jù)采集的思考；在得出關(guān)系式UH=KIHIb后提問(wèn)K由什么因素決定，引導(dǎo)學(xué)生思索高中物理所學(xué)諸多系數(shù)各自的決定因素，經(jīng)過(guò)總結(jié)歸納可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律．這些不僅有利于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系的建立，同時(shí)還體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的要求，能正確使用物理思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論．

(3)基于學(xué)生已儲(chǔ)備的物理方法引導(dǎo)學(xué)生思考如何探究各個(gè)物理量之間的關(guān)系，并形成探究方案．讓學(xué)生對(duì)已學(xué)物理知識(shí)和方法，從掌握、理解層次上升到科學(xué)運(yùn)用層次．通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)并記錄、分析數(shù)據(jù)的同時(shí)借助Excel畫(huà)圖功能處理數(shù)據(jù)，最后得出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小結(jié)論，并整合得出最后關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)從各個(gè)物理量之間單一的關(guān)系到各個(gè)物理量之間公式化質(zhì)的飛躍．體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)探究的要素，具有實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究方案，使用各種科技手段和方法收集信息，并分析、處理信息，描述、解釋實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果和變化趨勢(shì)．

(4)待學(xué)生得出結(jié)論后，教師補(bǔ)充說(shuō)明系數(shù)K與溫度也有關(guān)，比如整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等效應(yīng)的提出，并告訴學(xué)生從事這方面研究的許多科學(xué)家都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)更高深物理學(xué)的向往，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的濃厚興趣．這點(diǎn)體現(xiàn)了物理核心素養(yǎng)中科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，即具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲．

7 總結(jié)

對(duì)于教師而言，在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中不僅要關(guān)注學(xué)生知識(shí)與技能的掌握情況，也要重視學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．要抓住無(wú)論學(xué)科核心素養(yǎng)是什么，都“不是直接由教師教出來(lái)的，而是在問(wèn)題情境中借助問(wèn)題解決的實(shí)踐培育起來(lái)的”[1]．可以說(shuō)，雖然學(xué)科知識(shí)蘊(yùn)含著學(xué)科核心素養(yǎng)，但學(xué)科核心素養(yǎng)卻不可能像傳遞學(xué)科的概念、命題與理論那樣，能通過(guò)簡(jiǎn)單的告知方式來(lái)習(xí)得，而是需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，讓學(xué)生親身經(jīng)歷學(xué)科的概念、命題與理論創(chuàng)生的過(guò)程，并從中體驗(yàn)、感悟?qū)W科概念、命題與理論背后所隱藏的學(xué)科核心素養(yǎng)．

對(duì)于學(xué)生學(xué)而言，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，將傳統(tǒng)教學(xué)由教師單向的輸出與學(xué)生被動(dòng)的接受模式，改變?yōu)閹熒?dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生在問(wèn)題中思維，在情景中歸納，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在活動(dòng)中交流與合作，引導(dǎo)學(xué)生積極、主動(dòng)參與到探究過(guò)程中，從中體驗(yàn)科學(xué)探究與發(fā)現(xiàn)的成就[2]．在學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程找到學(xué)習(xí)的幸福感．

總而言之，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新不僅能夠提高物理教學(xué)實(shí)踐性和應(yīng)用性，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的物理實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，使學(xué)生的物理核心素養(yǎng)得到提高，最終促進(jìn)物理教學(xué)發(fā)展．這足以見(jiàn)得創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)對(duì)高中生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要性，理應(yīng)得到重視與關(guān)注[3]．