李莉 張師平 裴藝麗 謝子昂 陳森 吳平

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

關鍵詞 物理實驗;課程建設;課程思政;反溯教學法

2017年2月，中共中央、國務院《關于加強和改進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《高等學校課程思政建設指導綱要》，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量這一核心要務為主線，部署高校結(jié)合學科專業(yè)特點全面推進課程思政建設。因此，如何將思想政治教育貫穿教育教學全過程，立德樹人的同時提高人才培養(yǎng)能力，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，是當前國內(nèi)各個高校普遍關注、熱烈討論并積極開展教學實踐的一個重大課題[2]。

物理實驗課程是高等學校理工科類專業(yè)對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程[3]。物理實驗內(nèi)容具有很強的邏輯性、思想性和方法性，蘊含著樸素但深刻的辯證唯物主義思想，物理實驗過程很多是人類物理知識獲得過程的濃縮再現(xiàn)過程，在引導學生掌握理論學習和實驗科學結(jié)合的意識和方法，培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等方面具有明顯優(yōu)勢[4]。物理實驗教學與思政教育目標一致，通過實驗教學培養(yǎng)學生思想道德品質(zhì)十分必要性并且切實可行[5]。因此，物理實驗課程在全面推進課程思政建設中應積極作為、主動作為、創(chuàng)新作為。

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

1 物理實驗課程思政的先天優(yōu)勢

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

1.1 物理實驗課程開設于學生思想價值引領的關鍵時期

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

1.2 物理實驗課程內(nèi)容充分體現(xiàn)了“格物致理”的過程

物理實驗課程內(nèi)容涵蓋力、熱、光、電和近代物理等諸多分支學科，知識覆蓋面寬，學生受益面廣，兼具理論與實踐相結(jié)合、創(chuàng)新與應用相結(jié)合的特征和優(yōu)點。不僅僅教給學生物理實驗知識、培養(yǎng)動手能力，也能帶給學生實事求是的科學思維。通過對實驗現(xiàn)象的觀察和分析、對物理量的測量與計算，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，訓練學生的科學思維。在每一個物理實驗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)學生認知問題、提出問題與解決問題的能力，為學生適應科技進步和社會發(fā)展變化奠定了必要的基礎。

1.3 物理實驗課程天然具有豐富的思政內(nèi)涵

物理實驗中許多成就本身即是人類實現(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，科學家們?yōu)榭茖W發(fā)展而拼搏的奉獻精神，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;物理實驗中嚴謹求實、誠實守信、團結(jié)協(xié)作的專業(yè)操守[6]。此外，物理實驗通過實驗研究物質(zhì)運動及其規(guī)律，其研究內(nèi)容和對象，與辯證唯物主義哲學的物質(zhì)觀及其運動觀有著密不可分的聯(lián)系。物理實驗自然蘊含著的馬克思主義哲學思想，有助于培養(yǎng)學生的哲學思維，樹立科學的世界觀和方法論。

同時，物理實驗課程還可以培養(yǎng)學生的思想道德素質(zhì)和愛國主義情感。改革開放以來，我國物理學家們犧牲個人利益，紛紛投身祖國的科研事業(yè)?！皟蓮椧恍恰薄⑤d人航天、月球探測、深海載人潛水、建造空間站與太空實驗室等顯著成績，增強學生的民族自信心和自豪感，激發(fā)學生的愛國情懷，培養(yǎng)學生為中國崛起努力學習的熱情[7]。

2 反溯教學法

為切實提高教學質(zhì)量，我們提出了物理實驗圖1 在物理實驗中融入思政元素的設計方案的反溯教學法，即以學生實踐能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)為目標，注重學生未來發(fā)展的實際需求，將現(xiàn)代科學技術(shù)新發(fā)展引入物理實驗課程內(nèi)容。反溯教學法的基本思想，是從前沿科技發(fā)展及應用反溯其基本物理學概念、原理和現(xiàn)象，激發(fā)學生的探索欲和創(chuàng)造欲，全面提升學生的學習興趣與學習能力，充分挖掘課程潛力，讓學生從“要我學”變?yōu)椤拔乙獙W”。同時，在尊重物理實驗課程自身建設規(guī)律的前提下，堅持“課程承載思政”和“思政寓于課程”的理念，分析物理實驗涉及的社會背景、深刻影響與前沿科技應用，尋找激發(fā)學生愛國情懷，增強法治意識、社會責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驗的反溯教學過程中，加強課程的價值引領作用。

由此，基于反溯教學法充分發(fā)揮物理實驗課程思政的先天優(yōu)勢，打通在物理實驗教學過程中高新技術(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)一的基礎上，激起學生的好奇心和興趣，也讓學生切實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，有助于切實有效地達成教書育人的教學目標。

3 基于反溯教學法的霍爾效應思政實例

基于反溯教學法的思想，我們對物理實驗課程體系與內(nèi)容進行了全面的建設和深化，構(gòu)建了一整套大學物理實驗課程教學范式，在課程體系建設、學生能力與創(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，將以霍爾效應為例，介紹基于反溯效教學法的思政元素融入物理實驗課程的探索與實踐。

3.1 案例設計思路

物理實驗融入思政元素的設計思路如圖1所示。為實現(xiàn)霍爾效應實驗教學過程中知識傳授、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的思政元素。如通過講述霍爾效應實驗產(chǎn)生的歷史背景與發(fā)展沿革歷程，使學生知曉本實驗的必要性和歷史價值，讓學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;通過了解霍爾效應領域中科學家的貢獻與事跡，增強學生的民族自豪感和愛國情懷;通過介紹霍爾效應的前沿高新技術(shù)與實際應用，使學生認識到所學內(nèi)容的實用性，提高理論聯(lián)系實際的能力，調(diào)動學習興趣與創(chuàng)新精神;通過體會并實踐霍爾效應實驗內(nèi)容中的科學方法，培養(yǎng)學生的崇尚實踐、認真嚴謹、實事求是等科學素養(yǎng)。

其次，以霍爾效應為主線，充分挖掘每一教學環(huán)節(jié)中可利用節(jié)點，以將思政元素融入教學全過程。以線上SPOC課程與線下實驗課程相結(jié)合的教學模式，在課前預習、課上講解與實踐、課后撰寫實驗報告、課后復習與課后拓展各個環(huán)節(jié)中，引導學生反溯回其中蘊含的基本物理學概念、原理和物理現(xiàn)象，潛移默化融入相關的思政內(nèi)容，實現(xiàn)立德樹人潤物無聲。

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

3.2 霍爾效應中典型的思政元素

3.2.1 霍爾效應發(fā)現(xiàn)與發(fā)展沿革中的科學精神

霍爾效應的原理如圖2所示。當霍爾電流IS垂直于外加磁場B 通過半導體時，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，使半導體的兩端產(chǎn)生電勢差，即霍爾電壓VH。

自19世紀末發(fā)現(xiàn)霍爾效應后，科學家們又發(fā)現(xiàn)了反?；魻栃?、量子霍爾效應、自旋霍爾效應等，該領域一共產(chǎn)生了三個諾貝爾物理學獎。隨著時代的發(fā)展，越來越多的霍爾效應被發(fā)現(xiàn)，從而推動了物理學的發(fā)展和科學技術(shù)的進步。教師在講這部分內(nèi)容時，不僅可以講霍爾效應的內(nèi)容，也可以適當?shù)赝卣菇榻B霍爾效應實驗產(chǎn)生的歷史背景與發(fā)展沿革歷程[8-11]，讓學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。1879年，24歲的霍爾是霍普斯金大學羅蘭教授的研究生。當時還沒有發(fā)現(xiàn)電子，也沒有人知道金屬中導電的機理， 科學家們對很多問題持有不同的看法。經(jīng)典電磁理論的創(chuàng)始人麥克斯韋認為“在磁場中的通電導體受到的機械力不是作用于電流上，而是作用在導體上的”。然而，瑞典物理學家愛德朗則認為磁場作用在固定導體中的電流上，與作用在自由移動的導體上是完全相同的。發(fā)現(xiàn)兩位學術(shù)權(quán)威的觀點不一致，霍爾萌生了疑問，在與羅蘭教授討論后，決定通過實驗研究通電導體在磁場中的受力情況。

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

經(jīng)典霍爾效的發(fā)現(xiàn)過程可以說明，沒有質(zhì)疑精神就沒有科學的發(fā)展。面對麥克斯韋這樣偉大的物理學家，霍爾沒有盲從、敢于質(zhì)疑、獨立思考，以實踐作為檢驗真理的唯一標準。他緊跟科學發(fā)展前沿，虛心請教，不畏挫折，始終朝著既定目標堅持不懈。在當時洛倫茲的經(jīng)典電子論還未建立之時，霍爾敢于大膽想象，當實驗失敗后勇于創(chuàng)新，善于運用類比的方法，以其超強的實驗能力獲得了實驗的成功[11， 12]。在教學過程中，融入霍爾效應的發(fā)現(xiàn)過程以及科學家霍爾的科學精神，可以讓學生體會與領悟到學習不但要敢于質(zhì)疑，更需要追求真理、嚴謹求實、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鍵[12]。

霍爾效應的發(fā)展沿革?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們在這一領域的研究興趣，霍爾效應的三個副效應，即埃廷斯豪森效應、能斯特效應和里吉勒迪克效應，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展[8]：

① 量子霍爾效應：因在極低溫度、強磁場中的半導體中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應，德國物理學家克利青榮獲1985年度諾貝爾物理學獎;2018年，復旦大學修發(fā)賢課題組首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應，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》;2019年，中國科學技術(shù)大學喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組首次驗證了三維量子霍爾效應，并在《自然》期刊上發(fā)表了研究成果。

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

③ 量子反常霍爾效應：1988年，美國物理學家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，即量子反?；魻栃?2010年，我國理論物理學家方忠、戴希等與復旦校友、美國斯坦福教授張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現(xiàn)量子化反?；魻栃淖罴洋w系。德國、美國、日本等有多個世界一流研究組受到啟發(fā)，在實驗上尋找量子反?；魻栃慈〉猛黄?。2013 年，由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊成功在實驗上首次觀測到了量子反?；魻栃?，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：因在石墨烯中發(fā)現(xiàn)了半整數(shù)量子霍爾效應，兩位英國科學家而榮獲了2010年諾貝爾物理學獎。

⑤ 自旋霍爾效應：2004年美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校Awscha-lom 團隊發(fā)現(xiàn)了自旋霍爾效應。

⑥ 量子自旋霍爾效應：2006年， 復旦校友、美國斯坦福教授張首晟成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，并于2007年與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應”的研究。“量子自旋霍爾效應”是美國《科學》雜志評出的2007年十大科學進展之一。

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

3.2.2 霍爾效應發(fā)展過程中科學家的貢獻與情懷

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

華裔科學家崔琦因發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應獲得了1998年諾貝爾物理學獎，而在該領域甚至整個物理學界都沒有中國籍物理學家獲得過諾貝爾物理學獎。為此，我國物理學家們正在不斷地探索;三維量子霍爾效應對測量條件、材料體系的要求異?？量蹋恢笔强茖W家們未能突破難題。

2018年，復旦大學修發(fā)賢課題組首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應，中國科學技術(shù)大學喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組在有磁場的情況下對五碲化鋯晶體進行實驗，首次驗證了“三維量子霍爾效應”，并發(fā)現(xiàn)了全新的物態(tài)和機制[11];量子反?；魻栃煌诹孔踊魻栃?，自1988年起不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上卻沒有取得任何進展。清華大學薛其坤團隊一直致力于反常量子霍爾效應的研究，經(jīng)過堅持不懈的努力，在2013年首次實驗觀測到反常量子霍爾效應。這一發(fā)現(xiàn)有望突破摩爾定律的瓶頸，可能推進信息技術(shù)巨大的突破， 也讓中國科學界站在了下一次信息革命的戰(zhàn)略制高點[12]。之后，薛其坤團隊將觀測溫度從30mK 提高到2K左右，進一步提高了量子反?；魻栃挠^測溫度。這是許多拓撲量子效應走向應用的關鍵因素[13]。因為在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?，薛其坤獲得2020年度菲列茲·倫敦獎。

從分數(shù)量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)到反常量子霍爾效應的驗證，華裔科學家與中國本土科學家們憑借堅持不懈、精益求精、追求極致的科研精神取得了巨大的成功，也使我國在相關領域中取得了高新技術(shù)上的突破。在霍爾效應實驗中，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家在這一領域的研究成果，以中國的科技進步，弘揚了愛國精神，提升民族自豪感。

3.2.3 霍爾效應的科學前沿應用，提升社會責任感

霍爾效應的應用十分廣泛。它為半導體材料的參數(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茫梢詫⑽灰啤⒔嵌?、轉(zhuǎn)速、壓力、液位等非電學量轉(zhuǎn)換成電學量進行測量，廣泛應用于自動控制裝置、電測量和高新信息技術(shù)等方面[9]。教師可以介紹有關霍爾效應的前沿研究動態(tài)以及在科技上的應用，既能調(diào)動學生的學習興趣與創(chuàng)新精神，又能引導學生理論聯(lián)系實際，使學生明白該領域還有很多值得探索的東西，進而培養(yǎng)他們遠大的志向。

測量磁場。利用霍爾效應可以制造測量磁感應強度的精密儀器———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體薄片。探頭在磁場中因霍爾效應而產(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)可確定磁感應強度的大小。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)學領域的靶向控制;調(diào)控磁場強度的大小與方向，對磁性納米機器人做定向?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量。例如，電動跑步機上安裝霍爾速度傳感器，用于人因意外跌倒后機器的緊急停止;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。

霍爾電推進器?；魻栯娡七M器的應用領域已由 GEO 衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星擴展至深空探測器、大型載人航天器等方面?；魻栯娡七M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系統(tǒng)，達到世界領先水平，可以替代傳統(tǒng)的化學燃料為我國的天官空間站持續(xù)提供推力。實現(xiàn)了我國霍爾電推進的首次空間飛行，成為第四個掌握霍爾電推進技術(shù)的國家。2020 年我國霍爾電推進已取得喜人的成績，實現(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用。量子霍爾效應中電子運動無能量耗散，在一些高速電子器件中有重要應用[10]。例如，量子霍爾效應可以解決和電子器件能量耗散和電腦發(fā)熱的問題，但因需要強磁場、制造成本很高，難以實際應用[13]。張首晟團隊驗證了“量子自旋霍爾效應”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]，進而研發(fā)量子自旋電子設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。

只有科技才能強國，而科技的發(fā)展離不開創(chuàng)新精神。在實驗教學中，通過介紹霍爾效應在現(xiàn)代化技術(shù)中應用，特別是前沿科技中的應用，使學生了解我國在霍爾效應研究領域中的最新進展，了解科技發(fā)展對人們的生活方式以及對社會未來發(fā)展的引領作用，以此鼓勵學生展望未來，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)展反溯至霍爾效應的基本物理學概念、原理和現(xiàn)象，引導學生理論聯(lián)系實際，切實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，進而全面提升學生的學習興趣和學習動力。

3.2.4 霍爾效應中的科學方法

霍爾效應實驗內(nèi)容要求學生研究霍爾電壓與勵磁電流和外加磁場的關系，測量磁感應強度與半導體相關參數(shù)。不同的參數(shù)測量涉及不同的實驗思想方法，而領悟與體會實驗測量的思想方法是培養(yǎng)學生科學素質(zhì)的重要方面[12]。在霍爾效應實驗中，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。利用霍爾效應進行磁學量與電學量的轉(zhuǎn)換測量，是霍爾效應推廣應用的基礎。在霍爾效應實驗中，使用高斯計測量外加磁場的磁感應強度B。其他實驗條件不變，通過改變勵磁電流IM ，研究磁感應強度B 與勵磁電流IM 的關系，擬合二者的關系曲線并計算出線圈常數(shù)α（曲線斜率），進而以勵磁電流IM 為基準去測量未知的磁感應強度B。

轉(zhuǎn)換測量法是根據(jù)物理量之問的各種效應和函數(shù)關系，利用變換原理進行測量的方法。由于物理量之間存在多種效應所以有各種不同的換測法，這正是物理實驗最富有啟發(fā)性和開創(chuàng)性的面。啟發(fā)學生體會事物的普遍聯(lián)系性，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，物理實驗方法滲透到各學科領域，實驗物理學也不斷向高精度、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。

控 制變量法?？刂谱兞糠ㄊ且环N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。在霍爾效應實驗中，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強度，A/m。當保持磁感應強度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 的關系;當保持霍爾電流IS 不變，通過改變磁感應強度B （即改變勵磁電流IM），研究霍爾電壓VH 與磁感應強度B 之間的關系。

控 制變量法是科學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雜物理規(guī)律簡單化，使學生對物理規(guī)律產(chǎn)生一定的認識，在此基礎上逐漸加深理解。通過由淺到深逐步建立對物理規(guī)律的認知，有助于提升學生自身解決實際物理問題的能力，培養(yǎng)學生的科學思維與科學精神。

作 圖法與最小二乘法擬合。作圖法是將實驗數(shù)據(jù)之間的關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，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的實驗數(shù)據(jù)處理方法。在霍爾效應實驗中，根據(jù)測量獲得的實驗數(shù)據(jù)，繪制霍爾電壓VH 與霍爾電流IS 的關系曲線;繪制霍爾電壓VH 與磁感應強度B 的關系曲線，用最小二乘法計算出相應的霍爾靈敏度K H;根據(jù)VH-IS 與VH-B 曲線，計算霍爾系數(shù)RH，并進一步計算載流子濃度n。作圖法與最小二乘法擬合可以訓練學生對基本實驗數(shù)據(jù)的處理能力，以及分析問題的能力。

對稱測量法。在霍爾效應實驗中，在產(chǎn)生霍爾效應的過程中會伴隨有各種副效應產(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;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;能斯特效應中沿溫度梯度擴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，形成溫差電動勢VR，即里吉勒迪克效應。不等位電勢差VO 的方向與霍爾電流IS 方向有關;溫差電動勢VE 的方向與霍爾電流IS 和磁場B 兩者有關。電位差VN 與溫差電動勢VR 的方向僅與磁場B 方向有關[23， 24]。因此，在保持霍爾電流IS 和強感應強度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的影響。這就是對稱測量法。

通過講解霍爾效應消除副效應的測量方法，訓練科學的思維方法，體現(xiàn)辯證唯物主義的思想。雖然有時副效應影響較小，但要追求嚴謹?shù)目茖W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重的后果。

4 結(jié)語

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

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