抓好二次開(kāi)發(fā) 落實(shí)課程思政

鄭進(jìn) 曹海霞

[摘 要] 文章基于“立德樹(shù)人”的根本目標(biāo)，對(duì)高中物理選修教材中“霍爾元件”部分的育人素材進(jìn)行了分析探討，具體從“對(duì)比新舊教材”“分析競(jìng)賽題”“二次開(kāi)發(fā)教材，挖掘思政元素”三個(gè)方面進(jìn)行分析探討。

[關(guān)鍵詞]課程思政;霍爾效應(yīng);育人功能

[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）35-0039-03

習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上指出，要堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人[1]。教育工作者必須充分發(fā)揮課堂的育人作用，推動(dòng)思政課程向課程思政轉(zhuǎn)變。霍爾效應(yīng)自19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了140多年，除了霍爾效應(yīng)，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了反常霍爾效應(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(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多的霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，從而推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。普通高中物理選修教材中的拓展部分初步介紹了霍爾元件及霍爾效應(yīng)，教師應(yīng)充分挖掘本節(jié)內(nèi)容中的育人價(jià)值，既向?qū)W生傳授理論層面的知識(shí)，又幫助學(xué)生樹(shù)立正確的價(jià)值觀。

一、霍爾效應(yīng)的新舊教材對(duì)比

與舊教材相比較（表1），新教材中的霍爾元件屬于拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容，教師可以在教材的基礎(chǔ)上再進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。新教材中介紹了霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)的歷史，并給出了霍爾效應(yīng)的定義，要求教師對(duì)霍爾效應(yīng)進(jìn)行講解及適當(dāng)拓展。新教材中沒(méi)有直接給出霍爾電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的具體關(guān)系式，而是需要教師引導(dǎo)學(xué)生自己推出公式，對(duì)學(xué)生的要求有所提高。新教材中還加入了霍爾元件的應(yīng)用，介紹了利用霍爾元件測(cè)量微小位移的原理，將物理知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活中。

二、競(jìng)賽題分析

有的高考題和競(jìng)賽題涉及霍爾效應(yīng)，這類(lèi)題可以用來(lái)考查學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[2]，如第34屆全國(guó)物理競(jìng)賽預(yù)賽題。

【題目】把沿[x]方向通有電流（[x]方向的電場(chǎng)強(qiáng)度為[E]）的長(zhǎng)方體形的半導(dǎo)體材料，放在沿[z]方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，半導(dǎo)體材料的六個(gè)表面分別與相應(yīng)的坐標(biāo)平面平行;磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為[Bz]，在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的[+y]或[-y]方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)[Ey]，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)表明霍爾電場(chǎng)[Ey]與電流的電流密度[Jx]和磁感應(yīng)強(qiáng)度[Bz]的乘積成正比，即[Ey=RHJxBz]，比例系數(shù)[RH]稱(chēng)為霍爾系數(shù)。某半導(dǎo)體材料樣品中有兩種載流子：空穴和電子，空穴和電子在單位電場(chǎng)下的平均速度（即載流子的平均速度與電場(chǎng)成正比的比例系數(shù)）分別為[μp]和[-μn]，空穴和電子的數(shù)密度分別為[p]和[n]，電荷分別為[e]和[-e]，試確定該半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)。

該題的求解思路如下：如圖1所示，先通過(guò)空穴和電子在[y]方向上的電流密度和平均速度以及[Jy=0]得出[Ey=pμp2-nμn2（pμp+nμn）ExBz]這個(gè)式子，然后根據(jù)霍爾系數(shù)的定義，由[x]方向的電流密度和速度表達(dá)式可得到[RH=pμp2-nμn2e（pμp+nμn）2]這個(gè)最終結(jié)果。

該題的主要考查點(diǎn)在于對(duì)霍爾效應(yīng)公式的靈活運(yùn)用，本題涉及空穴、電子，因此考查的點(diǎn)更加細(xì)致微觀。學(xué)生在解答這道題時(shí)存在的主要問(wèn)題是對(duì)背景的微觀機(jī)制理解不清，分析不到位[3]，大多數(shù)學(xué)生只是機(jī)械地套用公式，因此難以正確求解。學(xué)生要想正確解答這道題，不僅要知道這個(gè)公式的物理意義，更要知道它的來(lái)龍去脈。

三、教材的二次開(kāi)發(fā)[4]——挖掘思政元素

目前，高中物理課堂教學(xué)中的育人功能，有時(shí)是生硬、刻意地貼標(biāo)簽[5]。在實(shí)際教學(xué)中，不少教師依舊是講完課本上的內(nèi)容即可，或者是直截了當(dāng)?shù)馗嬖V學(xué)生其中的價(jià)值觀，而課程思政要求教師在課程教學(xué)中對(duì)學(xué)生的思想、行為起到潛移默化的影響。就這部分內(nèi)容而言，教材只簡(jiǎn)單介紹了霍爾效應(yīng)，在教學(xué)實(shí)踐中，教師可以拓展該部分內(nèi)容，介紹霍爾效應(yīng)的發(fā)展史及其衍生的一系列效應(yīng)，結(jié)合時(shí)事介紹霍爾效應(yīng)的最新動(dòng)態(tài)，講述我國(guó)科學(xué)家的故事，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷和社會(huì)責(zé)任感。

1.介紹霍爾效應(yīng)的發(fā)展史，拓寬學(xué)生視野

從霍爾效應(yīng)到量子霍爾效應(yīng)再到自旋霍爾效應(yīng)，其間發(fā)展了100多年。在這100多年里，很多科學(xué)家為之努力探索。教師在講這部分內(nèi)容時(shí)，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)的發(fā)展史，讓學(xué)生了解更加豐富的物理知識(shí)和背景，從而拓寬他們的視野。

1880年美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)[圖2（a）]，此后的幾年里他一直致力于研究該現(xiàn)象，十年后他又發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下也能觀測(cè)到霍爾效應(yīng)，該現(xiàn)象被稱(chēng)為反常霍爾效應(yīng)（AHE）[圖2（b）][6]。但迄今為止，對(duì)反常霍爾效應(yīng)還沒(méi)有建立起完整的理論體系來(lái)證明其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1980年德國(guó)物理學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)[圖2（c）]，后來(lái)又被定義為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（IQHE）。該效應(yīng)是在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下發(fā)現(xiàn)的（溫度約為1.5 K，磁場(chǎng)約為18 T）。根據(jù)圖2（c）可以看出在磁場(chǎng)變化的情況下，霍爾電阻（[RH]）是一層層的、類(lèi)似于臺(tái)階的結(jié)構(gòu)，霍爾電阻為[RH=hne2]（n為非零整數(shù)）。兩年后，華裔物理學(xué)家崔琦和Horst Stormer、Arthur Gossard在更低溫度和更高磁場(chǎng)（溫度約為0.1 K，磁場(chǎng)約為20 T）的條件下，測(cè)量二維電子系統(tǒng)樣品，觀測(cè)到的臺(tái)階結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，該現(xiàn)象被稱(chēng)為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（FQHE），馮·克里青和崔琦等人分別獲得了1985年度和1998年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1988年，F(xiàn)·D·Haldane發(fā)現(xiàn)在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下也能產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)[7]，該效應(yīng)被稱(chēng)為量子反常霍爾效應(yīng)[圖2（d）]。除電荷外電子中還存在自旋（這是原子物理學(xué)中所涉及的知識(shí)，教師可以簡(jiǎn)單介紹一些相關(guān)知識(shí)），由于電子的自旋方向相反，導(dǎo)致磁場(chǎng)方向相反，所以電子向兩邊堆積，即為自旋霍爾效應(yīng)（SHE）。該現(xiàn)象最早是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校Awschalom團(tuán)隊(duì)在2004年觀測(cè)得到。

2.介紹科技前沿，提升社會(huì)責(zé)任感

從霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)過(guò)了100多年，在這期間科學(xué)家們從未停止過(guò)探索。教師可以介紹有關(guān)霍爾效應(yīng)的前沿研究動(dòng)態(tài)以及在科技上的應(yīng)用。這樣既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能讓學(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，有興趣的學(xué)生將來(lái)可以朝這方面發(fā)展。

量子霍爾效應(yīng)是在二維電子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的，1987年美國(guó)物理學(xué)家Bertrand Halperin提出將量子霍爾效應(yīng)推廣到三維電子系統(tǒng)，但是多年來(lái)并沒(méi)有實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明該猜想。近年來(lái)，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)，張立源教授和喬振華教授等人在有磁場(chǎng)的情況下對(duì)五碲化鋯晶體（ZrTe5）進(jìn)行低溫電傳輸測(cè)量，觀察到接近0的無(wú)耗散縱向電阻率，并伴隨霍爾電阻率平穩(wěn)期。增大磁場(chǎng)后，縱向電阻率和霍爾電阻率均增加，從而首次驗(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[8]。量子霍爾效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是該狀態(tài)下的電子運(yùn)動(dòng)無(wú)能量耗散，所以在一些高速電子器件中可以利用量子霍爾效應(yīng)。例如將該效應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中，可以解決電腦的發(fā)熱問(wèn)題和能量耗散問(wèn)題，但是其缺點(diǎn)是想要利用該效應(yīng)就必須有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，導(dǎo)致制造成本很高，實(shí)際上很難得到應(yīng)用[9]，這也是科學(xué)家們一直為之探索并想要攻克的難題。

2013年，薛其坤院士和他的團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)，薛其坤院士成為首屆未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)得主，楊振寧評(píng)價(jià)這一發(fā)現(xiàn)為“諾貝爾級(jí)的”。量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)溫度很低，各國(guó)科學(xué)家都在為之努力，試圖提高其實(shí)現(xiàn)溫度。研究表明，磁性雜質(zhì)是量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度低的主要原因。科學(xué)工作者們不斷探索新的體系，期望能在較高的溫度下實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)研究組和北京大學(xué)王健研究組利用[MnBi2Te4]在溫度接近60 K的情況下，還能觀測(cè)到霍爾電阻平臺(tái)，表明在更高溫度下實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的可能性很大，同時(shí)這也為科學(xué)家們提供了研究思路，從更多的材料入手，尋找能在更高溫度下實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的材料組合[10]。

張首晟所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)預(yù)言和驗(yàn)證了“量子自旋霍爾效應(yīng)”（QSHE），利用電子自轉(zhuǎn)方向與電流方向之間的規(guī)律使器件的能量耗散問(wèn)題得到解決[11]。基于量子自旋霍爾效應(yīng)，量子自旋電子設(shè)備集成信息處理和存儲(chǔ)單元，可以低功耗地執(zhí)行并運(yùn)行可逆量子計(jì)算[12]。

3.講述科學(xué)家的故事，培養(yǎng)愛(ài)國(guó)情懷

物理學(xué)史上，我國(guó)有很多科學(xué)家的貢獻(xiàn)推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步。在霍爾效應(yīng)這一節(jié)，教師可以向?qū)W生講述華人物理學(xué)家崔琦、張首晟、薛其坤院士等在這一領(lǐng)域的研究成果，以培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和無(wú)私奉獻(xiàn)精神。

通過(guò)講述1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者華裔科學(xué)家崔琦發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的故事，增強(qiáng)學(xué)生作為中國(guó)人的自信心和自豪感。但是該領(lǐng)域甚至整個(gè)物理學(xué)界都沒(méi)有中國(guó)籍物理學(xué)家獲得過(guò)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，為此我國(guó)物理學(xué)家們正在不斷地探索。如薛其坤團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)努力，使量子反常霍爾效應(yīng)的觀測(cè)溫度從最開(kāi)始的30 mK提高到2 K左右，進(jìn)一步提高了量子反常霍爾效應(yīng)的觀測(cè)溫度。這是許多拓?fù)淞孔有?yīng)走向應(yīng)用的關(guān)鍵因素[13]，該研究經(jīng)歷了七年，反映了我國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究，雖然起步較晚，但是有不斷探索、勇往直前的精神。

課程思政要求教師不僅要傳授課本上的知識(shí)，還需要春風(fēng)化雨般地向?qū)W生傳遞正確的價(jià)值觀，因此，為了適應(yīng)新時(shí)代的教學(xué)改革與創(chuàng)新需要，教師要不斷更新自己的知識(shí)庫(kù)，對(duì)教材進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，充分挖掘教材中隱含的思政元素，以期達(dá)到德育教育的目的。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

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（責(zé)任編輯 易志毅）