大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程微課視頻設(shè)計(jì)與制作
——以霍爾效應(yīng)測定螺線管內(nèi)磁場為例*

王麗光，朱長明，劉富池，孔文婕，余貴波

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引言

近年來，由于經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷提升以及手機(jī)等智能電子設(shè)備的普及等諸多因素，使得線上教學(xué)課程受到了人們廣泛的關(guān)注，且有望成為進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量的新途徑。特別是在2020年春季學(xué)期，新冠疫情的爆發(fā)致使全國大量學(xué)校開展了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，也為線上教學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在眾多線上教學(xué)手段中，微課因“小而精”的特點(diǎn)而受到了人們廣泛的關(guān)注。微課是指運(yùn)用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)，按照學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和思維方式呈現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程及生活素材的結(jié)構(gòu)化的電子信息資源。微課在很大部分來說本質(zhì)上是小段的課堂教學(xué)視頻，另外還包含與微課課題內(nèi)容相關(guān)的，由設(shè)計(jì)者制作而成的PPT課件、試卷測試或課堂練習(xí)再加上課后反饋、教學(xué)評價(jià)等屬于輔助教師教與學(xué)生學(xué)的教學(xué)資源，各個(gè)部分相結(jié)合共同創(chuàng)建了了一個(gè)邏輯結(jié)構(gòu)清晰、主題分明的資源小環(huán)境。

微課教學(xué)相較于其他線上教學(xué)模式而言，具有教學(xué)時(shí)長短、教學(xué)內(nèi)容精、資源容量小、資源組成情景化、普及度高、多樣傳播等鮮明特點(diǎn)[1,2]。目前已有部分研究表明，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中引入微課視頻教學(xué)，有助于學(xué)生進(jìn)一步深刻認(rèn)識相關(guān)理論知識的同時(shí)，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能的提高也有較好幫助。利用霍爾效應(yīng)測量通電螺線管內(nèi)磁場作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，其物理模型早在中學(xué)時(shí)就已學(xué)過。然而由于中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的匱乏，導(dǎo)致學(xué)生不能直觀的在腦海中構(gòu)建相關(guān)物理模型，且霍爾電壓、勵(lì)磁電流、工作電流等諸多因素之間的復(fù)雜關(guān)系導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)具有一定的難度。本文以霍爾效應(yīng)測螺線管內(nèi)磁場實(shí)驗(yàn)為例，嘗試在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入微課視頻教學(xué)的方法展開研究，旨在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、理解相關(guān)知識的同時(shí)，也進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究的實(shí)踐能力。

2 霍爾效應(yīng)測螺旋管內(nèi)磁場基本原理

霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上來講是有初速度的帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用，之后運(yùn)動方向發(fā)生改變，進(jìn)而偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。在固定材料中，帶電粒子的這種方向偏轉(zhuǎn)會導(dǎo)致在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電荷積累，從而形成附加電場。如圖1所示，若在半導(dǎo)體材料的在Z方向加入磁場，在垂直于Z方向的X方向通入工作電流Is，那么在半導(dǎo)體材料的Y方向的兩端就會分別積累正電荷和負(fù)電荷，從而形成相應(yīng)的附加電場，相對應(yīng)的電壓即為霍爾電壓UH。

圖1 霍爾效應(yīng)測量磁場原理圖

在導(dǎo)體內(nèi)，由于磁場以及電場的影響，運(yùn)動的電荷受到橫向電場力F0與洛倫茲力Fm，隨著半導(dǎo)體Y 方向兩側(cè)電荷數(shù)量的積累，F(xiàn)0逐漸增大，直至與Fm相等，此時(shí)有

其中EH代表的是霍爾電場，則是電荷在電場方向上的平均速度。

設(shè)半導(dǎo)體的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則

由式(1)和式(2)可得

由上式可得霍爾電壓UH與霍爾電流IS成正比，也與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，與試樣厚度d成反比。其中RH稱為霍爾系數(shù)，是反映霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)。對于已經(jīng)被制作好的霍爾元件，其厚度和霍爾系數(shù)是不變的，因此，(3)式可以寫成

其中KH，稱為霍爾元件的靈敏度，它表示該元件在單位工作電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下輸出的霍爾電壓。KH的單位為mV/ (mA·T)。因?yàn)?4)式中KH為已知值，因此在實(shí)驗(yàn)中只需測量得到IS-UH的數(shù)值，即可求得磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

3 微課視頻的設(shè)計(jì)與制作

3.1 微課的選題

微課視頻制作的首要任務(wù)要確定相關(guān)內(nèi)容的選題，教師針對不同的課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)，選取適合制作微課的教學(xué)內(nèi)容和知識點(diǎn)。本文選取大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“霍爾效應(yīng)測定通電螺線管內(nèi)軸向磁場分布”進(jìn)行微課的設(shè)計(jì)與制作。霍爾效應(yīng)模型較為復(fù)雜，通過微課視頻的制作，有助于提升學(xué)生理解該效應(yīng)的物理內(nèi)涵，另外該實(shí)驗(yàn)中測量數(shù)據(jù)較多，微課視頻也有助于學(xué)生理清實(shí)驗(yàn)思路，并培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)，提升其綜合實(shí)踐能力。

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)有助于提高微課視頻的流暢性與可讀性。本節(jié)微課主要應(yīng)用于需要進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的物理專業(yè)本科生，微課設(shè)計(jì)由兩部分組成，一是實(shí)驗(yàn)理論內(nèi)容的教學(xué)，二是實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作的教學(xué)。

(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，采用PPT 多媒體教學(xué)的方法，聽過屏幕錄制錄取相關(guān)畫面及畫外音。本次實(shí)驗(yàn)首先要對實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行講解，讓學(xué)生對本次實(shí)驗(yàn)有清晰的方向和目標(biāo)，并需要獲得怎樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)原理是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)，也是學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的理論背景。在實(shí)驗(yàn)原理的講授方面，首先從諾貝爾獎(jiǎng)“明星效應(yīng)”之一霍爾效應(yīng)出發(fā)，結(jié)合科學(xué)前沿知識，講述霍爾效應(yīng)的重要性。進(jìn)一步由霍爾效應(yīng)的模型出發(fā)，推到出霍爾電壓與磁場之間的關(guān)系，以及如何利用霍爾效應(yīng)在通電螺線管中進(jìn)行磁場的測定。進(jìn)一步，引出本次實(shí)驗(yàn)課程的難點(diǎn)——霍爾電壓的對稱測量法，即在任何一位置進(jìn)行霍爾電壓測量時(shí)，均需要進(jìn)行工作電流和勵(lì)磁電流的四次換向，以消除由不等式電壓降、熱電、熱磁等效應(yīng)引起的附加電壓[3]。最后，給出本次實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容和步驟，包括UH-IS 曲線、UH-IM 曲線的測定以及驗(yàn)證螺線管端口的磁感應(yīng)強(qiáng)度為中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的1/2，并給出相關(guān)數(shù)據(jù)記錄的參考表格。

(2)實(shí)驗(yàn)實(shí)施的教學(xué)設(shè)計(jì)

對于實(shí)驗(yàn)實(shí)施的教學(xué)設(shè)計(jì)，利用錄像設(shè)備及三腳架，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)操錄制。首先說明本次實(shí)驗(yàn)課題為利用霍爾效應(yīng)測定通電螺線管內(nèi)磁場分布，而后進(jìn)行儀器的連接以及講解的教學(xué)，本次實(shí)驗(yàn)的儀器連接比較簡單，所以在實(shí)驗(yàn)儀器的連接上不作過多講解，對于實(shí)驗(yàn)儀器學(xué)生需要了解清楚，所以需要講解，講解儀器的使用方法、表頭顯示、旋鈕作用、螺線管以及霍爾元件所在位置的讀取。講解實(shí)驗(yàn)儀器完畢后，開始實(shí)驗(yàn)演示，在實(shí)驗(yàn)操作的過程中，需先表明這是那部分的內(nèi)容，而后開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟必須詳細(xì)清晰且要加以說明。本次實(shí)驗(yàn)有三個(gè)部分，每部分只對一組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)的講解。

3.3 微課的制作

3.3.1 PPT 的制作

PPT 的制作在微課中不可或缺。PPT 制作較好有利于后續(xù)微課視頻剪輯，同時(shí)也會降低設(shè)計(jì)者的工作量。本次微課PPT 制作的目的是講解理論內(nèi)容，例如實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹x器原理等。PPT 的整體布局從實(shí)驗(yàn)課題出發(fā)，然后到實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)一步是實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容與步驟、最后是數(shù)據(jù)記錄。整個(gè)PPT 內(nèi)容應(yīng)具有較強(qiáng)邏輯性。一開始的PPT 頁面是實(shí)驗(yàn)課題，明確告訴學(xué)生今天的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。下一步內(nèi)容包含霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)原理和儀器都應(yīng)附加對應(yīng)的圖片，以幫助學(xué)生進(jìn)一步直觀的了解相關(guān)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)原理并附上相關(guān)公式的簡單推導(dǎo)，引出磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算公式以及測試方法。進(jìn)一步要著重講解霍爾電壓測量過程中的附加效應(yīng)，以及如何使用對稱測量法消除這些附加效應(yīng)。接下來是本次實(shí)驗(yàn)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟，介紹本次實(shí)驗(yàn)有三個(gè)任務(wù)，即測量UH-IS 關(guān)系、UH-Im 關(guān)系和B-X 關(guān)系，并給出參考的數(shù)據(jù)記錄表格。PPT 內(nèi)容排列以及講解上，需符合微課內(nèi)容的結(jié)構(gòu)性以及教學(xué)設(shè)計(jì)思想，且在背景上與內(nèi)容協(xié)調(diào)一致。

3.3.2 視頻的制作與剪輯

本次微課視頻的錄制使用錄屏軟件錄制和攝像機(jī)錄制兩種模式結(jié)合。

在對于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講解上使用電腦錄屏軟件的錄制模式，本次微課選題是霍爾效應(yīng)測定通電螺線管內(nèi)軸向磁場分布，錄制者需提前按教學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備好PPT 課件。在錄制之前，設(shè)計(jì)者需要選擇安靜合適的環(huán)境，然后打開屏幕錄像軟件打開和PPT 課件，調(diào)整好聲音音量，進(jìn)行試錄，查看麥克風(fēng)以及像素是否有問題，之后開始真正的錄制，過程中，設(shè)計(jì)者需要按照預(yù)先設(shè)定的腳本講解PPT 的內(nèi)容，并邊講解邊使用屏幕工具標(biāo)明重點(diǎn)，展示教學(xué)內(nèi)容。在錄制完成后保存視頻并檢查，剪輯視頻加上字幕，如圖2 所示。

圖2 微課理論視頻講解部分剪輯與制作

對于實(shí)驗(yàn)實(shí)操過程采用攝像機(jī)錄制模式，將攝像機(jī)用三腳架固定在合適位置，保持拍攝主體整潔、清晰，避免畫面出現(xiàn)抖動、搖晃、模糊或傾斜。拍攝角度保證全套螺線管磁場測定實(shí)驗(yàn)組合儀全部在鏡頭之內(nèi)，且要注意手部細(xì)節(jié)動作的拍攝。開始拍攝前進(jìn)行試拍保證說話音量合適，畫面清晰，沒有問題之后進(jìn)行真正的錄制。本次實(shí)驗(yàn)錄制，首先對真實(shí)儀器進(jìn)行介紹，介紹完之后將霍爾電壓、霍爾電流、勵(lì)磁電流開始對應(yīng)著連接，然后再簡單介紹一下本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及本次實(shí)驗(yàn)需要測量得出的UH-IS 關(guān)系、UH-Im 關(guān)系、B-X關(guān)系，測量過程做簡單演示，測量時(shí)也需要加上合適的講解。對于霍爾電壓的測量，采用對稱測量法，每次測量都要斷開勵(lì)磁電流讀出零點(diǎn)讀數(shù)，即每次改變勵(lì)磁電流或工作電流的方向時(shí)都要讀出U0。對于UH-IS關(guān)系的實(shí)驗(yàn)操作，由于需要測量多組數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)步驟是一樣的，所以本次錄制只錄制一組數(shù)據(jù)的操作和講解。而UH-Im 關(guān)系與UH-Is 關(guān)系的實(shí)驗(yàn)操作是一樣的，所以在錄制中只簡單說明這部分的內(nèi)容，不再進(jìn)一步錄制測量數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證B-X 的關(guān)系，所以在對此部分內(nèi)容上實(shí)驗(yàn)也詳細(xì)講解了一組數(shù)據(jù)的測量步驟。實(shí)驗(yàn)操作錄制完成之后開始進(jìn)行剪輯，如圖3 所示。

圖3 微課實(shí)驗(yàn)實(shí)操部分截圖

將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容PPT 的講解錄屏和實(shí)驗(yàn)操作的視頻拍攝講解進(jìn)行剪輯、合并等操作。本次剪輯使用剪映軟件對視頻進(jìn)行剪輯，剪輯過程中剪去一些多余的話語，以及操作失誤的地方，以及記錄需要補(bǔ)的鏡頭并重新拍攝制作，視頻剪輯完成后，對視頻加上字幕以及部分說明，本次微課視頻制作即全部完成。

4 結(jié)論

本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常見的“霍爾效應(yīng)測通電螺線管內(nèi)磁場”為例，進(jìn)行了微課視頻的制作。本文從霍爾效應(yīng)的原理出發(fā)，進(jìn)一步討論相關(guān)微課視頻制作流程，包括實(shí)驗(yàn)選題、教學(xué)設(shè)計(jì)的撰寫以及視頻的拍攝與制作等過程。其中教學(xué)設(shè)計(jì)與視頻均包括實(shí)驗(yàn)理論部分與實(shí)際操作兩部分。理論部分的微課視頻拍攝采用PPT 錄屏+畫外音的形式，實(shí)際操作部分采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場錄制的形式。微課視頻在現(xiàn)代教育中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文旨在通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)微課視頻的拍攝與制作，進(jìn)一步輔助提高相關(guān)學(xué)習(xí)者的自主探究能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>