基于反溯教学法的物理实验课程思政建设的探索.pdf

物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 9基金项目:北京科技大学,2 0 2 2年课程思政特色示范课程项目 理科物理实验&(K C 2 0 2 2 S Z 1 8);北京科技大学,2 0 2 1年度本科教育教学改革重点项目 对标一流本科课程,重构优化 大学物理实验 课程内容体系,建设物理实验金课(J G 2 0 2 1 Z 0 5)。作者简介:李莉,女,工程师,北京科技大学自然科学基础实验中心。主要从事物理实验教学与研究工作,科研方向为颗粒物质运动与多相流,l i l i 1 9u s t b.e d u.c n。通讯作者:吴平,女,教授,北京科技大学数理学院。主要从事物理实验教学与研究工作,科研方向为功能材料制备、颗粒物质物理问题、磁致流动行为等,p i n g w u s a s.u s t b.e d u.c n。引文格式:李莉,张师平,裴艺丽,等.基于反溯教学法的物理实验课程思政建设的探索J.物理与工程,2 0 2 3,3 3(4):8 5-9 4.C i t e t h i s a r t i c l e:L I L,Z HAN G S P,P E I Y L,e t a l.E x p l o r a t i o n o f i d e o l o g i c a l a n d p o l i t i c a l c o n s t r u c t i o n o f c o l l e g e p h y s i c s e x p e r i m e n t c o u r s e b a s e d o n r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o dJ.P h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g,2 0 2 3,3 3(4):8 5-9 4.(i n C h i n e s e)基于反溯教学法的物理实验课程思政建设的探索李 莉1 张师平2 裴艺丽1 谢子昂2 陈 森1 吴 平2(北京科技大学1自然科学基础实验中心;2数理学院,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要 物理实验具有天生的“思政”教育属性,可以帮助学生树立爱国情怀,为培养学生客观进取、实事求是的世界观和人生观奠定基础。为实现高质量人才培养的目标,我们提出了物理实验的反溯效教学法,将现代科学技术新发展引入物理实验课程内容,激发学生探索欲和创造欲的同时,深挖物理实验中的思政元素,以此打通前沿科技发展、基本物理原理与现象、课程价值引领之间的联系,探索了物理实验的知识传授、能力提高与价值塑造三位一体的育人模式。本文以霍尔效应实验为例,探索了基于反溯效教学法的思政元素融入物理实验课程的方法。关键词 物理实验;课程建设;课程思政;反溯教学法E X P L O R A T I O N O F I D E O L O G I C A L A N D P O L I T I C A L C O N S T R U C T I O N O F C O L L E G E P H Y S I C S E X P E R I ME N T C O U R S E B A S E D O N R E T R O A C T I V E T E A C H I N G ME T H O DL I L i1 Z H A N G S h i p i n g2 P E I Y i l i1 X i e Z i a n g2 C H E N S e n1 WU P i n g2(1 B a s i c E x p e r i m e n t a l C e n t e r f o r N a t u r a l S c i e n c e;2 S c h o o l o f M a t h e m a t i c s a n d P h y s i c s,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3)A b s t r a c t P h y s i c s e x p e r i m e n t s h a v e n a t u r a l a d v a n t a g e s o n i d e o l o g i c a l a n d p o l i t i c a l e d u c a t i o n,w h i c h c a n h e l p s t u d e n t s b r i n g u p t h e p a t r i o t i c f e e l i n g a n d l a y f o u n d a t i o n f o r t h e i r o b j e c t i v e,e n t e r p r i s i n g,a n d p r a g m a t i c w o r d-v i e w a n d l i f e-v i e w.I n o r d e r t o c u l t i v a t e h i g h-q u a l i t y i n n o v a-t i v e t a l e n t s,w e p r o p o s e d t h e r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d f o r t h e c o l l e g e p h y s i c s e x p e r i m e n t c o u r s e.T h e n e w d e v e l o p m e n t o f m o d e r n s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d i n t o t h e c o n t e n t o f p h y s i c s e x p e r i m e n t c o u r s e t o s t i m u l a t e s t u d e n t s d e s i r e t o e x p l o r e a n d c r e a t e,a n d t o d i g d e e p i n t o t h e i d e o l o g i c a l a n d p o l i t i c a l e l e m e n t s i n p h y s i c s e x p e r i m e n t,s o a s t o o p e n u p t h e r e-l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d e v e l o p m e n t o f c u t t i n g-e d g e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y,b a s i c p h y s i c s p r i n-c i p l e s a n d p h e n o m e n a,a n d c u r r i c u l u m v a l u e g u i d a n c e,a n d e x p l o r e t h e t r i n i t y e d u c a t i o n m o d e o f k n o w l e d g e i m p a r t i n g,a b i l i t y i m p r o v e m e n t a n d v a l u e s h a p i n g o f p h y s i c s e x p e r i m e n t.T a k-i n g t h e H a l l e f f e c t e x p e r i m e n t a s a n e x a m p l e,t h i s p a p e r e x p l o r e s t h e m e t h o d o f i n t e g r a t i n g i d e o l o g i c a l a n d p o l i t i c a l e l e m e n t s i n t o t h e p h y s i c s e x p e r i m e n t c o u r s e b a s e d o n t h e b a c k t r a c k i n g e f f e c t t e a c h i n g m e t h o d.58物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3K e y w o r d s p h y s i c a l e x p e r i m e n t s;c u r r i c u l u m c o n s t r u c t i o n;i d e o l o g i c a l a n d p o l i t i c a l e d u c a-t i o n;r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d 2 0 1 7年2月,中共中央、国务院 关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见1提出,坚持全员全过程全方位育人。2 0 2 0年5月,教育部颁发了 高等学校课程思政建设指导纲要,以提高人才培养质量这一核心要务为主线,部署高校结合学科专业特点全面推进课程思政建设。因此,如何将思想政治教育贯穿教育教学全过程,立德树人的同时提高人才培养能力,实现全程育人、全方位育人,是当前国内各个高校普遍关注、热烈讨论并积极开展教学实践的一个重大课题2。物理实验课程是高等学校理工科类专业对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程3。物理实验内容具有很强的逻辑性、思想性和方法性,蕴含着朴素但深刻的辩证唯物主义思想,物理实验过程很多是人类物理知识获得过程的浓缩再现过程,在引导学生掌握理论学习和实验科学结合的意识和方法,培养学生科学素养、创新能力等方面具有明显优势4。物理实验教学与思政教育目标一致,通过实验教学培养学生思想道德品质十分必要性并且切实可行5。因此,物理实验课程在全面推进课程思政建设中应积极作为、主动作为、创新作为。本文以北京科技大学吴平教学团队提出反溯教学法为基础,将现代科学技术新发展引入物理实验课程内容,同时深挖物理实验中的思政元素,打通前沿科技发展、基本物理原理与现象、课程价值引领之间的联系,探索了物理实验的知识传授、能力提高与价值塑造三位一体的育人模式。1 物理实验课程思政的先天优势物理实验在融入课程思政教育方面具有独特的先天优势。充分发挥物理实验课程的优势,深入挖掘这些资源,自然融入教学过程,既有利于高质高效完成物理实验课程内容,又有利于对学生的思想价值引领,实现大学物理实验课程的课程思政。1.1 物理实验课程开设于学生思想价值引领的关键时期 物理实验课程是高等学校理工科类专业对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程,是本科生接 受 系 统 实 验 方 法 和 实 验 技 能 训 练 的 开端3,面向各高校理工科大学低年级学生开设。而这些年级的学生正处于树立思想、形成人生观和世界观的关键年龄与黄金时期。为抓住这段关键时期,实现全过程全方位育人,急需物理实验课程积极主动地充分发挥它的思想价值引领作用。1.2 物理实验课程内容充分体现了“格物致理”的过程 物理实验课程内容涵盖力、热、光、电和近代物理等诸多分支学科,知识覆盖面宽,学生受益面广,兼具理论与实践相结合、创新与应用相结合的特征和优点。不仅仅教给学生物理实验知识、培养动手能力,也能带给学生实事求是的科学思维。通过对实验现象的观察和分析、对物理量的测量与计算,培养学生的科学素养,训练学生的科学思维。在每一个物理实验中都涉及一些物理方法与思想,了解这些方法与思想,有利于培养学生认知问题、提出问题与解决问题的能力,为学生适应科技进步和社会发展变化奠定了必要的基础。1.3 物理实验课程天然具有丰富的思政内涵物理实验中许多成就本身即是人类实现价值理想的成果,体现了人类追求真理、不断超越的精神品质内涵。例如,科学家们为科学发展而拼搏的奉献精神,不贪图功名利禄的精神和爱国情怀以及民族自豪感;在研究中勇于创新、不畏权威、锲而不舍的探索精神;物理实验中严谨求实、诚实守信、团结协作的专业操守6。此外,物理实验通过实验研究物质运动及其规律,其研究内容和对象,与辩证唯物主义哲学的物质观及其运动观有着密不可分的联系。物理实验自然蕴含着的马克思主义哲学思想,有助于培养学生的哲学思维,树立科学的世界观和方法论。同时,物理实验课程还可以培养学生的思想道德素质和爱国主义情感。改革开放以来,我国物理学家们牺牲个人利益,纷纷投身祖国的科研事业。“两弹一星”、载人航天、月球探测、深海载人潜水、建造空间站与太空实验室等显著成绩,增强学生的民族自信心和自豪感,激发学生的爱国情怀,培养学生为中国崛起努力学习的热情7。68物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 32 反溯教学法为切实提高教学质量,我们提出了物理实验图1 在物理实验中融入思政元素的设计方案的反溯教学法,即以学生实践能力与创新意识培养为目标,注重学生未来发展的实际需求,将现代科学技术新发展引入物理实验课程内容。反溯教学法的基本思想,是从前沿科技发展及应用反溯其基本物理学概念、原理和现象,激发学生的探索欲和创造欲,全面提升学生的学习兴趣与学习能力,充分挖掘课程潜力,让学生从“要我学”变为“我要学”。同时,在尊重物理实验课程自身建设规律的前提下,坚持“课程承载思政”和“思政寓于课程”的理念,分析物理实验涉及的社会背景、深刻影响与前沿科技应用,寻找激发学生爱国情怀,增强法治意识、社会责任与人文精神的事例,将思想政治教育元素自然融入物理实验的反溯教学过程中,加强课程的价值引领作用。由此,基于反溯教学法充分发挥物理实验课程思政的先天优势,打通在物理实验教学过程中高新技术新发展、基本物理原理与现象、课程价值引领之间的联系,在知识、方法、思想与精神协调统一的基础上,激起学生的好奇心和兴趣,也让学生切实体会到基本物理原理和现象是新技术发展的重要源泉,有助于切实有效地达成教书育人的教学目标。3 基于反溯教学法的霍尔效应思政实例基于反溯教学法的思想,我们对物理实验课程体系与内容进行了全面的建设和深化,构建了一整套大学物理实验课程教学范式,在课程体系建设、学生能力与创新意识培养等诸多方面均发挥了重要作用。在本文中,将以霍尔效应为例,介绍基于反溯效教学法的思政元素融入物理实验课程的探索与实践。3.1 案例设计思路物理实验融入思政元素的设计思路如图1所示。为实现霍尔效应实验教学过程中知识传授、能力提高与价值塑造协调统一,首先,需要充分挖掘霍尔效应的思政元素。如通过讲述霍尔效应实验产生的历史背景与发展沿革历程,使学生知晓78物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3本实验的必要性和历史价值,让学生了解更加丰富的物理知识和背景,从而拓宽视野,培养创新精神;通过了解霍尔效应领域中科学家的贡献与事迹,增强学生的民族自豪感和爱国情怀;通过介绍霍尔效应的前沿高新技术与实际应用,使学生认识到所学内容的实用性,提高理论联系实际的能力,调动学习兴趣与创新精神;通过体会并实践霍尔效应实验内容中的科学方法,培养学生的崇尚实践、认真严谨、实事求是等科学素养。其次,以霍尔效应为主线,充分挖掘每一教学环节中可利用节点,以将思政元素融入教学全过程。以线上S P O C课程与线下实验课程相结合的教学模式,在课前预习、课上讲解与实践、课后撰写实验报告、课后复习与课后拓展各个环节中,引导学生反溯回其中蕴含的基本物理学概念、原理和物理现象,潜移默化融入相关的思政内容,实现立德树人润物无声。最后,采取适当的成绩评定方法,鼓励学生的创新活动。如鼓励学生参加本科生科技创新、物理实验竞赛等,训练运用所学知识发现问题、分析问题、解决问题的能力,以期培养能学以致用、用以促 学、学 用 相 长、知 行 合 一 的 高 质 量 创 新 型人才。3.2 霍尔效应中典型的思政元素3.2.1 霍尔效应发现与发展沿革中的科学精神霍尔效应的原理如图2所示。当霍尔电流IS垂直于外加磁场B通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生附加电场,使半导体的两端产生电势差,即霍尔电压VH。图2 霍尔效应原理示意图注:载流子为电子,外加磁场B沿z轴方向自1 9世纪末发现霍尔效应后,科学家们又发现了反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应等,该领域一共产生了三个诺贝尔物理学奖。随着时代的发展,越来越多的霍尔效应被发现,从而推动了物理学的发展和科学技术的进步。教师在讲这部分内容时,不仅可以讲霍尔效应的内容,也可以适当地拓展介绍霍尔效应实验产生的历史背景与发展沿革历程8-1 1,让学生了解更加丰富的物理知识和背景,从而拓宽他们的视野,培养创新精神。经典霍尔效应。1 8 7 9年,2 4岁的霍尔是霍普斯金大学罗兰教授的研究生。当时还没有发现电子,也没有人知道金属中导电的机理,科学家们对很多问题持有不同的看法。经典电磁理论的创始人麦克斯韦认为“在磁场中的通电导体受到的机械力不是作用于电流上,而是作用 在导体上的”。然而,瑞典物理学家爱德朗则认为磁场作用在固定导体中的电流上,与作用在自由移动的导体上是完全相同的。发现两位学术权威的观点不一致,霍尔萌生了疑问,在与罗兰教授讨论后,决定通过实验研究通电导体在磁场中的受力情况。经历了前期反复的失败,认真分析、调整实验思路后,他大胆想象把导体中的电流类比为管道中的水流,并通过较高精确的实验测量,成功证实了自己的想法。最终,有了霍尔效应这一伟大的发现。经典霍尔效的发现过程可以说明,没有质疑精神就没有科学的发展。面对麦克斯韦这样伟大的物理学家,霍尔没有盲从、敢于质疑、独立思考,以实践作为检验真理的唯一标准。他紧跟科学发展前沿,虚心请教,不畏挫折,始终朝着既定目标坚持不懈。在当时洛伦兹的经典电子论还未建立之时,霍尔敢于大胆想象,当实验失败后勇于创新,善于运用类比的方法,以其超强的实验能力获得了实验的成功1 1,1 2。在教学过程中,融入霍尔效应的发现过程以及科学家霍尔的科学精神,可以让学生体会与领悟到学习不但要敢于质疑,更需要追求真理、严谨求实、不怕失败、坚持到底的精神,同时创新的思维和正确的方法也是成功的关键1 2。霍尔效应的发展沿革。霍尔效应的发现激发了人们在这一领域的研究兴趣,霍尔效应的三个副效应,即埃廷斯豪森效应、能斯特效应和里吉勒迪克效应,相继被发现。此后,磁现象研究取得了许多突破性的进展8:量子霍尔效应:因在极低温度、强磁场中的半导体中发现了量子霍尔效应,德国物理学家88物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3克利青荣获1 9 8 5年度诺贝尔物理学奖;2 0 1 8年,复旦大学修发贤课题组首次在三维空间中发现量子霍尔效应,并在国际权威期刊 自然 发表了研究成果 砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应;2 0 1 9年,中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组首次验证了三维量子霍尔效应,并在 自然 期刊上发表了研究成果。分数量子霍尔效应:继发现量子霍尔效应之后,因在更低温度、更强磁场下发现了分数量子霍尔效应,使得人们对量子现象的认识更进了一步,美籍华裔物理学家崔琦、美籍德裔物理学家施特默、和美国物理学家劳克林荣获1 9 9 8年度诺贝尔物理学奖。这也是继杨振宁、李政道等之后又一位获得诺贝尔物理学奖的华裔科学家。量子反常霍尔效应:1 9 8 8年,美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,即量子反常霍尔效应;2 0 1 0年,我国理论物理学家方忠、戴希等与复旦校友、美国斯坦福教授张首晟教授合作,提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。德国、美国、日本等有多个世界一流研究组受到启发,在实验上寻找量子反常霍尔效应,但均未取得突破。2 0 1 3年,由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队成功在实验上首次观测到了量子反常霍尔效应,薛其坤院士获得了2 0 2 0年度菲列兹伦敦奖。半整数量子霍尔效应:因在石墨烯中发现了半整数量子霍尔效应,两位英国科学家而荣获了2 0 1 0年诺贝尔物理学奖。自旋霍尔效应:2 0 0 4年美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Aw s c h a-l o m团队发现了自旋霍尔效应。量子自旋霍尔效应:2 0 0 6年,复旦校友、美国斯坦福教授张首晟成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应,并于2 0 0 7年与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究。“量子自旋霍尔效应”是美国 科学 杂志评出的2 0 0 7年十大科学进展之一。发展才是硬道理,现代技术的进步高度依赖于科学的发展,而创新更是科学发展的源泉,科学需要创新精神。正是由于科学家们坚持不懈地探索与创新才会有霍尔效应领域中这些新成就的取得1 2。通过讲述霍尔效应的发展沿革过程,可以启发学生理解事物辩证发展的观点,引导学生热爱科学、积极探索、勇于创新,激励其刻苦奋斗、努力学习,为科技发展与人类进步做出贡献。3.2.2 霍尔效应发展过程中科学家的贡献与情怀 物理学家认识自然和世界的历程中充满内涵丰富的科学实践,其中不仅包含丰富的科学知识,也包含了大量的科学精神和人文思想6。在讲解霍尔效应发现及发展沿革过程中,着重讲述我国科学家的贡献与事迹,可以增强学生的民族自豪感和爱国情怀。华裔科学家崔琦因发现分数量子霍尔效应获得了1 9 9 8年诺贝尔物理学奖,而在该领域甚至整个物理学界都没有中国籍物理学家获得过诺贝尔物理学奖。为此,我国物 理学家们正 在不断 地探索;三维量子霍尔效应对测量条件、材料体系的要求异常苛刻,一直是科学家们未能突破难题。2 0 1 8年,复旦大学修发贤课题组首次在三维空间中发现量子霍尔效应,中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组在有磁场的情况下对五碲化锆晶体进行实验,首次验证了“三维量 子 霍 尔 效 应”,并 发 现 了 全 新 的 物 态 和机制1 1;量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应,自1 9 8 8年起不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上却没有取得任何进展。清华大学薛其坤团队一直致力于反常量子霍尔效应的研究,经过坚持不懈的努力,在2 0 1 3年首次实验观测到反常量子霍尔效应。这一发现有望突破摩尔定律的瓶颈,可能推进信息技术巨大的突破,也让中国科学界站在了下一次信息革命的战略制高点1 2。之后,薛其坤团队将观测温度从3 0 mK提高到2 K左右,进一步提高了量子反常霍尔效应的观测温度。这是许多拓扑量子效应走向应用的关键因素1 3。因为在实验上发现量子反常霍尔效应,薛其坤获得2 0 2 0年度菲列兹伦敦奖。从分数量子霍尔效应的发现到反常量子霍尔效应的验证,华裔科学家与中国本土科学家们凭借坚持不懈、精益求精、追求极致的科研精神取得了巨大的成功,也使我国在相关领域中取得了高新技术上的突破。在霍尔效应实验中,教师可以98物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3向学生讲述崔琦、修发贤、张立源、张首晟、薛其坤等华人物理学家在这一领域的研究成果,以中国的科技进步,弘扬了爱国精神,提升民族自豪感。图3 霍尔元测量磁场的应用(a)小鼠风湿性关节炎爪子和非炎症爪子的药物负载磁性纳米粒子(MN P)分布1 4;(b)一种磁导向自电泳驱动式微纳米机器人1 5;(c)一种磁导向气泡推动式管状微纳米机器1 6;(d)星际磁场的阿尔芬特性1 73.2.3 霍尔效应的科学前沿应用,提升社会责任感 霍尔效应的应用十分广泛。它为半导体材料的参数、磁场、无损检测等提供了一种精确测量的途径。霍尔传感器是其典型应用,可以将位移、角度、转速、压力、液位等非电学量转换成电学量进行测量,广泛应用于自动控制装置、电测量和高新信息技术等方面9。教师可以介绍有关霍尔效应的前沿研究动态以及在科技上的应用,既能调动学生的学习兴趣与创新精神,又能引导学生理论联系实际,使学生明白该领域还有很多值得探索的东西,进而培养他们远大的志向。测量磁场。利用霍尔效应可以制造测量磁感应强度 的精 密 仪 器 高 斯 计(又 称 毫 特 斯 拉计)。高斯计的探头是一个霍尔元件,在它的里面是一个半导体薄片。探头在磁场中因霍尔效应而产生霍尔电压,测出霍尔电压后根据霍尔电压公式和已知的霍尔系数可确定磁感应强度的大小。高斯计主要用于测量磁性材料的均匀磁场、表面磁场、永磁电机磁场、电磁铁磁场以及交变磁场的检测。例如,图3所示的测量磁性纳米粒子(MN P)的场分布,用于研究磁性纳米粒子(MN P)在医学领域的靶向控制;调控磁场强度的大小与方向,对09物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3磁性纳米机器人做定向导航等。在人造卫星系统中,对星际磁场及卫星外层空间磁场进行检测,有利于火箭发射及卫星控制。图4 霍尔传感器(a)常见的霍尔元件;(b)转向盘转角传感器;(c)车轮速度传感器转;(d)奥迪V 6发动机传感器执行器安装位置(前视图)1 91霍尔传感器(凸轮轴位置传感器);2爆燃传感器(左侧气缸);3进气温度传感;4爆燃传感器(右侧气);5凸轮轴调节阀(右侧气缸);6机油压力开关霍尔传感器。以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器,可以精确测量力、位移、压差、角度、振动、转速、加速度等各种非电学量。例如,电动跑步机上安装霍尔速度传感器,用于人因意外跌倒后机器的紧急停止;如图4所示,汽车上的汽车霍尔传感器,用于电池检测、动力控制、车身稳定性控制、牵引力控制、安全气囊系统及防抱死制动系统等;姿态传感器安装在宇航员、飞船、卫星与空间站上用于调整姿态,图5展示了天宫空间站组合体调整姿态倾斜超7 0 的景象。霍尔电推进器。霍尔电推进器的应用领域已由 G E O 卫星、低轨卫星扩展至深空探测器、大型载人航天器等方面。霍尔电推进器的原理与外观如图6所示。我国首台霍尔推力器、首台多模式霍尔推力器和首套霍尔电推进系统,达到世界领先水平,可以替代传统的化学燃料为我国的天官空间站持续提供推力。实现了我国霍尔电推进的首次空间飞行,成为第四个掌握霍尔电推进技术的国家。2 0 2 0 年我国霍尔电推进已取得喜人的成绩,实现了推力从毫牛级向牛级的跨越。目前,图5 天宫空间站组合体姿态倾斜超7 0度我国已经研制出多种型号和规格的霍尔电推力器,从牛级到千牛级再到吨级,从低轨到高轨再到深空,从卫星到空间站,对我国的太空技术发展起到了极大的作用。高速电子器件中的应用。量子霍尔效应中电子运动无能量耗散,在一些高速电子器件中有重要应用1 0。例如,量子霍尔效应可以解决和电子器件能量耗散和电脑发热的问题,但因需要强磁19物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3图6 霍尔电推进器(a)霍尔推进器原理示意图2 0,2 1;(b)我国“黎明号”使用的离子推进器;(c)我国天和核心舱的霍尔电推进发动机;(d)欧洲重力场和海洋环流探测卫星(GO C E)2 2场、制造成本很高,难以实际应用1 3。张首晟团队验证了“量子自旋霍尔效应”之后,研究发现利用电子自转方向与电流方向之间的规律,可以降低电子器件的能量耗散1 8,进而研发量子自旋电子设备集成信息处理和存储单元,执行低功耗的可逆量子计算。只有科技才能强国,而科技的发展离不开创新精神。在实验教学中,通过介绍霍尔效应在现代化技术中应用,特别是前沿科技中的应用,使学生了解我国在霍尔效应研究领域中的最新进展,了解科技发展对人们的生活方式以及对社会未来发展的引领作用,以此鼓励学生展望未来,激发勇于探索与敢于创新的精神。同时,将高新科技发展反溯至霍尔效应的基本物理学概念、原理和现象,引导学生理论联系实际,切实体会到基本物理原理和现象是高新技术发展的重要源泉,进而全面提升学生的学习兴趣和学习动力。3.2.4 霍尔效应中的科学方法霍尔效应实验内容要求学生研究霍尔电压与励磁电流和外加磁场的关系,测量磁感应强度与半导体相关参数。不同的参数测量涉及不同的实验思想方法,而领悟与体会实验测量的思想方法是培养学生科学素质的重要方面1 2。在霍尔效应实验中,主要用到了“转换测量法”“控制变量法”“转化法”“对称测量法”等方法。转换测量法。利用霍尔效应进行磁学量与电学量的转换测量,是霍尔效应推广应用的基础。在霍尔效应实验中,使用高斯计测量外加磁场的磁感应强度B。其他实验条件不变,通过改变励磁电流IM,研究磁感应强度B与励磁电流IM的关系,拟合二者的关系曲线并计算出线圈常数(曲线斜率),进而以励磁电流IM为基准去测量未知的磁感应强度B。转换测量法是根据物理量之问的各种效应和函数关系,利用变换原理进行测量的方法。由于物理量之间存在多种效应所以有各种不同的换测法,这正是物理实验最富有启发性和开创性的面。启发学生体会事物的普遍联系性,随着科学技术的发展,物理实验方法渗透到各学科领域,实验物理学也不断向高精度、宽量程、快速测量、遥感测量和自动化测量发展,这一切都与转换测量紧密相关。控制变量法。控制变量法是一种把多因素的问题变成多个单因素的问题的方法。在研究和解决问题时,对影响变化规律的因素加以人为控制,每一次只改变其中一个变量的大小,而控制其他变量不变,从而分别研究每个因素的影响规律。29物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3在霍尔效应实验中,霍尔电压VH=KHISB,其中,VH是霍尔电压,V;KH是霍尔灵敏度,m2/C;IS是霍尔电流,A;B是外加磁场的磁感应强度,A/m。当保持磁感应强度B不变(即保持励磁电流IM不变),通过改变霍尔电流IS,研究霍尔电压VH与霍尔电流IS的关系;当保持霍尔电流IS不变,通 过 改 变 磁 感 应 强 度B(即 改 变 励 磁 电 流IM),研究霍尔电压VH与磁感应强度B之间的关系。控制变量法是科学探究中的重要思想方法。它可以将含有多个自变量与因变量的复杂物理规律简单化,使学生对物理规律产生一定的认识,在此基础上逐渐加深理解。通过由浅到深逐步建立对物理规律的认知,有助于提升学生自身解决实际物理问题的能力,培养学生的科学思维与科学精神。作图法与最小二乘法拟合。作图法是将实验数据之间的关系或其变化情况绘制成图,更形象直观地显示物理量之间的变化规律的方法。作图法在数据处理中是一种很便利的方法,但往往会引入附加误差。为克服这一点,在数理统计中研究直线拟合问题,常用以最小二乘法为基础的实验数据处理方法。在霍尔效应实验中,根据测量获得的实验数据,绘制霍尔电压VH与霍尔电流IS的关系曲线;绘制霍尔电压VH与磁感应强度B的关系曲线,用最小二乘法计算出相应的霍尔灵敏度KH;根据VH-IS与VH-B曲线,计算霍尔系数RH,并进一步计算载流子浓度n。作图法与最小二乘法拟合可以训练学生对基本实验数据的处理能力,以及分析问题的能力。对称测量法。在霍尔效应实验中,在产生霍尔效应的过程中会伴随有各种副效应产生的附加电压叠加在霍尔电压上。由于制造工艺技术的影响,测量霍尔电压的电极很难做到在一个理想的等势面上,两极间会产生不等位电势差VO;由于载流子速度分布不均,霍尔样品两侧聚集了不同速度的载流子导致温度不同,从而产生了温差电动势VE,即埃廷斯豪森效应;由于霍尔样品的电流两端电极与基底接触电阻不同,产生不同的焦耳热并形成两电极间的温度梯度,沿该温度梯度扩散的载流子受到磁场的作用而偏转,产生电位差VN,即能斯特效应;能斯特效应中沿温度梯度扩散的载流子在磁场中发生偏转且速度不同,会再次产生埃廷斯豪森效应,形成温差电动势VR,即里吉 勒迪克效应。不等位电势差VO的方向与霍尔电流IS方向有关;温差电动势VE的方向与霍尔电流IS和磁场B两者有关。电位差VN 与温差电动势VR的方向仅与磁场B方向有关2 3,2 4。因此,在保持霍尔电流IS和强感应强度B的大小不变时,通过依次改变它们的方向就可以基本上消除这些副效应的影响。这就是对称测量法。通过讲解霍尔效应消除副效应的测量方法,训练科学的思维方法,体现辩证唯物主义的思想。虽然有时副效应影响较小,但要追求严谨的科学精神。例如,汽车驾驶安全问题,对霍尔传感器精度要求很高,一些微小测量误差很可能造成严重的后果。4 结语反溯教学法以学生实践能力与创新意识培养为目标,注重学生未来发展的实际需求,将前沿科技发展及应用发引入物理实验课程内容。为充分发挥物理实验在课程思政上的先天优势,我们在教学过程中,融入了物理实验的历史背景与发展沿革历程、科学家的贡献与事迹、前沿科技发展及应用以及实验内容涉及的科学方法中的思政元素。基于反溯教学思想,打通了在物理实验教学过程中高新技术新发展、基本物理原理与现象、课程价值引领之间的联系,探索了物理实验的知识传授、能力提高与价值塑造三位一体的育人模式,促进育人成效与教学质量共同提升。参 考 文 献1 教育部.中共中央国务院印发 关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见 J.社会主义论坛,2 0 1 7(3):4-5.T h e M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,t h e C e n t r a l C o mm i t t e e o f t h e C o m-m u n i s t P a r t y o f C h i n a a n d t h e S t a t e C o u n c i l i s s u e d O p i n i o n s o n S t r e n g t h e n i n g a n d I m p r o v i n g I d e o l o g i c a l a n d P o l i t i c a l W o r k i n C o l l e g e s a n d U n i v e r s i t i e s u n d e r t h e N e w S i t u a t i o n J.S o c i a l i s t F o r u m,2 0 1 7(3):4-5.(i n C h i n e s e)2 黄丽,刘伟龙,赵海发,等.“同向同行”的大学物理实验课程思政教学设计与探索J.物理与工程,2 0 1 9,2 9(S 1):3 7-3 9.HUANG L,L I U W L,Z HAO H F,e t a l.D e s i g n a n d e x-p e r i m e n t i o n o f i d e o l o g i c a l t e a c h i n g i n c o l l e g e p h y s i c s e x p e r i-m e n t c o u r s eJ.P h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g,2 0 1 9,2 9(S 1):3 7-3 9.(i n C h i n e s e)3 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会,物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理实验课程教39物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3学基本要求M.北京:高等教育出版社,2 0 1 0.4 王秀敏.大学物理实验课程教学中课程思政的实践与探索J.教育现代化,2 0 1 9(4 8):2 6 3-2 6 4.WAN G X M.P r a c t i c e a n d e x p l o r a t i o n o f i d e o l o g i c a l a n d p o-l i t i c a l e d u c a t i o n i n c o l l e g e p h y s i