抓好二次开发 落实课程思政

郑进 曹海霞

[摘 要] 文章基于“立德树人”的根本目标，对高中物理选修教材中“霍尔元件”部分的育人素材进行了分析探讨，具体从“对比新旧教材”“分析竞赛题”“二次开发教材，挖掘思政元素”三个方面进行分析探讨。

[关键词]课程思政;霍尔效应;育人功能

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）35-0039-03

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人[1]。教育工作者必须充分发挥课堂的育人作用，推动思政课程向课程思政转变。霍尔效应自19世纪末发现到目前为止已经经历了140多年，除了霍尔效应，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。普通高中物理选修教材中的拓展部分初步介绍了霍尔元件及霍尔效应，教师应充分挖掘本节内容中的育人价值，既向学生传授理论层面的知识，又帮助学生树立正确的价值观。

一、霍尔效应的新旧教材对比

与旧教材相比较（表1），新教材中的霍尔元件属于拓展学习内容，教师可以在教材的基础上再进行适当的补充。新教材中介绍了霍尔发现霍尔效应的历史，并给出了霍尔效应的定义，要求教师对霍尔效应进行讲解及适当拓展。新教材中没有直接给出霍尔电压和磁感应强度之间的具体关系式，而是需要教师引导学生自己推出公式，对学生的要求有所提高。新教材中还加入了霍尔元件的应用，介绍了利用霍尔元件测量微小位移的原理，将物理知识运用到实际生活中。

二、竞赛题分析

有的高考题和竞赛题涉及霍尔效应，这类题可以用来考查学生运用物理知识解决实际问题的能力[2]，如第34届全国物理竞赛预赛题。

【题目】把沿[x]方向通有电流（[x]方向的电场强度为[E]）的长方体形的半导体材料，放在沿[z]方向的匀强磁场中，半导体材料的六个表面分别与相应的坐标平面平行;磁感应强度大小为[Bz]，在垂直于电场和磁场的[+y]或[-y]方向将产生一个横向电场[Ey]，这个现象称为霍尔效应，由霍尔效应产生的电场称为霍尔电场。实验表明霍尔电场[Ey]与电流的电流密度[Jx]和磁感应强度[Bz]的乘积成正比，即[Ey=RHJxBz]，比例系数[RH]称为霍尔系数。某半导体材料样品中有两种载流子：空穴和电子，空穴和电子在单位电场下的平均速度（即载流子的平均速度与电场成正比的比例系数）分别为[μp]和[-μn]，空穴和电子的数密度分别为[p]和[n]，电荷分别为[e]和[-e]，试确定该半导体材料的霍尔系数。

该题的求解思路如下：如图1所示，先通过空穴和电子在[y]方向上的电流密度和平均速度以及[Jy=0]得出[Ey=pμp2-nμn2（pμp+nμn）ExBz]这个式子，然后根据霍尔系数的定义，由[x]方向的电流密度和速度表达式可得到[RH=pμp2-nμn2e（pμp+nμn）2]这个最终结果。

该题的主要考查点在于对霍尔效应公式的灵活运用，本题涉及空穴、电子，因此考查的点更加细致微观。学生在解答这道题时存在的主要问题是对背景的微观机制理解不清，分析不到位[3]，大多数学生只是机械地套用公式，因此难以正确求解。学生要想正确解答这道题，不仅要知道这个公式的物理意义，更要知道它的来龙去脉。

三、教材的二次开发[4]——挖掘思政元素

目前，高中物理课堂教学中的育人功能，有时是生硬、刻意地贴标签[5]。在实际教学中，不少教师依旧是讲完课本上的内容即可，或者是直截了当地告诉学生其中的价值观，而课程思政要求教师在课程教学中对学生的思想、行为起到潜移默化的影响。就这部分内容而言，教材只简单介绍了霍尔效应，在教学实践中，教师可以拓展该部分内容，介绍霍尔效应的发展史及其衍生的一系列效应，结合时事介绍霍尔效应的最新动态，讲述我国科学家的故事，培养学生的爱国情怀和社会责任感。

1.介绍霍尔效应的发展史，拓宽学生视野

从霍尔效应到量子霍尔效应再到自旋霍尔效应，其间发展了100多年。在这100多年里，很多科学家为之努力探索。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的发展史，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。

1880年美国物理学家霍尔发现了霍尔效应[图2（a）]，此后的几年里他一直致力于研究该现象，十年后他又发现在没有磁场的情况下也能观测到霍尔效应，该现象被称为反常霍尔效应（AHE）[图2（b）][6]。但迄今为止，对反常霍尔效应还没有建立起完整的理论体系来证明其实验结果。

1980年德国物理学家冯·克利青发现了量子霍尔效应[图2（c）]，后来又被定义为整数量子霍尔效应（IQHE）。该效应是在低温强磁场下发现的（温度约为1.5 K，磁场约为18 T）。根据图2（c）可以看出在磁场变化的情况下，霍尔电阻（[RH]）是一层层的、类似于台阶的结构，霍尔电阻为[RH=hne2]（n为非零整数）。两年后，华裔物理学家崔琦和Horst Stormer、Arthur Gossard在更低温度和更高磁场（温度约为0.1 K，磁场约为20 T）的条件下，测量二维电子系统样品，观测到的台阶结构更加精细，该现象被称为分数量子霍尔效应（FQHE），冯·克里青和崔琦等人分别获得了1985年度和1998年度诺贝尔物理学奖。1988年，F·D·Haldane发现在无外加磁场的情况下也能产生量子霍尔效应[7]，该效应被称为量子反常霍尔效应[图2（d）]。除電荷外电子中还存在自旋（这是原子物理学中所涉及的知识，教师可以简单介绍一些相关知识），由于电子的自旋方向相反，导致磁场方向相反，所以电子向两边堆积，即为自旋霍尔效应（SHE）。该现象最早是由美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Awschalom团队在2004年观测得到。

2.介绍科技前沿，提升社会责任感

从霍尔效应被发现至今，已经过了100多年，在这期间科学家们从未停止过探索。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。这样既能激发学生的学习兴趣，又能让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，有兴趣的学生将来可以朝这方面发展。

量子霍尔效应是在二维电子系统中发现的，1987年美国物理学家Bertrand Halperin提出将量子霍尔效应推广到三维电子系统，但是多年来并没有实验能证明该猜想。近年来，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，张立源教授和乔振华教授等人在有磁场的情况下对五碲化锆晶体（ZrTe5）进行低温电传输测量，观察到接近0的无耗散纵向电阻率，并伴随霍尔电阻率平稳期。增大磁场后，纵向电阻率和霍尔电阻率均增加，从而首次验证了“三维量子霍尔效应”，并发现了全新的物态和机制[8]。量子霍尔效应的优点是该状态下的电子运动无能量耗散，所以在一些高速电子器件中可以利用量子霍尔效应。例如将该效应用于计算机中，可以解决电脑的发热问题和能量耗散问题，但是其缺点是想要利用该效应就必须有很强的磁场，导致制造成本很高，实际上很难得到应用[9]，这也是科学家们一直为之探索并想要攻克的难题。

2013年，薛其坤院士和他的团队首次观测到量子反常霍尔效应，薛其坤院士成为首届未来科学大奖得主，杨振宁评价这一发现为“诺贝尔级的”。量子反常霍尔效应的实现温度很低，各国科学家都在为之努力，试图提高其实现温度。研究表明，磁性杂质是量子反常霍尔效应实现温度低的主要原因。科学工作者们不断探索新的体系，期望能在较高的温度下实现量子反常霍尔效应。复旦大学、清华大学研究组和北京大学王健研究组利用[MnBi2Te4]在温度接近60 K的情况下，还能观测到霍尔电阻平台，表明在更高温度下实现量子反常霍尔效应的可能性很大，同时这也为科学家们提供了研究思路，从更多的材料入手，寻找能在更高温度下实现量子反常霍尔效应的材料组合[10]。

张首晟所领导的团队预言和验证了“量子自旋霍尔效应”（QSHE），利用电子自转方向与电流方向之间的规律使器件的能量耗散问题得到解决[11]。基于量子自旋霍爾效应，量子自旋电子设备集成信息处理和存储单元，可以低功耗地执行并运行可逆量子计算[12]。

3.讲述科学家的故事，培养爱国情怀

物理学史上，我国有很多科学家的贡献推动了社会进步。在霍尔效应这一节，教师可以向学生讲述华人物理学家崔琦、张首晟、薛其坤院士等在这一领域的研究成果，以培养学生的民族自豪感和无私奉献精神。

通过讲述1998年诺贝尔物理学奖获得者华裔科学家崔琦发现分数量子霍尔效应的故事，增强学生作为中国人的自信心和自豪感。但是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。如薛其坤团队经过努力，使量子反常霍尔效应的观测温度从最开始的30 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[13]，该研究经历了七年，反映了我国科学家在这一领域的研究，虽然起步较晚，但是有不断探索、勇往直前的精神。

课程思政要求教师不仅要传授课本上的知识，还需要春风化雨般地向学生传递正确的价值观，因此，为了适应新时代的教学改革与创新需要，教师要不断更新自己的知识库，对教材进行二次开发，充分挖掘教材中隐含的思政元素，以期达到德育教育的目的。

[   参   考   文   献   ]

[1]  高德毅，宗爱东.课程思政：有效发挥课堂育人主渠道作用的必然选择[J].思想理论教育导刊，2017（1）：31-34.

[2]  吴亚梅.涉及霍尔效应问题易错点的剖析[J].中学物理教学参考，2019，48（17）：66-67.

[3]  岳亮.分析物理情景 构建科学模型：解析电场力与洛仑兹力在现代科技中的应用[J].中学教学参考，2010（5）：76-77.

[4]  尹庆丰.“课程思政”融入高中物理课堂教学初探[J].物理教师，2020，41（6）：69-72.

[5]  范永梅.科学施策落实物理学科德育功能[J].物理教师，2020，41（12）：2-4，8.

[6]  NAGAOSA N， SINOVA J，ONODA S，et al.Anomalous hall effect[J].Reviews of modern physics，2010，82（2）：1539-1592.

[7] HALDANE F D M.Model for a quantum Hall effect without Landau levels：Condensed-matter realization of the “Parity Anomaly“[J].Physical review letters，1988，61（18）：2015-2018.

[8]  TANG F D， REN Y F，WANG P P， et al.Three-dimensional quantum Hall effect and Three-dimensional quantum Hall effect and metal——insulator transition in ZrTe5[J].Science Foundation in China，2019，27（3）：25.

[9]  李海.量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程[J].大学物理，2014，33（12）：23-26.

[10]  冯硝，何珂，王亚愚，马旭村，等.量子反常霍尔效应研究进展[J].科学通报，2020，65（9）：800-809.

[11]  张琳，米斌周.量子霍尔效应的研究及进展[J].华北科技学院学报，2014，11（03）：61-65.

[12]  KÖNIG M，BUHMANN H，MOLENKAMP L W，et al.The quantum spin hall effect：theoryMarkus König，Hartmut Buhmann，Laurens W.Molenkamp，Taylor Hughes，Chao-Xing Liu，Xiao-Liang Qi，Shou-Cheng Zhang. The Quantum Spin Hall Effect：Theory and Experiment[J].Journal of the Physical Society of Japan，2008，77（3）：1-32.

[13]  冯硝，何珂，薛其坤.磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应[J].哈尔滨工业大学学报，2020，52（6）：1-11.

（责任编辑 易志毅）