摘要
科學精神的培養與思想方式的薰陶是課程思政建設的基本要求，也是提高科學素養的重要措施。闡述以突出科學素養的培養為核心，將科學精神與科學方式作為主要思政元素融入數學教學，落實學院數學課程思政建設要求。本文以霍爾效應的理論教學內容為例，通過深度挖掘霍爾效應在發現、發展以及應用過程中蘊涵的科學精神，并結合其在學院化學實驗中的科學方式，寓價值觀打造于知識傳授和能力培養之中，最終實現既教書又育人的雙重目的。
關鍵詞課程思政；科學素養；科學精神；科學方式
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為全面推動課程思政建設，落實“立德樹人”的根本戰略任務，教育部印發了《高等中學課程思政建設指導綱要》（簡稱《綱要》）。《綱要》中要求理、工學類課程，在教學中把馬克思主義立場觀點技巧的教育與科學精神的培養結合上去，提升中學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。要重視科學思維方式的訓練和科學倫理的教育，培養中學生探求未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，培養中學生精益求精的大國匠人精神，迸發中學生科技報國的家國情結和使命擔當[1]。可見，科學素養的培養是理工類課程思政建設的核心之一。
化學學作為一門以實驗為基礎的自然科學的帶頭學科，是科學素養培養的最好載體和主戰場。教學大師趙凱華曾在《物理學照耀世界》中說到：“在教育中，對于中學生的科學素養培養，數學課有著無可取代的作用。”要想培養中學生的科學素養，必須使其把握科學知識，學會科學方式，產生科學精神。數學課程教學中科學知識的傳授向來是被注重的，而科學精神與科學方式方面的滲透有所不足，因而有必要強化數學課程中的科學精神與科學方式這種科學素養的培養，將數學教學內容中蘊含著的豐富的科學精神與科學方式充分挖掘下來，以實現“價值重塑”“知識傳授”與“能力培養”三者的有機融合。這也是在數學課程中施行課程思政的一個較好的切實點。“霍爾效應”是學院數學理論和實驗中都涉及的一個重要內容，是課程思政教學實踐的良好載體。本文以霍爾效應為例，深度挖掘其發覺與發展過程中的科學精神與科學方式，因而對中學生的人生觀和價值觀加以良性引導，以培養中學生的科學素養，實現“立德樹人”的育人目標。
1霍爾效應中的科學精神
1.1霍爾效應發覺過程中的科學精神
霍爾效應是一種電磁效應。1879年，24歲的霍爾是霍普斯金學院羅蘭院士的研究生。當時還沒有發覺電子，也沒有人曉得金屬中導電的機理霍爾效應(Halleffect)物理知識大全，科學家們對好多問題持有不同的見解。精典電磁理論的創始人麥克斯韋覺得“在磁場中的通濁度體遭到的機械力不是作用于電壓上，而是作用在導體上的”。但是德國化學學家愛德朗在《單極感應》的論文中卻有著迥然不同的觀點，他覺得磁場作用在固定導體中的電壓上，與作用在自由聯通的導體上是完全相同的。霍爾發覺這兩個學術權威不一致的觀點后萌生了疑惑，在羅蘭院士的鼓勵下，他決定用實驗來研究載流導體在磁場中的受力情況[2,3]。
一開始，霍爾想通過惠斯通電橋檢測載流導體的內阻變化來弄清這個問題，并且經過幾十次反復的實驗都以失敗告終。但是霍爾并沒有因失敗而舍棄研究，而是認真思索、調整實驗思路。他大膽想像，把導體里的電壓類比為管子里的水流。當水流遭到某種側向斥力后，會有側向運動趨勢，假如這時在管子半徑方向上開一小孔、裝上細管，這么連通小孔的細管里都會有水流。同樣電壓在磁場作用下，也會有側向運動趨勢，假如在導體兩邊對應點上聯接細導線，在側向電流作用下，細導線里也會有電壓。根據這一思路，霍爾設計了圖1所示的實驗裝置。他將嵌在玻璃板上的金箔條作為電路的一部份，玻璃板垂直置于磁場中，金箔條兩旁相對兩點接靈敏檢流計的端子，最后實驗成功地否認了他的看法。此后，霍爾又進行了定量的實驗。他除了借助自制的高靈敏度的檢流計精確地測出了極其微弱的電壓，并且還從看似毫無規律的數據中敏銳地發覺了“金箔條兩側對應點的電流與通過其中的電壓和磁感應硬度的乘積成反比”，這也就是我們現今所說的霍爾效應的實驗規律。我們把一載流導體置于方向垂直于電壓的磁場中時，在與磁場和電壓垂直的方向上出現縱向電勢差的現象稱為霍爾效應。霍爾的這一發覺振動了整個科學界，被譽為“過去五十年中電學方面最重要的發覺”，而開爾文則覺得“霍爾的發覺可和法拉第相比擬”。
沒有指責精神就沒有科學的發展。面對精典電磁理論的奠基人麥克斯韋這樣偉大的化學學家，霍爾也不隨大流權威、敢于指責、獨立思索，企圖通過實驗來自行進行科學探求，以實踐作為檢驗真理的惟一標準。他緊隨科學發展前沿，誠懇討教，不畏磨難，一直朝著既定目標堅持不懈。在當時洛倫茲的精典電子論還未完善之時，霍爾勇于大膽想像，當實驗失敗后敢于創新，擅于運用類比的方式，以其強悍的實驗能力獲得了實驗的成功。霍爾的這一精神，也正是在2020年科學家座談會上，習主席所指出的科技創新非常是原始創新要有創造性思辨的能力、嚴格求證的方式，不迷信學術權威，不隨大流既有學說，勇于大膽指責，認真實證，不斷試驗。在教學過程中，融入霍爾效應的發覺過程以及科學家霍爾的科學精神，既是落實習主席所提倡的大力發揚科學家精神，又可以讓中學生感受與體悟到學習不但要勇于指責，更須要追求真理、嚴謹求實、不怕失敗、堅持究竟的精神，同時創新的思維和正確的方式也是成功的關鍵。
1.2霍爾效應發展過程中的科學精神
霍爾效應的發覺，開啟了化學學與科學上的新篇章。許多科學家紛紛轉向這一領域，不久它的三個副效應（埃廷斯豪森效應、能斯特效應和里吉—勒迪克效應）也陸續被發覺。1881年，霍爾又發覺反常霍爾效應，即在金屬磁性材料中不外加磁場，也可以觀測到霍爾效應。
霍爾效應如同一個豐富的銀礦霍爾效應(Halleffect)物理知識大全，一代又一代科學家為之著迷和獻身。自20世紀80年代開始，“量子霍爾效應”數次榮獲諾貝爾獎。1980年，美國化學學家克利青在研究級低濕度、強磁場中的半導體時，發覺了量子霍爾效應。因此，他獲得了1985年的諾貝爾化學學獎。1982年，法籍日裔數學學家崔琦和另外兩名英國化學學家分別在更低的氣溫、更強的磁場下，發覺了分數量子霍爾效應，致使人們對量子現象的認識更進了一步。因此三位科學家入選了1998年的諾貝爾化學學獎[5]。這也是繼楊振寧、李政道等以后又一位獲得諾貝爾化學學獎的亞裔科學家，也再度向世界展示了炎黃子孫對科學的貢獻在與日俱增。2005年，兩位法國科學家因在石墨烯中發覺了半整數量子霍爾效應而入選了2010年諾貝爾化學學獎。“量子霍爾效應家族”成員的不斷降低，推動了一批新興學科和新型材料的蓬勃發展。
發展才是硬道理，現代技術的進步高度依賴于科學的發展，而創新更是科學發展的源泉，科學須要創新精神。正是因為科學家們堅持不懈地探求與創新就會有霍爾效應領域中這種新成就的取得。在教學中通過介紹霍爾效應的發展成就，除了有利于啟發中學生運用辨證發展的觀點看問題，能夠培養其創新思維能力，迸發中學生熱愛科學、積極探求的精神，激勵其努力學習為科技發展作出應盡的貢獻。
1.3霍爾效應該今發展中的科學精神
量子反常霍爾效應不同于量子霍爾效應，它不依賴于強磁場而由材料本身的自發磁化形成。從1988年開始，就不斷有理論化學學家提出各類方案，但是在實驗上卻沒有取得任何進展。現今信息社會，半導體技術急速發展，但筆記本運行中熱量怎么充溢成為困惑半導體和信息產業發展的一個困局問題。2013年中國科大學教授、清華學院副院長薛其坤領銜的中國團隊在國際上首次實驗發覺了“量子反常霍爾效應”。這一發覺有望突破摩爾定理的困局，可能加快信息技術巨大的突破，也讓中國科學界站在了下一次信息革命的戰略制高點。知名化學學家、諾貝爾獎得主楊振寧贊揚它是“中國科學家首次在中國實驗室中作出的諾貝爾獎級的科研成果”。該成果的取得更是我國科學家常年積累、協同創新、集體攻關的一個成功標桿，也證明了中國科學家才能作出世界一流實驗。
科技是第一生產力，在科技競爭日益激烈的明天，只有把握核心科學技術，取得重大科技突破，能夠占據未來發展的制高點。重大科技成果的取得離不開團隊協作精神以及追求極至的科研精神。教學中利用于中國團隊的這一前沿科研成果，迸發中學生的科學興趣和強烈的民族自豪感。同時，借助薛其坤教授的成長經歷則能較好地激勵中學生努力成才。薛其坤教授通過常年的勤奮努力，從沂蒙山區的放牛娃成長為世界頂級的科學家，這種無不表明，每位人都有無限的潛力和無盡的未來，只要堅持不懈、刻苦拼搏，也可以“從一到無窮大”，為國家的強悍盡自己的一分力量。
1.4霍爾效應應用過程中的科學精神
霍爾效應的應用非常廣泛。它為半導體材料的參數、磁場、無損檢查等提供了一種精確檢測的途徑。霍爾傳感是其典型應用，可以將位移、角度、轉速、壓力、液位等非熱學量轉換成熱學量進行檢測，廣泛應用于手動控制裝置、電檢測和高新信息技術等方面。霍爾電推動器的應用領域已由GEO衛星、低軌衛星擴充至深空偵測器、大型載人航天器等方面。我國霍爾電推動已取得喜人的成績。中國航天科技集團公司在霍爾電推動技術上取得重大突破，研發了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動系統，實現了我國霍爾電推動的首次空間飛行，成為第四個掌握霍爾電推動技術的國家。
只有科技能夠強國，科技的強悍惟有靠中國人自己奮發圖強，科技的發展離不開科學的突破和理論指導，更離不開創新精神。在教學中，通過霍爾效應應用的相關案例，非常是在前沿科學中的應用，激勵中學生奮發努力練好自身本領，啟發中學生自主創新，積極將理論與實際結合，舉辦數學第二課堂進行科學設計實驗，因而培養其創新能力與理論聯系實際的能力。
2霍爾效應中的科學方式
霍爾效應相關的化學實驗，主要有研究霍爾電流與外加電壓和磁場的關系，檢測磁感應硬度與半導體的相關參數等。不同的檢測涉及不同實驗思想方式，而體悟與感受實驗檢測的思想方式是培養中學生科學素養的重要方面。實驗思想方式既有檢測方式，也有去除或減少偏差的技巧，又有數據處理的方式。在霍爾效應實驗中用到了“控制變量法”、“轉化法”、“對稱檢測法”多種方式等。
2.1控制變量法
所謂控制變量法，是在研究和解決問題時，對影響變化規律的誘因加以人為控制，只改變某個變量的大小，而保證其他變量不變，最終解決所研究問題的方式。霍爾電流UH=KHISB，其中UH是霍爾電流，KH是霍爾靈敏度，IS是工作電壓，B是外加磁場。當保持外磁場B不變，通過改變工作電壓IS，來研究霍爾電流UH與工作電壓IS的關系；當保持工作電壓IS不變，通過改變外磁場B，來研究霍爾電流UH與外磁場B之間的關系。這為解決富含多個自變量時研究因變量和自變量之間的關系提供了一種較好的思路。
2.2畫圖法
畫圖法是將一系列實驗數據之間的關系或其變化情況用圖線直觀地表示下來，研究數學量之間的變化規律。按照上述控制變量法測出的數據，分別勾畫出UH—IS與UH—B曲線，才能定量估算出相應的霍爾參數。畫圖法可以訓練中學生對基本實驗數據的處理能力，以及剖析解決問題的能力。
2.3對稱檢測法
霍爾電流的檢測總會伴隨著副效應的影響。副效應與樣品的制備工藝以及檢測過程中的熱效應有關。因為制造工藝技術的限制，電極位置無法焊在同一等位面上，兩極間形成不等位電勢差UO。因為自旋速率分布不均，造成霍爾片兩端集聚不同速率的自旋形成氣溫差而造成溫差電勢差UE，即埃廷斯豪森效應。因為工作電壓的電極與霍爾片之間的接觸內阻不同，造成兩電極間的氣溫差在電壓方向上形成熱擴散電壓，與霍爾效效應類似，該熱擴散電壓也會形成縱向電勢差UN，即能斯特效應。能斯特效應中的熱電流也會形成類似于埃廷斯豪森效應中的縱向電勢差URL，即里吉—勒迪克效應[6]。UO的正負只隨工作電壓而改變。UE與工作電壓和磁場二者都有關。UN與URL方向只與磁場方向有關。為此，在保持工作電壓和磁場大小不變時，通過改變它們的方向就基本上能把這種副效應的影響給清除掉[7]。這就是對稱檢測法。對稱檢測法去除系統偏差的思想在學院化學實驗中既重要又常見，如：分光計中轉動刻度盤左右兩個游標同時讀數來清除偏心差，采取先加再減砝碼來清除彈性撓度檢測中鋼絲的彈性滯后效應，交換內阻的位置來清除電橋實驗中比列臂內阻的偏差，等等。
3結語
科學教育的目的除了是使人獲得所需的知識和技能，更重要的是使人獲得科學精神和科學思想方式的薰陶和培養。我們應借助好作為科學素養培養的主渠道之一的數學學類課程，充分挖掘出其中所蘊涵的科學精神和科學方式，并通過靈活多樣的形式有機融入課堂教學中，培養中學生正確的科學心態與科學觀，激勵中學生的拼搏精神、家國情結和報國抱負，幫助中學生樹立正確的人生觀和價值觀，從而促使育人成效與教學質量共同提高。
參考文獻
