摘要
科學(xué)精神的培養(yǎng)與思想方式的薰陶是課程思政建設(shè)的基本要求，也是提高科學(xué)素養(yǎng)的重要措施。闡述以突出科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)為核心，將科學(xué)精神與科學(xué)方式作為主要思政元素融入數(shù)學(xué)教學(xué)，落實(shí)學(xué)院數(shù)學(xué)課程思政建設(shè)要求。本文以霍爾效應(yīng)的理論教學(xué)內(nèi)容為例，通過深度挖掘霍爾效應(yīng)在發(fā)現(xiàn)、發(fā)展以及應(yīng)用過程中蘊(yùn)涵的科學(xué)精神，并結(jié)合其在學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方式，寓價(jià)值觀打造于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，最終實(shí)現(xiàn)既教書又育人的雙重目的。
關(guān)鍵詞課程思政；科學(xué)素養(yǎng)；科學(xué)精神；科學(xué)方式
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為全面推動(dòng)課程思政建設(shè)，落實(shí)“立德樹人”的根本戰(zhàn)略任務(wù)，教育部印發(fā)了《高等中學(xué)課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（簡稱《綱要》）。《綱要》中要求理、工學(xué)類課程，在教學(xué)中把馬克思主義立場觀點(diǎn)技巧的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合上去，提升中學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力。要重視科學(xué)思維方式的訓(xùn)練和科學(xué)倫理的教育，培養(yǎng)中學(xué)生探求未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，培養(yǎng)中學(xué)生精益求精的大國匠人精神，迸發(fā)中學(xué)生科技報(bào)國的家國情結(jié)和使命擔(dān)當(dāng)[1]。可見，科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)是理工類課程思政建設(shè)的核心之一。
化學(xué)學(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，是科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的最好載體和主戰(zhàn)場。教學(xué)大師趙凱華曾在《物理學(xué)照耀世界》中說到：“在教育中，對于中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)，數(shù)學(xué)課有著無可取代的作用。”要想培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，必須使其把握科學(xué)知識，學(xué)會(huì)科學(xué)方式，產(chǎn)生科學(xué)精神。數(shù)學(xué)課程教學(xué)中科學(xué)知識的傳授向來是被注重的，而科學(xué)精神與科學(xué)方式方面的滲透有所不足，因而有必要強(qiáng)化數(shù)學(xué)課程中的科學(xué)精神與科學(xué)方式這種科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，將數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容中蘊(yùn)含著的豐富的科學(xué)精神與科學(xué)方式充分挖掘下來，以實(shí)現(xiàn)“價(jià)值重塑”“知識傳授”與“能力培養(yǎng)”三者的有機(jī)融合。這也是在數(shù)學(xué)課程中施行課程思政的一個(gè)較好的切實(shí)點(diǎn)。“霍爾效應(yīng)”是學(xué)院數(shù)學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)中都涉及的一個(gè)重要內(nèi)容，是課程思政教學(xué)實(shí)踐的良好載體。本文以霍爾效應(yīng)為例，深度挖掘其發(fā)覺與發(fā)展過程中的科學(xué)精神與科學(xué)方式，因而對中學(xué)生的人生觀和價(jià)值觀加以良性引導(dǎo)，以培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)“立德樹人”的育人目標(biāo)。
1霍爾效應(yīng)中的科學(xué)精神
1.1霍爾效應(yīng)發(fā)覺過程中的科學(xué)精神
霍爾效應(yīng)是一種電磁效應(yīng)。1879年，24歲的霍爾是霍普斯金學(xué)院羅蘭院士的研究生。當(dāng)時(shí)還沒有發(fā)覺電子，也沒有人曉得金屬中導(dǎo)電的機(jī)理霍爾效應(yīng)(Halleffect)物理知識大全，科學(xué)家們對好多問題持有不同的見解。精典電磁理論的創(chuàng)始人麥克斯韋覺得“在磁場中的通濁度體遭到的機(jī)械力不是作用于電壓上，而是作用在導(dǎo)體上的”。但是德國化學(xué)學(xué)家愛德朗在《單極感應(yīng)》的論文中卻有著迥然不同的觀點(diǎn)，他覺得磁場作用在固定導(dǎo)體中的電壓上，與作用在自由聯(lián)通的導(dǎo)體上是完全相同的。霍爾發(fā)覺這兩個(gè)學(xué)術(shù)權(quán)威不一致的觀點(diǎn)后萌生了疑惑，在羅蘭院士的鼓勵(lì)下，他決定用實(shí)驗(yàn)來研究載流導(dǎo)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(dǎo)體的內(nèi)阻變化來弄清這個(gè)問題，并且經(jīng)過幾十次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)都以失敗告終。但是霍爾并沒有因失敗而舍棄研究，而是認(rèn)真思索、調(diào)整實(shí)驗(yàn)思路。他大膽想像，把導(dǎo)體里的電壓類比為管子里的水流。當(dāng)水流遭到某種側(cè)向斥力后，會(huì)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)趨勢，假如這時(shí)在管子半徑方向上開一小孔、裝上細(xì)管，這么連通小孔的細(xì)管里都會(huì)有水流。同樣電壓在磁場作用下，也會(huì)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)趨勢，假如在導(dǎo)體兩邊對應(yīng)點(diǎn)上聯(lián)接細(xì)導(dǎo)線，在側(cè)向電流作用下，細(xì)導(dǎo)線里也會(huì)有電壓。根據(jù)這一思路，霍爾設(shè)計(jì)了圖1所示的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)接靈敏檢流計(jì)的端子，最后實(shí)驗(yàn)成功地否認(rèn)了他的看法。此后，霍爾又進(jìn)行了定量的實(shí)驗(yàn)。他除了借助自制的高靈敏度的檢流計(jì)精確地測出了極其微弱的電壓，并且還從看似毫無規(guī)律的數(shù)據(jù)中敏銳地發(fā)覺了“金箔條兩側(cè)對應(yīng)點(diǎn)的電流與通過其中的電壓和磁感應(yīng)硬度的乘積成反比”，這也就是我們現(xiàn)今所說的霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。我們把一載流導(dǎo)體置于方向垂直于電壓的磁場中時(shí)，在與磁場和電壓垂直的方向上出現(xiàn)縱向電勢差的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾的這一發(fā)覺振動(dòng)了整個(gè)科學(xué)界，被譽(yù)為“過去五十年中電學(xué)方面最重要的發(fā)覺”，而開爾文則覺得“霍爾的發(fā)覺可和法拉第相比擬”。
沒有指責(zé)精神就沒有科學(xué)的發(fā)展。面對精典電磁理論的奠基人麥克斯韋這樣偉大的化學(xué)學(xué)家，霍爾也不隨大流權(quán)威、敢于指責(zé)、獨(dú)立思索，企圖通過實(shí)驗(yàn)來自行進(jìn)行科學(xué)探求，以實(shí)踐作為檢驗(yàn)真理的惟一標(biāo)準(zhǔn)。他緊隨科學(xué)發(fā)展前沿，誠懇討教，不畏磨難，一直朝著既定目標(biāo)堅(jiān)持不懈。在當(dāng)時(shí)洛倫茲的精典電子論還未完善之時(shí)，霍爾勇于大膽想像，當(dāng)實(shí)驗(yàn)失敗后敢于創(chuàng)新，擅于運(yùn)用類比的方式，以其強(qiáng)悍的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Λ@得了實(shí)驗(yàn)的成功。霍爾的這一精神，也正是在2020年科學(xué)家座談會(huì)上，習(xí)主席所指出的科技創(chuàng)新非常是原始創(chuàng)新要有創(chuàng)造性思辨的能力、嚴(yán)格求證的方式，不迷信學(xué)術(shù)權(quán)威，不隨大流既有學(xué)說，勇于大膽指責(zé)，認(rèn)真實(shí)證，不斷試驗(yàn)。在教學(xué)過程中，融入霍爾效應(yīng)的發(fā)覺過程以及科學(xué)家霍爾的科學(xué)精神，既是落實(shí)習(xí)主席所提倡的大力發(fā)揚(yáng)科學(xué)家精神，又可以讓中學(xué)生感受與體悟到學(xué)習(xí)不但要勇于指責(zé)，更須要追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、不怕失敗、堅(jiān)持究竟的精神，同時(shí)創(chuàng)新的思維和正確的方式也是成功的關(guān)鍵。
1.2霍爾效應(yīng)發(fā)展過程中的科學(xué)精神
霍爾效應(yīng)的發(fā)覺，開啟了化學(xué)學(xué)與科學(xué)上的新篇章。許多科學(xué)家紛紛轉(zhuǎn)向這一領(lǐng)域，不久它的三個(gè)副效應(yīng)（埃廷斯豪森效應(yīng)、能斯特效應(yīng)和里吉—勒迪克效應(yīng)）也陸續(xù)被發(fā)覺。1881年，霍爾又發(fā)覺反常霍爾效應(yīng)，即在金屬磁性材料中不外加磁場，也可以觀測到霍爾效應(yīng)。
霍爾效應(yīng)如同一個(gè)豐富的銀礦霍爾效應(yīng)(Halleffect)物理知識大全，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身。自20世紀(jì)80年代開始，“量子霍爾效應(yīng)”數(shù)次榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。1980年，美國化學(xué)學(xué)家克利青在研究級低濕度、強(qiáng)磁場中的半導(dǎo)體時(shí)，發(fā)覺了量子霍爾效應(yīng)。因此，他獲得了1985年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。1982年，法籍日裔數(shù)學(xué)學(xué)家崔琦和另外兩名英國化學(xué)學(xué)家分別在更低的氣溫、更強(qiáng)的磁場下，發(fā)覺了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，致使人們對量子現(xiàn)象的認(rèn)識更進(jìn)了一步。因此三位科學(xué)家入選了1998年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)[5]。這也是繼楊振寧、李政道等以后又一位獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)的亞裔科學(xué)家，也再度向世界展示了炎黃子孫對科學(xué)的貢獻(xiàn)在與日俱增。2005年，兩位法國科學(xué)家因在石墨烯中發(fā)覺了半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)而入選了2010年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。“量子霍爾效應(yīng)家族”成員的不斷降低，推動(dòng)了一批新興學(xué)科和新型材料的蓬勃發(fā)展。
發(fā)展才是硬道理，現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步高度依賴于科學(xué)的發(fā)展，而創(chuàng)新更是科學(xué)發(fā)展的源泉，科學(xué)須要?jiǎng)?chuàng)新精神。正是因?yàn)榭茖W(xué)家們堅(jiān)持不懈地探求與創(chuàng)新就會(huì)有霍爾效應(yīng)領(lǐng)域中這種新成就的取得。在教學(xué)中通過介紹霍爾效應(yīng)的發(fā)展成就，除了有利于啟發(fā)中學(xué)生運(yùn)用辨證發(fā)展的觀點(diǎn)看問題，能夠培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力，迸發(fā)中學(xué)生熱愛科學(xué)、積極探求的精神，激勵(lì)其努力學(xué)習(xí)為科技發(fā)展作出應(yīng)盡的貢獻(xiàn)。
1.3霍爾效應(yīng)該今發(fā)展中的科學(xué)精神
量子反常霍爾效應(yīng)不同于量子霍爾效應(yīng)，它不依賴于強(qiáng)磁場而由材料本身的自發(fā)磁化形成。從1988年開始，就不斷有理論化學(xué)學(xué)家提出各類方案，但是在實(shí)驗(yàn)上卻沒有取得任何進(jìn)展。現(xiàn)今信息社會(huì)，半導(dǎo)體技術(shù)急速發(fā)展，但筆記本運(yùn)行中熱量怎么充溢成為困惑半導(dǎo)體和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)困局問題。2013年中國科大學(xué)教授、清華學(xué)院副院長薛其坤領(lǐng)銜的中國團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)驗(yàn)發(fā)覺了“量子反常霍爾效應(yīng)”。這一發(fā)覺有望突破摩爾定理的困局，可能加快信息技術(shù)巨大的突破，也讓中國科學(xué)界站在了下一次信息革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。知名化學(xué)學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主楊振寧贊揚(yáng)它是“中國科學(xué)家首次在中國實(shí)驗(yàn)室中作出的諾貝爾獎(jiǎng)級的科研成果”。該成果的取得更是我國科學(xué)家常年積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個(gè)成功標(biāo)桿，也證明了中國科學(xué)家才能作出世界一流實(shí)驗(yàn)。
科技是第一生產(chǎn)力，在科技競爭日益激烈的明天，只有把握核心科學(xué)技術(shù)，取得重大科技突破，能夠占據(jù)未來發(fā)展的制高點(diǎn)。重大科技成果的取得離不開團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神以及追求極至的科研精神。教學(xué)中利用于中國團(tuán)隊(duì)的這一前沿科研成果，迸發(fā)中學(xué)生的科學(xué)興趣和強(qiáng)烈的民族自豪感。同時(shí)，借助薛其坤教授的成長經(jīng)歷則能較好地激勵(lì)中學(xué)生努力成才。薛其坤教授通過常年的勤奮努力，從沂蒙山區(qū)的放牛娃成長為世界頂級的科學(xué)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(jiān)持不懈、刻苦拼搏，也可以“從一到無窮大”，為國家的強(qiáng)悍盡自己的一分力量。
1.4霍爾效應(yīng)應(yīng)用過程中的科學(xué)精神
霍爾效應(yīng)的應(yīng)用非常廣泛。它為半導(dǎo)體材料的參數(shù)、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(yīng)用，可以將位移、角度、轉(zhuǎn)速、壓力、液位等非熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成熱學(xué)量進(jìn)行檢測，廣泛應(yīng)用于手動(dòng)控制裝置、電檢測和高新信息技術(shù)等方面。霍爾電推動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域已由GEO衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星擴(kuò)充至深空偵測器、大型載人航天器等方面。我國霍爾電推動(dòng)已取得喜人的成績。中國航天科技集團(tuán)公司在霍爾電推動(dòng)技術(shù)上取得重大突破，研發(fā)了我國首臺(tái)霍爾推力器、首臺(tái)多模式霍爾推力器和首套霍爾電推動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了我國霍爾電推動(dòng)的首次空間飛行，成為第四個(gè)掌握霍爾電推動(dòng)技術(shù)的國家。
只有科技能夠強(qiáng)國，科技的強(qiáng)悍惟有靠中國人自己奮發(fā)圖強(qiáng)，科技的發(fā)展離不開科學(xué)的突破和理論指導(dǎo)，更離不開創(chuàng)新精神。在教學(xué)中，通過霍爾效應(yīng)應(yīng)用的相關(guān)案例，非常是在前沿科學(xué)中的應(yīng)用，激勵(lì)中學(xué)生奮發(fā)努力練好自身本領(lǐng)，啟發(fā)中學(xué)生自主創(chuàng)新，積極將理論與實(shí)際結(jié)合，舉辦數(shù)學(xué)第二課堂進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，因而培養(yǎng)其創(chuàng)新能力與理論聯(lián)系實(shí)際的能力。
2霍爾效應(yīng)中的科學(xué)方式
霍爾效應(yīng)相關(guān)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要有研究霍爾電流與外加電壓和磁場的關(guān)系，檢測磁感應(yīng)硬度與半導(dǎo)體的相關(guān)參數(shù)等。不同的檢測涉及不同實(shí)驗(yàn)思想方式，而體悟與感受實(shí)驗(yàn)檢測的思想方式是培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要方面。實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)處理的方式。在霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中用到了“控制變量法”、“轉(zhuǎn)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(shí)，對影響變化規(guī)律的誘因加以人為控制，只改變某個(gè)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(dāng)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(guān)系；當(dāng)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(guān)系。這為解決富含多個(gè)自變量時(shí)研究因變量和自變量之間的關(guān)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或其變化情況用圖線直觀地表示下來，研究數(shù)學(xué)量之間的變化規(guī)律。按照上述控制變量法測出的數(shù)據(jù)，分別勾畫出UH—IS與UH—B曲線，才能定量估算出相應(yīng)的霍爾參數(shù)。畫圖法可以訓(xùn)練中學(xué)生對基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(huì)伴隨著副效應(yīng)的影響。副效應(yīng)與樣品的制備工藝以及檢測過程中的熱效應(yīng)有關(guān)。因?yàn)橹圃旃に嚰夹g(shù)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?yàn)樽孕俾史植疾痪斐苫魻柶瑑啥思鄄煌俾实淖孕纬蓺鉁夭疃斐蓽夭铍妱莶頤E，即埃廷斯豪森效應(yīng)。因?yàn)楣ぷ麟妷旱碾姌O與霍爾片之間的接觸內(nèi)阻不同，造成兩電極間的氣溫差在電壓方向上形成熱擴(kuò)散電壓，與霍爾效效應(yīng)類似，該熱擴(kuò)散電壓也會(huì)形成縱向電勢差UN，即能斯特效應(yīng)。能斯特效應(yīng)中的熱電流也會(huì)形成類似于埃廷斯豪森效應(yīng)中的縱向電勢差URL，即里吉—勒迪克效應(yīng)[6]。UO的正負(fù)只隨工作電壓而改變。UE與工作電壓和磁場二者都有關(guān)。UN與URL方向只與磁場方向有關(guān)。為此，在保持工作電壓和磁場大小不變時(shí)，通過改變它們的方向就基本上能把這種副效應(yīng)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(tǒng)偏差的思想在學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)中既重要又常見，如：分光計(jì)中轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤左右兩個(gè)游標(biāo)同時(shí)讀數(shù)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(yīng)，交換內(nèi)阻的位置來清除電橋?qū)嶒?yàn)中比列臂內(nèi)阻的偏差，等等。
3結(jié)語
科學(xué)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(xué)精神和科學(xué)思想方式的薰陶和培養(yǎng)。我們應(yīng)借助好作為科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的主渠道之一的數(shù)學(xué)學(xué)類課程，充分挖掘出其中所蘊(yùn)涵的科學(xué)精神和科學(xué)方式，并通過靈活多樣的形式有機(jī)融入課堂教學(xué)中，培養(yǎng)中學(xué)生正確的科學(xué)心態(tài)與科學(xué)觀，激勵(lì)中學(xué)生的拼搏精神、家國情結(jié)和報(bào)國抱負(fù)，幫助中學(xué)生樹立正確的人生觀和價(jià)值觀，從而促使育人成效與教學(xué)質(zhì)量共同提高。
參考文獻(xiàn)