摘要
科学精神的培养与思想方式的薰陶是课程思政建设的基本要求，也是提高科学素养的重要措施。阐述以突出科学素养的培养为核心，将科学精神与科学方式作为主要思政元素融入数学教学，落实学院数学课程思政建设要求。本文以霍尔效应的理论教学内容为例，通过深度挖掘霍尔效应在发现、发展以及应用过程中蕴涵的科学精神，并结合其在学院化学实验中的科学方式，寓价值观打造于知识传授和能力培养之中，最终实现既教书又育人的双重目的。
关键词课程思政；科学素养；科学精神；科学方式
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为全面推动课程思政建设，落实“立德树人”的根本战略任务，教育部印发了《高等中学课程思政建设指导纲要》（简称《纲要》）。《纲要》中要求理、工学类课程，在教学中把马克思主义立场观点技巧的教育与科学精神的培养结合上去，提升中学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。要重视科学思维方式的训练和科学伦理的教育，培养中学生探求未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，培养中学生精益求精的大国匠人精神，迸发中学生科技报国的家国情结和使命担当[1]。可见，科学素养的培养是理工类课程思政建设的核心之一。
化学学作为一门以实验为基础的自然科学的带头学科，是科学素养培养的最好载体和主战场。教学大师赵凯华曾在《物理学照耀世界》中说到：“在教育中，对于中学生的科学素养培养，数学课有着无可取代的作用。”要想培养中学生的科学素养，必须使其把握科学知识，学会科学方式，产生科学精神。数学课程教学中科学知识的传授向来是被注重的，而科学精神与科学方式方面的渗透有所不足，因而有必要强化数学课程中的科学精神与科学方式这种科学素养的培养，将数学教学内容中蕴含着的丰富的科学精神与科学方式充分挖掘下来，以实现“价值重塑”“知识传授”与“能力培养”三者的有机融合。这也是在数学课程中施行课程思政的一个较好的切实点。“霍尔效应”是学院数学理论和实验中都涉及的一个重要内容，是课程思政教学实践的良好载体。本文以霍尔效应为例，深度挖掘其发觉与发展过程中的科学精神与科学方式，因而对中学生的人生观和价值观加以良性引导，以培养中学生的科学素养，实现“立德树人”的育人目标。
1霍尔效应中的科学精神
1.1霍尔效应发觉过程中的科学精神
霍尔效应是一种电磁效应。1879年，24岁的霍尔是霍普斯金学院罗兰院士的研究生。当时还没有发觉电子，也没有人晓得金属中导电的机理霍尔效应(Halleffect)物理知识大全，科学家们对好多问题持有不同的见解。精典电磁理论的创始人麦克斯韦觉得“在磁场中的通浊度体遭到的机械力不是作用于电压上，而是作用在导体上的”。但是德国化学学家爱德朗在《单极感应》的论文中却有着迥然不同的观点，他觉得磁场作用在固定导体中的电压上，与作用在自由联通的导体上是完全相同的。霍尔发觉这两个学术权威不一致的观点后萌生了疑惑，在罗兰院士的鼓励下，他决定用实验来研究载流导体在磁场中的受力情况[2,3]。
一开始，霍尔想通过惠斯通电桥检测载流导体的内阻变化来弄清这个问题，并且经过几十次反复的实验都以失败告终。但是霍尔并没有因失败而舍弃研究，而是认真思索、调整实验思路。他大胆想像，把导体里的电压类比为管子里的水流。当水流遭到某种侧向斥力后，会有侧向运动趋势，假如这时在管子半径方向上开一小孔、装上细管，这么连通小孔的细管里都会有水流。同样电压在磁场作用下，也会有侧向运动趋势，假如在导体两边对应点上联接细导线，在侧向电流作用下，细导线里也会有电压。根据这一思路，霍尔设计了图1所示的实验装置。他将嵌在玻璃板上的金箔条作为电路的一部份，玻璃板垂直置于磁场中，金箔条两旁相对两点接灵敏检流计的端子，最后实验成功地否认了他的看法。此后，霍尔又进行了定量的实验。他除了借助自制的高灵敏度的检流计精确地测出了极其微弱的电压，并且还从看似毫无规律的数据中敏锐地发觉了“金箔条两侧对应点的电流与通过其中的电压和磁感应硬度的乘积成反比”，这也就是我们现今所说的霍尔效应的实验规律。我们把一载流导体置于方向垂直于电压的磁场中时，在与磁场和电压垂直的方向上出现纵向电势差的现象称为霍尔效应。霍尔的这一发觉振动了整个科学界，被誉为“过去五十年中电学方面最重要的发觉”，而开尔文则觉得“霍尔的发觉可和法拉第相比拟”。
没有指责精神就没有科学的发展。面对精典电磁理论的奠基人麦克斯韦这样伟大的化学学家，霍尔也不随大流权威、敢于指责、独立思索，企图通过实验来自行进行科学探求，以实践作为检验真理的惟一标准。他紧随科学发展前沿，诚恳讨教，不畏磨难，一直朝着既定目标坚持不懈。在当时洛伦兹的精典电子论还未完善之时，霍尔勇于大胆想像，当实验失败后敢于创新，擅于运用类比的方式，以其强悍的实验能力获得了实验的成功。霍尔的这一精神，也正是在2020年科学家座谈会上，习主席所指出的科技创新非常是原始创新要有创造性思辨的能力、严格求证的方式，不迷信学术权威，不随大流既有学说，勇于大胆指责，认真实证，不断试验。在教学过程中，融入霍尔效应的发觉过程以及科学家霍尔的科学精神，既是落实习主席所提倡的大力发扬科学家精神，又可以让中学生感受与体悟到学习不但要勇于指责，更须要追求真理、严谨求实、不怕失败、坚持究竟的精神，同时创新的思维和正确的方式也是成功的关键。
1.2霍尔效应发展过程中的科学精神
霍尔效应的发觉，开启了化学学与科学上的新篇章。许多科学家纷纷转向这一领域，不久它的三个副效应（埃廷斯豪森效应、能斯特效应和里吉—勒迪克效应）也陆续被发觉。1881年，霍尔又发觉反常霍尔效应，即在金属磁性材料中不外加磁场，也可以观测到霍尔效应。
霍尔效应如同一个丰富的银矿霍尔效应(Halleffect)物理知识大全，一代又一代科学家为之着迷和献身。自20世纪80年代开始，“量子霍尔效应”数次荣获诺贝尔奖。1980年，美国化学学家克利青在研究级低湿度、强磁场中的半导体时，发觉了量子霍尔效应。因此，他获得了1985年的诺贝尔化学学奖。1982年，法籍日裔数学学家崔琦和另外两名英国化学学家分别在更低的气温、更强的磁场下，发觉了分数量子霍尔效应，致使人们对量子现象的认识更进了一步。因此三位科学家入选了1998年的诺贝尔化学学奖[5]。这也是继杨振宁、李政道等以后又一位获得诺贝尔化学学奖的亚裔科学家，也再度向世界展示了炎黄子孙对科学的贡献在与日俱增。2005年，两位法国科学家因在石墨烯中发觉了半整数量子霍尔效应而入选了2010年诺贝尔化学学奖。“量子霍尔效应家族”成员的不断降低，推动了一批新兴学科和新型材料的蓬勃发展。
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，科学须要创新精神。正是因为科学家们坚持不懈地探求与创新就会有霍尔效应领域中这种新成就的取得。在教学中通过介绍霍尔效应的发展成就，除了有利于启发中学生运用辨证发展的观点看问题，能够培养其创新思维能力，迸发中学生热爱科学、积极探求的精神，激励其努力学习为科技发展作出应尽的贡献。
1.3霍尔效应该今发展中的科学精神
量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化形成。从1988年开始，就不断有理论化学学家提出各类方案，但是在实验上却没有取得任何进展。现今信息社会，半导体技术急速发展，但笔记本运行中热量怎么充溢成为困惑半导体和信息产业发展的一个困局问题。2013年中国科大学教授、清华学院副院长薛其坤领衔的中国团队在国际上首次实验发觉了“量子反常霍尔效应”。这一发觉有望突破摩尔定理的困局，可能加快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。知名化学学家、诺贝尔奖得主杨振宁赞扬它是“中国科学家首次在中国实验室中作出的诺贝尔奖级的科研成果”。该成果的取得更是我国科学家常年积累、协同创新、集体攻关的一个成功标杆，也证明了中国科学家才能作出世界一流实验。
科技是第一生产力，在科技竞争日益激烈的明天，只有把握核心科学技术，取得重大科技突破，能够占据未来发展的制高点。重大科技成果的取得离不开团队协作精神以及追求极至的科研精神。教学中利用于中国团队的这一前沿科研成果，迸发中学生的科学兴趣和强烈的民族自豪感。同时，借助薛其坤教授的成长经历则能较好地激励中学生努力成才。薛其坤教授通过常年的勤奋努力，从沂蒙山区的放牛娃成长为世界顶级的科学家，这种无不表明，每位人都有无限的潜力和无尽的未来，只要坚持不懈、刻苦拼搏，也可以“从一到无穷大”，为国家的强悍尽自己的一分力量。
1.4霍尔效应应用过程中的科学精神
霍尔效应的应用非常广泛。它为半导体材料的参数、磁场、无损检查等提供了一种精确检测的途径。霍尔传感是其典型应用，可以将位移、角度、转速、压力、液位等非热学量转换成热学量进行检测，广泛应用于手动控制装置、电检测和高新信息技术等方面。霍尔电推动器的应用领域已由GEO卫星、低轨卫星扩充至深空侦测器、大型载人航天器等方面。我国霍尔电推动已取得喜人的成绩。中国航天科技集团公司在霍尔电推动技术上取得重大突破，研发了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动系统，实现了我国霍尔电推动的首次空间飞行，成为第四个掌握霍尔电推动技术的国家。
只有科技能够强国，科技的强悍惟有靠中国人自己奋发图强，科技的发展离不开科学的突破和理论指导，更离不开创新精神。在教学中，通过霍尔效应应用的相关案例，非常是在前沿科学中的应用，激励中学生奋发努力练好自身本领，启发中学生自主创新，积极将理论与实际结合，举办数学第二课堂进行科学设计实验，因而培养其创新能力与理论联系实际的能力。
2霍尔效应中的科学方式
霍尔效应相关的化学实验，主要有研究霍尔电流与外加电压和磁场的关系，检测磁感应硬度与半导体的相关参数等。不同的检测涉及不同实验思想方式，而体悟与感受实验检测的思想方式是培养中学生科学素养的重要方面。实验思想方式既有检测方式，也有去除或减少偏差的技巧，又有数据处理的方式。在霍尔效应实验中用到了“控制变量法”、“转化法”、“对称检测法”多种方式等。
2.1控制变量法
所谓控制变量法，是在研究和解决问题时，对影响变化规律的诱因加以人为控制，只改变某个变量的大小，而保证其他变量不变，最终解决所研究问题的方式。霍尔电流UH=KHISB，其中UH是霍尔电流，KH是霍尔灵敏度，IS是工作电压，B是外加磁场。当保持外磁场B不变，通过改变工作电压IS，来研究霍尔电流UH与工作电压IS的关系；当保持工作电压IS不变，通过改变外磁场B，来研究霍尔电流UH与外磁场B之间的关系。这为解决富含多个自变量时研究因变量和自变量之间的关系提供了一种较好的思路。
2.2画图法
画图法是将一系列实验数据之间的关系或其变化情况用图线直观地表示下来，研究数学量之间的变化规律。按照上述控制变量法测出的数据，分别勾画出UH—IS与UH—B曲线，才能定量估算出相应的霍尔参数。画图法可以训练中学生对基本实验数据的处理能力，以及剖析解决问题的能力。
2.3对称检测法
霍尔电流的检测总会伴随着副效应的影响。副效应与样品的制备工艺以及检测过程中的热效应有关。因为制造工艺技术的限制，电极位置无法焊在同一等位面上，两极间形成不等位电势差UO。因为自旋速率分布不均，造成霍尔片两端集聚不同速率的自旋形成气温差而造成温差电势差UE，即埃廷斯豪森效应。因为工作电压的电极与霍尔片之间的接触内阻不同，造成两电极间的气温差在电压方向上形成热扩散电压，与霍尔效效应类似，该热扩散电压也会形成纵向电势差UN，即能斯特效应。能斯特效应中的热电流也会形成类似于埃廷斯豪森效应中的纵向电势差URL，即里吉—勒迪克效应[6]。UO的正负只随工作电压而改变。UE与工作电压和磁场二者都有关。UN与URL方向只与磁场方向有关。为此，在保持工作电压和磁场大小不变时，通过改变它们的方向就基本上能把这种副效应的影响给清除掉[7]。这就是对称检测法。对称检测法去除系统偏差的思想在学院化学实验中既重要又常见，如：分光计中转动刻度盘左右两个游标同时读数来清除偏心差，采取先加再减砝码来清除弹性挠度检测中钢丝的弹性滞后效应，交换内阻的位置来清除电桥实验中比列臂内阻的偏差，等等。
3结语
科学教育的目的除了是使人获得所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学精神和科学思想方式的薰陶和培养。我们应借助好作为科学素养培养的主渠道之一的数学学类课程，充分挖掘出其中所蕴涵的科学精神和科学方式，并通过灵活多样的形式有机融入课堂教学中，培养中学生正确的科学心态与科学观，激励中学生的拼搏精神、家国情结和报国抱负，帮助中学生树立正确的人生观和价值观，从而促使育人成效与教学质量共同提高。
参考文献
