核心素養背景下的“霍爾效應”教學

黃臻

(安徽省歙縣中學 安徽 黃山 245200)

就當前高中物理“霍爾效應”教學實際而言，由于缺乏具體可操作性強的方案，缺少與實驗要求匹配的實驗器材，很少有學校有能力開展一堂符合物理學科核心素養的課堂教學，為此我們通過結合教材內容與高中學生的學習水平，確定探究內容，自制實用教學儀器，以期望達到良好的教育教學效果，期望能在教知識的同時也培養學生的學科能力，這將對學生能力的提高產生深遠的影響．

1 物理學科核心素養

隨著嵌入核心素養的普通高中課程標準的制定與實施，教學目標已從“三維目標”提升為學科核心素養，以大單元教學為基礎，以“素養”為核心的教學和課程受到高度關注，以學生核心素養的培育推動教育和課程改革已經成為大勢所趨．其中，物理學科的核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的關鍵成分．

2 霍爾元件與霍爾效應

在人教版(2019版)高中物理選擇性必修二第一章“安培力與洛倫茲力”的教學中，例舉了一些利用電磁學知識發明的現代科技成果．如質譜儀、磁流體發電機、速度選擇器、霍爾元件等等．其中，霍爾元件便是基于霍爾效應制成的.1879年美國物理學家E.H.霍爾發現電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在半導體的兩端產生電勢差，人們把這一現象稱為霍爾效應(Hall effect)，把利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾元件．同時把這個電勢差稱為霍爾電勢差或霍爾電壓．圖1為HW-302B型霍爾元件，該元件長10.35 mm，寬2.7 mm．圖2表示載流粒子帶正電時，h端電勢高于h′端電勢，即Uhh′>0；圖3表示載流粒子帶負電時，h端電勢低于h′端電勢，即Uhh′<0．

圖1 霍爾元件

圖2 正載流子霍爾效應

圖3 負載流子霍爾效應

3 當前教學具體問題

由于霍爾效應的發生是建立在三維立體空間上的物理過程，所以在教學時要使學生理解并掌握這部分內容，對學生空間思維能力要求較高，給教學帶來諸多不便．

(1)由于教學無實物模型展示，不利于學生直觀觀念的建立．

(2)教師在上課時只能畫出簡易原理圖講解原理以及理論推導霍爾電壓與工作電流、勵磁電流的關系，但不能進行實驗驗證,所以無法通過具體數據判斷理論與事實是否相統一．

(3)上課單純講原理及理論推導，過程枯燥無味,不利于激發學生對物理學的好奇心與興趣,更不能使學生在霍爾效應原理的基礎上,引發對相關知識更深層次的展望與思考，如到更高層次學習階段才會涉及的整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、埃廷斯豪森(Ettingshausen)效應、能斯特(Nernst)效應、里吉-勒迪克(Righi-Leduc)效應等等．

(4)學生的理論水平提升和實驗能力的發展是相輔相成、相互促進、邏輯上升的過程，而不是各自獨立發展毫無關聯的．傳統教學只能在理論上進行教學，不利于學生認知水平的提高和對知識本元的理解以及知識網絡體系的完整構建,不能讓學生做到知其然的同時還知其所以然．

4 自制教具的介紹

為了解決上述教學過程中遇到的這些問題，并體現核心素養教學精神，深挖學生實驗探究能力，在我校教師的共同努力下，設計并開發了一套數字化定量探究霍爾效應裝置．利用該裝置可以實現對勵磁電流Ib、工作電流IH、霍爾電壓UH進行數字化定量探究．圖4為該裝置實物圖，圖5為該裝置原理圖．

圖4 定量探究霍爾效應裝置圖

圖5 定量探究霍爾效應原理圖

該裝置主要由3部分電路組成：工作電流調節電路、勵磁電流調節電路、霍爾電壓測量電路．

(1)工作電流調節電路主要由電源(一節1.5 V干電池)、數字電流表、電位器組成．若a端接電源正極，a′端接電源負極，則電流從a端流經霍爾元件再流向a′端；若a端接電源負極，a′端接電源正極，則電流從a′端流經霍爾元件再流向a端,其中可以通過電位器調節電路電流，由數字電流表測出工作電流IH．

(2)勵磁電流調節電路主要由勵磁線圈(由直徑為0.26 mm的漆包線在直徑1.5 cm、長2.5 cm的PVC管上繞500匝制作而成)、可調數字電源組成．若b端接電源正極，b′端接電源負極，由安培定則可知則，電流流經勵磁線圈可產生垂直霍爾元件的磁場，磁場方向如圖5所示；若b端接電源負極，b′端接電源正極，則產生反向垂直霍爾元件的磁場；其中勵磁電流大小由數字電源直接讀出，由畢奧-薩伐爾定律可知勵磁電流大小與所產生的磁場大小成正比，所以可以通過調節勵磁電流大小對磁場大小進行調節．

(3)霍爾電壓測量電路主要由霍爾元件(型號HW-302B)、數字電壓表組成．其中數字電壓表可直接測量h與h′兩點之間的電勢差，即與磁場、工作電流方向均垂直的方向上的電壓，也就是霍爾元件兩側面的電勢差．

5 部分實驗探究過程案例展示

例：在講解霍爾電壓UH與勵磁電流Ib和工作電流IH關系時，可以采用控制變量法進行數字化探究．具體過程如下：

(1)保持勵磁電流Ib=0.3 A不變，探究霍爾電壓UH與工作電流IH關系，并得出結論．采集數據如圖6所示．

圖6 探究霍爾電壓UH與工作電流IH關系數據圖

結論1:在勵磁電流一定時, 霍爾電壓與工作電流成正比,即UH∝IH.

(2)保持工作電流IH=1 mA不變，探究霍爾電壓UH與勵磁電流Ib關系，并得出結論．采集數據如圖7所示．

圖7 探究霍爾電壓UH與勵磁電流Ib關系數據圖

結論2:在工作電流一定時, 霍爾電壓與勵磁電流成正比,即UH∝Ib．

根據上面控制變量法得出的兩個小結論，并結合牛頓得出牛頓第二定律的科學思維歷程，可引導學生自己動手推出霍爾電壓與工作電流、勵磁電流的關系式為UH=KIHIb,其中K為系數．

6 該裝置的優點

通過自制教學儀器在平時課堂中運用，彌補現成教具的不足，能起到較好的教學效果，教學的過程同時也是深入理解、實踐、感知新課改精神的過程．該教具在霍爾效應的實際教學過程中比以往的傳統教學更簡單方便、數據準確、直觀形象、通俗易懂，能滿足高效課堂的需求，充分體現了物理學科核心素養．具體體現關系如下：

(1)通過自制教具的課堂運用，學生可以直觀看到實物，有利于學生物理觀念的建立，也更容易建立物理模型，體現物理學科核心素養中物理觀念這一重要要素．

(2)學生通過觀察自制教具自然展開對三大實驗電路的功能、調節方法以及數據采集的思考；在得出關系式UH=KIHIb后提問K由什么因素決定，引導學生思索高中物理所學諸多系數各自的決定因素，經過總結歸納可以發現規律．這些不僅有利于知識網絡體系的建立，同時還體現了物理學科核心素養中科學思維的要求，能正確使用物理思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出規律、形成結論．

(3)基于學生已儲備的物理方法引導學生思考如何探究各個物理量之間的關系，并形成探究方案．讓學生對已學物理知識和方法，從掌握、理解層次上升到科學運用層次．通過實驗采集數據并記錄、分析數據的同時借助Excel畫圖功能處理數據，最后得出兩個實驗小結論，并整合得出最后關系式，實現從各個物理量之間單一的關系到各個物理量之間公式化質的飛躍．體現物理學科核心素養中實驗探究的要素，具有實驗探究方案和獲取證據的能力，能正確實施實驗探究方案，使用各種科技手段和方法收集信息，并分析、處理信息，描述、解釋實驗探究結果和變化趨勢．

(4)待學生得出結論后，教師補充說明系數K與溫度也有關，比如整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應等效應的提出，并告訴學生從事這方面研究的許多科學家都獲得了諾貝爾物理學獎，激發學生對更高深物理學的向往，培養學生對物理學的濃厚興趣．這點體現了物理核心素養中科學態度和責任，即具有學習和研究物理的好奇心與求知欲．

7 總結

對于教師而言，在平時教學過程中不僅要關注學生知識與技能的掌握情況，也要重視學科核心素養的培養．要抓住無論學科核心素養是什么，都“不是直接由教師教出來的，而是在問題情境中借助問題解決的實踐培育起來的”[1]．可以說，雖然學科知識蘊含著學科核心素養，但學科核心素養卻不可能像傳遞學科的概念、命題與理論那樣，能通過簡單的告知方式來習得，而是需要創設問題情境，讓學生親身經歷學科的概念、命題與理論創生的過程，并從中體驗、感悟學科概念、命題與理論背后所隱藏的學科核心素養．

對于學生學而言，通過創新設計實驗裝置，將傳統教學由教師單向的輸出與學生被動的接受模式，改變為師生互動，鼓勵學生在問題中思維，在情景中歸納，在實驗中發現，在活動中交流與合作，引導學生積極、主動參與到探究過程中，從中體驗科學探究與發現的成就[2]．在學習知識的過程找到學習的幸福感．

總而言之，實驗教學是物理教學的重要組成部分，對物理實驗進行創新不僅能夠提高物理教學實踐性和應用性，還能夠培養學生的物理實踐能力及創新能力，使學生的物理核心素養得到提高，最終促進物理教學發展．這足以見得創新演示實驗對高中生物理核心素養培養的重要性，理應得到重視與關注[3]．