電學史教學研究

李剛?楊屏?張紅

摘要：在高等職業教育中，“電工電子技術”是許多專業的基礎課程。在目前教學中，很多學生缺乏興趣，學習效果不理想。根據多年教學實踐經驗，提出在課程初始階段重新構建三百年電學發展歷史，按照“發現之旅”，“智慧之光”和“飛越之夢”的順序，從人類認識和應用“電”的角度闡述電學史典型案例，幫助學生提高對“電工電子技術”課程的興趣，為將來專業課學習打下基礎。

關鍵詞：電學史；教學；應用；

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0086-02

“電工電子技術”是很多高職專業都開設的基礎課程，大都安排在新生入學的第一學年進行。從近年來的教學實際情況來看，很多學生缺乏學習興趣，課程學習的效果不好。在后續專業課教學中，學生的電工電子基礎知識薄弱，影響了后續職業的發展。為了改變這種現象，筆者在教學初始階段盡量還原人類認識電、使用電的歷史，以此激發學生的學習興趣，不僅有利于學習，也有利于利用文化育人對學生的全面素質進行培養。經過實踐摸索，筆者將電學發展史分為三個層次呈現——發現之旅、智慧之光和飛越之夢。

一、發現之旅

1.靜電魔力

電是自然界最神奇的力量之一，壯觀的閃電，滾滾的驚雷，攝人心魄。從遠古到現在，人類一直夢想著控制這種自然力量，探索電的腳步千百年來從未停歇，電力創造了現代文明。很難想象，如果世界沒有了電，生活將會怎樣？黑暗、寒冷、寂靜、恐懼，如同回到三百年前。1705年，35歲的豪克斯比被牛頓任命為倫敦皇家學會首席實驗師，他主導了許多標新立異的實驗。比如制造了一個能旋轉的空心玻璃球，用空氣泵抽去玻璃球里的空氣，并在這臺儀器上安裝了一個手柄用來旋轉玻璃球。當禮堂里的蠟燭一一熄滅，豪克斯比把手放在旋轉的球上，在玻璃球里出現了一道朦朧的光，這束光芒圍著他的手婆娑流動。一道藍色的光暈，勾勒出豪克斯比手的輪廓，仿佛生命在此起舞。那是在三百年前，歐洲人還習慣將種種自然現象理解為上帝的杰作。豪克斯比在無意間已然推開了電學的大門。

2.存儲電荷

豪克斯比的實驗裝置成為最早的靜電起電機，隨后蓋伊在卡爾特修道院進行了深入的電學實驗。他在大廳里立起了一個木頭架，上面用絲繩系著兩個秋千，用起電裝置產生靜電。在許多觀眾面前，他讓修道院的一名孤兒躺在兩個秋千上，并且把幾片金葉子和羽毛放在孩子面前。然后蓋伊開始“發電”，通過一根導線的連接，把靜電輸送到男孩身上。預料之中的“奇跡”如約而至：金葉子還有羽毛紛紛飛向男孩的指尖。一些觀眾回憶，甚至看到了男孩手指上發出的火花，景象十分引人入勝。蓋伊已經開始思考實驗的意義——電是可以轉移的。

毫無疑問，靜電從起電器轉移到男孩的身上，直到他的雙手，但懸掛著秋千的繩卻讓它停了下來。于是蓋伊將世界上所有物質分為兩大類：絕緣體和導體。他認為絕緣體將電能存留在其中，并阻止它自由移動；而導體則允許電流經過。接下來的任務就是尋求儲存電能的方法，萊頓大學教授慕欣布羅克認定電是像水一樣可以四處流動的，那么儲存水的方法應該也適用于儲存電。1745年，他制作了一個可以儲存電能的玻璃瓶，從這個瓶中涌出的電能，威力空前巨大。1746年，這個瓶子登上了法國皇家科學院學報，一位法國物理學家諾萊特將其命名為萊頓瓶，以紀念其誕生地。

3.捕捉閃電

萊頓瓶聲名大振，迅速向世界各地傳播。富蘭克林留下了人們熟知的故事——在雷雨天放風箏。這本該是18世紀科學史上最著名的一幕，受到上帝的眷顧而毫發無傷的他，最終證明閃電就是電——Lightning is Electricity。不過實際上，富蘭克林設計了這個實驗，卻從未將其付諸實踐。1753年5月23日，按照富蘭克林的實驗原理，在法國的馬利鎮，高高豎起的金屬長桿在雷雨中捕獲閃電，然后把它輸送到下面的萊頓瓶中。火花揭示了閃電的真面目，它和人為制造出的電并無二致，這是里程碑式的一刻。

二、智慧之光

1.蛙腿論戰

大航海時代的地理大發現讓世界終于聯系起來，早期崛起的海上帝國不斷地進行著海外擴張，大量新奇的東西從世界各地源源不斷進入歐洲。一種稱之為“電鰩”的生物，令電學家們大吃一驚，于是開始了長達半個世紀之久的“蛙腿論戰”。論戰的一方是解剖學家伽伐尼，他認為動物體本身存在著區別于靜電的“動物電”，每一個肌肉纖維就是一個小電容，只要用一種以上的金屬與之接觸，這種電就能激發出來。同時，動物電可以使神經、肌肉活動，腦是分泌“電液”的重要器官。論戰的另一方是年輕的伏特，他在實驗中將伽伐尼兩塊性質不同的金屬板換成同種金屬板，而瞬間青蛙的抽搐停止了。伏特認為使蛙腿抽搐的電能不是來自動物細胞組織，而是來自兩塊不同性質的金屬接觸。剛開始，伽伐尼在論戰中占了上風，電鰩之類的生物給這個理論提供了堅實的后盾。而伏特堅信自己從實驗中得來的理論，他將一塊銅板放到一張浸過稀酸的紙板下面然后再疊上另一塊金屬板，做成了一疊金屬堆，后來被稱作“伏特電堆”。伏特不斷改進實驗方法，用兩種不同的金屬和電解液接觸進行實驗，終于證明不論有無動物細胞組織，只要將兩種不同的金屬同時插入電解液中，并將其另一端連接形成閉合回路，都會有電流產生。而在伽伐尼的蛙腿實驗中，蛙腿中的液體起了電解液的作用，蛙腿本身只充當了驗電器。伏特在實驗中不但證實了電流來自兩種不同性質的金屬，而且找到了金屬的起電序列，還首先引進了“電動勢”這一重要的物理名詞。

2.智慧之光

伏特電堆所發的電是持續的，它可以不借助機械力量產生電流，而是作為一個純粹的電子設備獨立存在。電池的發明，使人類第一次獲得了穩定而持續的電流，為電學研究從靜電階段躍進到動電階段創造了堅實的物質基礎，人們可以對未來世界大展宏圖。

1808年在倫敦的英國皇家研究所里，一個新時代即將到來。戴維親手制造了史上最大的電池，它占據了研究所地下室的一整個房間。這枚電池由800個獨立的伏特電堆組成。黑暗的房間中閃爍著古老的燭光，戴維將碳棒連接在電池兩端，然后讓碳棒相互靠近，電池中持續流出的電流，通過碳棒后產生了一道持久耀眼的火花。這是千百支蠟燭都無法比擬的明亮，從此黑暗不再，曙光破曉，人類開啟了光明的新時代。

三、飛越之夢

1.電磁魔力

1820年4月，奧斯特將磁針放在導線的側面，當他接通電源時發現磁針輕微地晃動了一下，他意識到這正是他多年盼望的效應。此時不滿30歲的法拉第正在英國皇家研究所做化學研究工作，他不斷重復奧斯特的實驗，最終得出結論——“在電線與磁針之間，必定有一股力在流動。”在實驗過程中他發現了一個新現象，他定下了一個更大的目標：要通過磁和運動來產生電流。直到1831年，當法拉第在一個線圈中把一塊磁鐵插進抽出時，他探測到一股在線圈中流動的微弱電流從一個方向變成另一個方向。這微弱的電流意義非凡，影響了19世紀科技的發展，電和磁終于走到了一起。法拉第對電磁學的貢獻不僅是發現了電磁感應，他還在大量實驗的基礎上創建了電力線思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎。

2.電報機

生活在蒸汽時代的法拉第，試圖向世界揭示電的本質；而與此同時，一種真正具有實用價值的電子設備呈現在世人面前，首次讓“電”走出了實驗室，這就是——電報機。

電報機的原理其實并不復雜，那就是電磁鐵。這是一種由電流控制的磁鐵，通電時鐵棒能吸起比它重20倍的鐵塊，而當電源切斷后，鐵棒就什么鐵塊也吸不住，重新成為一根普通的鐵棒。這種遠程操控電磁鐵的能力，成為科學史上最有用的發現之一，如果電的效果能夠不受距離的制約，那么即時通訊便成為了可能。

莫爾斯是一名享有盛譽的美國畫家，他在筆記本上記下這樣一段話：“電流是神速的，如果它能夠不停頓走十英里，我就讓他走遍全世界。電流只要停止片刻，就會出現火花，火花是一種符號，沒有火花是另一種符號，沒有火花的時間長又是一種符號。這里有三種符號可組合起來，代表數字和字母。它們可以構成字母，文字就可以通過導線傳送了。這樣，能夠把消息傳到遠處的嶄新工具就可以實現了。”

隨著這種偉大思想的成熟，莫爾斯成功地用電流的“通”、“斷”和“長斷”來代替了人類的文字進行傳送，這就是莫爾斯電碼。電報縮短了信息傳遞的時間，隨著橫跨大西洋電報線路的建立，世界一下變小了，電力推動著整個世界前進。

3.飛越之夢

麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學大成的偉大科學家。他利用數學公式表達了奧斯特、法拉第等人的研究成果，并把電磁感應理論推廣到了空間。此后，赫茲利用實驗證實了電磁波的存在，其意義是不僅僅證明了麥克斯韋理論的正確性，更重要的是誕生了無線電，開辟了電子技術的新紀元。

赫茲發現電磁波的消息傳到俄國，一位正從事電燈推廣工作的青年波波夫興奮地說：“用我一生的精力去裝電燈，對廣闊的俄羅斯來說，只不過照亮了很小一角，要是我能指揮電磁波，就可飛越整個世界。”1894年，波波夫改進了無線電接收機并為之增加了天線，使其靈敏度大大提高。1896年，波波夫成功地用無線電進行莫爾斯電碼的傳送，距離為250m，電文內容為——“海因里斯·赫茲”。此后，另一位研究無線電的年輕人——馬可尼，改進了無線電傳送和接收設備，在布里斯托爾海峽進行無線電通信并取得成功，把信息傳播了12km。由此，電力進入了其蓬勃發展的時代，電磁波使“電”長出了一對堅強的翅膀，可以飛越高山，橫跨海洋。

四、應用為先

本文所涉及的典型事件僅僅是電學史初期的內容，隨著課程深入，還有很多案例可供使用，比如愛迪生和特斯拉的“交直大戰”等等。還原人類認識和使用電的過程是筆者在高職“電工電子技術”課程教學的初衷，畢竟在“飛越之夢”講授完畢時，電的本質——電子，還沒有被發現，可電的“魔力”卻已經成功應用。

這樣的一個事實也可以促進對職業教育的思考。職業教育，應用為先，或許電學史的發展過程，正是“應用為先”的過程，在這一點上中國的確有很多要學習借鑒西方世界的東西。還原電學發展的歷史，相信能促進“電工電子技術”教學工作有效發展，更有利于學生綜合素質的提高。

參考文獻：

[1]徐在新，宓子宏.從法拉第到麥克斯韋[M].北京：科學出版社，1986.

[2]郭奕玲，等.物理學史[M].第二版.北京：清華大學出版社，2005.

（責任編輯：孫晴）