電磁感應定律建立過程對學生能力培養的啟示

鄒輝+劉春曉

摘要：為適應應用型本科院校人才培養的需要，本文從創新意識、探索精神和研究方法三個方面闡述了法拉第電磁感應定律的發現過程對提高學生素質和能力的啟示和指導作用。

關鍵詞：電磁感應定律;應用型本科教育;能力;啟示

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）19-0205-02

電磁感應定律揭示了電和磁相互轉化和相互聯系的規律，是電磁學中最重大的發現之一。它不僅對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重要的意義，而且在科學技術上產生了深遠的影響。電磁感應定律一方面加深了人們對電磁現象本質的認識，推動了電磁學理論的發展;另一方面奠定了現代電工技術的基礎，為人們充分而方便地利用自然界的能源提供了條件，促進了生產力的發展[1，2]。對法拉第發現電磁感應定律的過程和科學思想的研究一直是一個重要的課題。應用型本科教育是伴隨著我國高等教育由精英化向大眾化轉變的過程中而形成的一種新型的高等教育培養模式。它與普通本科教育的區別在于“應用”二字，強化應用型人才培養，注重發展學生利用所學的技術和工藝解決工程實際問題的能力[3]。同時，我國的《高等教育法》明確指出：高等教育的任務就是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才，發展科學技術文化，促進社會主義現代化建設。如何培養具有創新思維和實踐能力的新型大學生是教育工作者面臨的當務之急。電磁感應定律獨特的研究方法以及法拉第自學成才的人生經歷對提高應用型本科院校學生的實踐和創新能力都具有重要的啟發和引導作用。下面，本文將從創新思維、探索精神和實驗方法等方面分別加以論述。

一、打破常規，創新工作思路

1820年，丹麥物理學家奧斯特第一次發現了電流的磁效應，開拓了全新的電學研究領域。自此之后，研究人員一直在不懈地探索其逆效應，即磁生電。但是，直到1831年磁生電才被英國杰出的實驗物理學家法拉第發現。當年的八月份，法拉第在一次偶然的機會中把兩個線圈圍繞在同一個軟鐵環上。當在接通或斷開一個線圈的電源時，他發現另一個沒有連接電源的線圈中產生了電流（即附近的小磁針發生了偏轉）。從奧斯特發現電流的磁效應到法拉第正式完成電磁感應定律，整整歷時十一年。事實上在這段時間里，很多科學家為發現電磁感應現象進行了大量的實驗研究。例如，有人將磁鐵放在導線附近，希望能夠在導線中觀察到電流[2]。盡管在實驗中利用了當時最為先進的儀器設備，但是都沒有成功。究其原因，分析如下。當磁生電的問題被提出以后，由于受到之前的電磁學（包括奧斯特電流的磁效應）建立在靜止的、恒定的基礎上的影響，大多數科技人員都將其納入原有的思維框架，并沿著固有的思維路徑對其進行思考和處理。法拉第打破了之前電磁學的結論是建立在穩恒不變的理論上的常規思路的束縛，通過非常規的方案，敏銳地意識到這是一種暫態的非穩恒的效應[4]，以變化的運動的新思路和和新方式來解決磁生電的問題。目前中國高等教育尤其是應用型本科教育普遍存在著創新意識缺乏和創新能力不足的問題。創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力，是信息時代對人才的普遍要求，也是當代大學生必備的素質和能力。在應用型本科教育的理論教學過程中，教育工作者就是要通過大量像法拉第創造性地解決磁生電的事例來引導和激發學生獨立思考的能力和發掘創新意識，讓學生感受、理解知識產生和發展的過程，而不是僅僅滿足于對現有知識的記憶和重現。另外，積極創造條件，調動學生學習的主動性，注重培養學生的創新思維，提高學生的科學素養，以使他們在今后的生產實踐中創造性地解決問題成為可能。

二、不斷探索，挖掘現象背后的本質

通過上述實驗法拉第得出以下結論：只有變化的電流才會在另一線圈中感應出電流，從而產生磁場，使磁針偏轉，穩定的電流是不可能的。但是，法拉第并不滿足于這個實驗結果。經過深入思考之后，法拉第開展了一系列新的實驗。

首先，為了弄清楚是變化的電流還是變化的磁場產生感應電流，法拉第把一根磁棒插入或拔出接有電流計的線圈。在插入和拔出的過程中，電流計的指針發生了偏轉，表明線圈中產生了感應電流。在實驗過程中，線圈并沒有連接電源，也就沒有電流的變化了。但是，當磁棒相對線圈運動時，磁棒在線圈處激發的磁場發生了變化。于是，法拉第覺察到感應電流的起因是線圈處磁場的變化。然而，這就是磁生電的根本原因嗎？法拉第追求真理的精神驅使他繼續向前探索著。

接著，法拉第又在思考變化的磁場與變化的磁通量哪個更本質？為了回答這個問題，法拉第把接有電流計的導體線框放在均勻的恒定磁場中，使線框平面跟磁場方向垂直。線框的一邊（可移動邊）可以沿著和它相鄰的兩邊滑動并保持接觸。實驗表明，當使該可移動邊朝某一方向滑動時，電流計的指針發生偏轉，即在線框中產生了感應電流。實驗中，磁感應強度沒有變化，但是由于可移動邊的滑動，導體線框的面積在隨時間變化，于是通過導體線框的磁通量隨時間發生變化而產生了感應電流[1]。法拉第由此認為變化的磁通量才是產生感應電流的起因。

1832年，法拉第通過實驗證明，在相同的條件下，幾何形狀、大小相同而電阻不同的受感應線圈，感應電流的大小與線圈的電阻成反比。法拉第認識到變化的磁通量在導體中產生的是感應電動勢，而感應電流是由與導體性質無關的感應電動勢產生的。至此，法拉第正式完成了他的電磁感應定律。

由電磁感應定律發現的過程可以看出，法拉第經過了不懈地努力，做了大量的實驗工作。他善于改變影響實驗的各種條件并發揮自己的邏輯推理優勢，從各個方面了解實驗現象發生的機理。法拉第從不滿足于一時的發現，他的認識和實驗研究是同步的，實驗研究隨著認識的發展不斷改進，而認識隨著實驗研究的改進也不斷得到提高和完善[5]。法拉第將認識和實驗研究有機地結合起來，一步一步地探索，直到發現事物的本質。當前，大多數教師都是采用滿堂灌的方式向學生傳輸知識。這種教學方法的弊端是顯而易見的。在實際教學中，教師要注重培養學生的獨立性和自主性，引導學生質疑、調查和探究，指導學生通過類似于法拉第探索磁生電的本質的方式獲取科學知識，并且學會科學的方法、技能和思維方式。現代應用型本科教育主要是培養高素質的應用型人才，這就要求大學生學習法拉第深入鉆研和獨立思考的精神，在具體問題的牽引下發揮自己的主觀能動性，調用各種可行的手段，自主探究解決生產實際中的具體問題。經過這種鍛煉的學生，一般就能夠對各種生產技術難題進行分析、推理，提出各種可行的解決途徑，然后通過觀察、實驗采集數據，也可以通過查閱文獻的方式收集資料，最后對獲得的數據和資料進行分析、比較、歸納，形成最優化的方案。endprint

三、重視實驗，提高解決問題的能力

法拉第平生的研究工作中幾乎沒有復雜的數學推導，都是建立在一系列生動、直觀的實驗基礎上的。他對物理學最卓越的貢獻即電磁感應定律也是通過實驗發現的。實驗是人們研究自然、認識和改造客觀世界的基本手段。隨著科學技術日新月異的發展，實驗已經成為科技創新的重要手段，在實際生產中發揮著越來越重要的作用。它既是理論的源泉，也是檢驗理論的裁判。由實驗觀察的現象和測量得出的數據，經過分析和處理，總結概括出內在的聯系和規律，就上升為理論。同時，理論一經提出，就必須借助實驗來檢驗其是否具有普遍意義[6]。在我國的高等教育中，實驗教學通常被視為理論教學的補充和附屬，教師和學生不重視實驗教學，從而導致了大學生的動手能力普遍較差的現象。從一定程度上來說，法拉第是依靠實驗才成為世界著名的科學家的。應用型本科院校是為了適應我國經濟結構調整以及新型工業化和現代化發展的需求而應運而生的。對應用型本科院校而言，就是要培養面向生產、建設、服務和管理等一線崗位，適應廣大用人單位實際需要的，具有較強的實踐和動手能力的技術型人才。因此，應用型本科院校不僅要使學生具備比較堅實寬廣的理論知識，而且還要發展學生的實驗操作能力。一般來說，從應用型本科院校畢業的學生將會成為現代技術的應用者、實施者和實現者，他們最大的特點是具有較強的技術思維能力，擅長運用技術解決實際中遇到的問題。而實驗作為大學生認識和改造客觀世界的基本手段，在此過程中能夠提高他們的動手能力以及發現和解決問題的能力。因此，實驗在他們的學習和工作中所起的作用是不可或缺的。

綜上所述，本文將應用型本科教育對人才的培養目標貫徹到具體的教學實踐中，以法拉第發現電磁感應定律的過程來引導啟發學生利用創新思維解決實際問題，并且通過實驗的方法探索發現事物的本質。

參考文獻：

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[2]賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學[M].北京：高等教育出版社，2001.

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[4]陳熙謀，王稼軍.電磁感應定律的定量表達式是怎樣得出的？[J]大學物理，1987：31-35.

[5]王洛印，胡化凱.電磁感應定律的建立及法拉第思想的轉變[J].哈爾濱工業大學學報，2009，（3）：19-33.

[6]趙家鳳.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2001.endprint