電氣信息類專業通識教育內容探討

吳靜

摘要：為了培養學生獨立思考，且對不同的學科有所認識，除了專業教育以外，還要有通識教育。現有電氣信息類專業教材內容大多“專精”，而非“博通”。電氣信息類技術的發展是科學、技術、應用、產品相互沖擊所形成的，融入了無數科學家、工程師、投資者的聰明才智以及他們的執著和努力。在通識教育中，學生有必要了解電磁理論和技術的發展歷史，以史為鑒，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀和學術觀。

關鍵詞：通識教育；電氣信息類學科；電磁理論與技術

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0143-02

19世紀，歐美學者認為現代大學學術分科過于專門，知識分割嚴重，于是創造出了通識教育，使學生對不同的學科都能有所認識。通識教育與專業教育盡管只是教育模式的不同，但其本質上卻是教育理念的不同。通識教育重在“育”而非“教”，是一種人文教育，超越了功利性與實用性。通識教育沒有專業的硬性劃分，它提供的選擇是多樣化的，學生們可以獲得順其自然的成長，

我國2015年教育部《普通高等學校本科專業目錄》中共分哲學、經濟學、法學、教育學、文學、歷史學、理學、工學、農學、醫學、管理學、藝術學等12個學科門類。每個門類下設若干個二級類，其中工學門類包括電氣類、電子信息類、自動化類、計算機類等31個二級類。在2012年以前的分類中，電氣工程及其自動化、自動化、電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術、電子科學與技術、生物醫學工程均屬電氣信息類。電氣信息類專業絕大部分教材或是專門介紹強電知識，或是專門介紹弱電知識，或是專門介紹某種技術，大多為“專精”知識，而非“博通”知識。

我們生活在信息時代，電氣、電子、計算機、網絡技術對日常生活的影響無處不在。現代人享受著它們帶來的各種便利，但絕大多數人對這些技術發展的歷史缺乏系統的了解。本文以電磁學及相關技術的發展歷史為例，探討了電氣信息類專業通識教育內容的選取依據。

一、科學方法的重要性

電氣信息類技術的發展離不開電磁學理論作支撐，而現有教材甚少介紹它們的起源。人類對電的認識始于3000年前希臘人記載的一種神秘現象，即琥珀被布摩擦后便可使頭發豎起，也可吸起輕的羽絨和麥屑，這就是靜電現象。對磁的認識要追溯到約2600年前希臘人發現的一種能夠吸引含有鐵質石屑的石頭，即“磁鐵”。靜電及磁力跟其他很多自然現象一樣，但是當時人們無法解釋其基本原理。以亞里士多德為首的希臘學者崇尚用哲學的理性推論來解釋這些現象，輕視實踐，故對自然科學的探討始終徘徊在知識的門外。后來天主教興起，教會對自然科學的探討嚴格地限制在很小的范圍內，以致在接下來的2000多年里，人類對電及磁的認識相比古希臘時代并沒有多少進步。在古代中國同樣如此。公元前220年，古人第一次發現了磁石的方向性，即“司南”。古人雖然在指南針的制造技術上有所貢獻，但1000多年來對磁的原理的研究基本上無人問津。古代中國的儒家治學態度跟亞里士多德的理性推論很相似，社會上的有才之士把精力和時間都花在了科舉求仕、吟詩作對上，甚少關注自然科學。是什么促使了電與磁理論的發展呢？15世紀中葉到17世紀初，西方社會出現了“文藝復興”，這是一場解放思想的杜會革命，最重要的是發展了一種新的方法——科學方法。“科學”在當時是指研究方法。用科學方法研究自然現象時，首先要觀察自然界中的現象，然后演變成一個假說，再用實驗證明該假說能否成立，而且實驗條件和實驗結果應具有可重復性。這種方法和亞里士多德的理性推論大不相同。電和磁現象神秘又復雜，在研究過程中很容易滲入玄虛的偽科學，但是借助于科學方法，西方國家的電磁科學與技術發展突飛猛進。中國雖有“格物致知”理論，和西方的科學方法有異曲同工之處，但在實踐中并沒有貫徹執行，這也阻礙了科學與技術的發展。在通識教育中，學生若能全面地了解這些內容，有助于他們解決實際的科研問題，并堅持唯物論的觀點。

二、科學家的楷模作用

從伏特1800年發明電池到1888年赫茲發現無線電波，無數科學家在電磁理論和實驗上都做出了貢獻，更有法拉第和麥克斯韋這種奇才，承先啟后，奠定了整個電磁學的科學基礎，使得各種電磁技術難題的解決有了理論依據。偉大的科學家如何取得令人嘆服的研究結果值得我們深思。以法拉第為例，他生于倫敦的一個貧苦家庭，年少時便對當時比較尖端的電、磁及化學等科學感興趣。1821年，法拉第在英國皇家研究院通過一個簡單而充滿創意的實驗，第一次向人們直接展示了電的能量可以轉化成動能。當法拉第把實驗結果發表后，皇家研究院首席科學家戴維對他甚是不滿，因為法拉第認為戴維沒有介入實驗，對論文沒有貢獻，所以沒有把他列為論文的作者。這也導致了戴維與法拉第的隔閡，以后十年中他都沒讓法拉第再涉足電與動能的實驗。法拉第趁機做了電化學研究，建立了電池和電鍍等應用化學理論，還發現了“苯環”。戴維逝世后，法拉第成了皇家研究院的主持人，又開始研究電磁和動能。1831年，法拉第通過實驗驗證了動能也可以轉化成電能。法拉第不懂數學，但直覺超凡，勤奮刻苦，實驗能力無人能及，一生做了將近600個實驗，大多數是失敗的，但在實驗中卻發現了電磁感應、抗磁性、順磁性、磁光效應等重要現象。法拉第一生從未申請過專利權，他所發現的一切知識都為人類共同擁有。他的名言是“工作，完成，發表”，完全體現了科學研究者的精神。他熱衷于教育，尤其對青少年更是關懷。他每年為皇家研究院圣誕節演講的講詞被《大英百科全書》列為歷史上最可讀的文章系列之一。與法拉第相比，麥克斯韋1831年出生在蘇格蘭一個顯耀的家族，是個數學天才，善于用數學語言來簡潔精確地描述和解釋自然現象。麥克斯韋28歲就到頂尖的劍橋大學當了助教，在全心投入電磁研究之前，已在控制理論、統計力學、熱力學和光學物理等方面具有獨特見解，甚至印出了世界上第一張彩色照片。1862年，英國皇家學院委托31歲的麥克斯韋把電磁學里各種單位統一起來。當時，法拉第對麥克斯韋寄予厚望，希望他用超凡的數學能力和對自然現象深刻的認識，把電磁學發揚光大。麥克斯韋綜合了法拉第、安培、高斯、湯姆生（克耳文爵士）等科學家的想法，苦研多年后，于1873年發表了《Treatise on Electricity and Magnetism》，用4個微分方程式（原有20個方程，后由黑維塞簡化成4個）概括了所有的電和磁現象，這是19世紀科學發展的登峰之作。更為震撼的是，這些方程式的答案中預測了一種電磁波的存在，而且這種電磁波在真空中傳播的速度計算出來竟是光速。法拉第的直覺——光是一種電磁波因此得到證明。1888年，赫茲驗證了麥克斯韋電磁波的存在。電氣信息類專業本科生應以這些偉大的電磁科學家為榜樣，學習他們深厚的科學素養與人文素質，開發、挖掘自身的潛質與精神氣質，這也是通識教育的終極追求。

三、新工業發展的啟迪作用

早期電磁理論和技術的發展促成了一些新工業，如電報、電話、無線電報、電燈與電氣化等的出現。了解這些新工業的發展歷程不僅能開拓學生的視野，還能引導他們全面分析問題，樹立恰當的人生目標。以電報技術為例，推動電報誕生的有兩位主要人物，一位是美國的摩斯，另一位是英國的柯克。摩斯的方法全球通用，創造了第一個以電為基礎的新工業。1832年，繪畫專業的四十一歲的摩斯偶爾聽說歐洲有人正在研究以電流來進行通訊，于是他便很快研制了一架簡陋的電報機，并精心策劃了專利申請，同時還組成了團隊共同研發新技術。摩斯帶著他的發明到各地示范，尋求投資者，結果雖獲好評，但技術太新，難以為大眾所接受。摩斯的執著最終換來了由華盛頓到巴爾的摩兩個城市間電報通訊示范工程的成功，這也成為電報發展的轉折點。隨后摩斯與肯道注冊成立了公司，集資建造從紐約通往美國東部各大城市的電報系統；摩斯又接受了肯道的建議，將他的專利同時授權給多家公司，讓他們在全美各地發展電報，他坐收授權費。從1844年開始，很多公司投入了電報行業，但大多數并不理會摩斯的專利，而拿了專利權限的公司也以各種理由不繳費用。摩斯在1849年控告這些公司侵權，而這些公司也聯合起來挑戰摩斯專利權的合法性。他們指出摩斯的很多技術是抄襲他人的發明。1854年，法院裁定摩斯是電報的發明人，判決書中聲明摩斯雖采用了一些他人的知識，但他是第一個把這些知識整合在一起、成功應用到通訊技術上的人。這個判決奠定了摩斯在歷史上的地位，也帶給了他財富。1865年，世界上20個國家一起開會成立了國際電信聯盟，來統一規范全世界電報的應用和技術。這也是歷史上第一個世界性的技術組織。

從1844年摩斯第一次示范華盛頓到巴爾的摩的通訊，到1865年第二條大西洋電纜開始服務，短短21年間，電報覆蓋了全世界。電報不僅為人類通訊的需求帶來翻天覆地的改變，同時也推動了一波又一波的技術革新，一直延伸到今天。在電報發展的過程中摩斯的堅持，專利權的紛爭，技術的不斷創新以及新行業的衍生等都能夠給學生很多人生啟迪。

四、結語

電磁現象從被發現到理論基礎的建立，到發展成人們生活中不可缺少的各種技術，再到產生支撐國家經濟的新興企業，無數科學家、工程師、企業家、投資者做出了貢獻。他們在科學研究中所使用的方法和敏銳的洞察力，在創業中堅持不懈的努力，在經營管理中的先進理念等引人思考。電氣信息類專業的學生若能全面了解電磁學及相關技術的發展歷程，不僅有助于他們加強專業知識底蘊，提升文化修養，更有助于他們樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀和學術觀，這也是通識教育的培養目標。