李剛?楊屏?張紅

摘要：在高等職業(yè)教育中，“電工電子技術(shù)”是許多專業(yè)的基礎(chǔ)課程。在目前教學(xué)中，很多學(xué)生缺乏興趣，學(xué)習(xí)效果不理想。根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出在課程初始階段重新構(gòu)建三百年電學(xué)發(fā)展歷史，按照“發(fā)現(xiàn)之旅”，“智慧之光”和“飛越之夢”的順序，從人類認(rèn)識(shí)和應(yīng)用“電”的角度闡述電學(xué)史典型案例，幫助學(xué)生提高對(duì)“電工電子技術(shù)”課程的興趣，為將來專業(yè)課學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電學(xué)史；教學(xué)；應(yīng)用；

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0086-02

“電工電子技術(shù)”是很多高職專業(yè)都開設(shè)的基礎(chǔ)課程，大都安排在新生入學(xué)的第一學(xué)年進(jìn)行。從近年來的教學(xué)實(shí)際情況來看，很多學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，課程學(xué)習(xí)的效果不好。在后續(xù)專業(yè)課教學(xué)中，學(xué)生的電工電子基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，影響了后續(xù)職業(yè)的發(fā)展。為了改變這種現(xiàn)象，筆者在教學(xué)初始階段盡量還原人類認(rèn)識(shí)電、使用電的歷史，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅有利于學(xué)習(xí)，也有利于利用文化育人對(duì)學(xué)生的全面素質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)。經(jīng)過實(shí)踐摸索，筆者將電學(xué)發(fā)展史分為三個(gè)層次呈現(xiàn)——發(fā)現(xiàn)之旅、智慧之光和飛越之夢。

一、發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)古到現(xiàn)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(chuàng)造了現(xiàn)代文明。很難想象，如果世界沒有了電，生活將會(huì)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(xué)會(huì)首席實(shí)驗(yàn)師，他主導(dǎo)了許多標(biāo)新立異的實(shí)驗(yàn)。比如制造了一個(gè)能旋轉(zhuǎn)的空心玻璃球，用空氣泵抽去玻璃球里的空氣，并在這臺(tái)儀器上安裝了一個(gè)手柄用來旋轉(zhuǎn)玻璃球。當(dāng)禮堂里的蠟燭一一熄滅，豪克斯比把手放在旋轉(zhuǎn)的球上，在玻璃球里出現(xiàn)了一道朦朧的光，這束光芒圍著他的手婆娑流動(dòng)。一道藍(lán)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(xí)慣將種種自然現(xiàn)象理解為上帝的杰作。豪克斯比在無意間已然推開了電學(xué)的大門。

2.存儲(chǔ)電荷

豪克斯比的實(shí)驗(yàn)裝置成為最早的靜電起電機(jī)，隨后蓋伊在卡爾特修道院進(jìn)行了深入的電學(xué)實(shí)驗(yàn)。他在大廳里立起了一個(gè)木頭架，上面用絲繩系著兩個(gè)秋千，用起電裝置產(chǎn)生靜電。在許多觀眾面前，他讓修道院的一名孤兒躺在兩個(gè)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(fā)電”，通過一根導(dǎo)線的連接，把靜電輸送到男孩身上。預(yù)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(fā)出的火花，景象十分引人入勝。蓋伊已經(jīng)開始思考實(shí)驗(yàn)的意義——電是可以轉(zhuǎn)移的。

毫無疑問，靜電從起電器轉(zhuǎn)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(zhì)分為兩大類：絕緣體和導(dǎo)體。他認(rèn)為絕緣體將電能存留在其中，并阻止它自由移動(dòng)；而導(dǎo)體則允許電流經(jīng)過。接下來的任務(wù)就是尋求儲(chǔ)存電能的方法，萊頓大學(xué)教授慕欣布羅克認(rèn)定電是像水一樣可以四處流動(dòng)的，那么儲(chǔ)存水的方法應(yīng)該也適用于儲(chǔ)存電。1745年，他制作了一個(gè)可以儲(chǔ)存電能的玻璃瓶，從這個(gè)瓶中涌出的電能，威力空前巨大。1746年，這個(gè)瓶子登上了法國皇家科學(xué)院學(xué)報(bào)，一位法國物理學(xué)家諾萊特將其命名為萊頓瓶，以紀(jì)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(fēng)箏。這本該是18世紀(jì)科學(xué)史上最著名的一幕，受到上帝的眷顧而毫發(fā)無傷的他，最終證明閃電就是電——Lightning is Electricity。不過實(shí)際上，富蘭克林設(shè)計(jì)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，卻從未將其付諸實(shí)踐。1753年5月23日，按照富蘭克林的實(shí)驗(yàn)原理，在法國的馬利鎮(zhèn)，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?；鸹ń沂玖碎W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(zhàn)

大航海時(shí)代的地理大發(fā)現(xiàn)讓世界終于聯(lián)系起來，早期崛起的海上帝國不斷地進(jìn)行著海外擴(kuò)張，大量新奇的東西從世界各地源源不斷進(jìn)入歐洲。一種稱之為“電鰩”的生物，令電學(xué)家們大吃一驚，于是開始了長達(dá)半個(gè)世紀(jì)之久的“蛙腿論戰(zhàn)”。論戰(zhàn)的一方是解剖學(xué)家伽伐尼，他認(rèn)為動(dòng)物體本身存在著區(qū)別于靜電的“動(dòng)物電”，每一個(gè)肌肉纖維就是一個(gè)小電容，只要用一種以上的金屬與之接觸，這種電就能激發(fā)出來。同時(shí)，動(dòng)物電可以使神經(jīng)、肌肉活動(dòng)，腦是分泌“電液”的重要器官。論戰(zhàn)的另一方是年輕的伏特，他在實(shí)驗(yàn)中將伽伐尼兩塊性質(zhì)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(rèn)為使蛙腿抽搐的電能不是來自動(dòng)物細(xì)胞組織，而是來自兩塊不同性質(zhì)的金屬接觸。剛開始，伽伐尼在論戰(zhàn)中占了上風(fēng)，電鰩之類的生物給這個(gè)理論提供了堅(jiān)實(shí)的后盾。而伏特堅(jiān)信自己從實(shí)驗(yàn)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(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，用兩種不同的金屬和電解液接觸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，終于證明不論有無動(dòng)物細(xì)胞組織，只要將兩種不同的金屬同時(shí)插入電解液中，并將其另一端連接形成閉合回路，都會(huì)有電流產(chǎn)生。而在伽伐尼的蛙腿實(shí)驗(yàn)中，蛙腿中的液體起了電解液的作用，蛙腿本身只充當(dāng)了驗(yàn)電器。伏特在實(shí)驗(yàn)中不但證實(shí)了電流來自兩種不同性質(zhì)的金屬，而且找到了金屬的起電序列，還首先引進(jìn)了“電動(dòng)勢”這一重要的物理名詞。

2.智慧之光

伏特電堆所發(fā)的電是持續(xù)的，它可以不借助機(jī)械力量產(chǎn)生電流，而是作為一個(gè)純粹的電子設(shè)備獨(dú)立存在。電池的發(fā)明，使人類第一次獲得了穩(wěn)定而持續(xù)的電流，為電學(xué)研究從靜電階段躍進(jìn)到動(dòng)電階段創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，人們可以對(duì)未來世界大展宏圖。

1808年在倫敦的英國皇家研究所里，一個(gè)新時(shí)代即將到來。戴維親手制造了史上最大的電池，它占據(jù)了研究所地下室的一整個(gè)房間。這枚電池由800個(gè)獨(dú)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(xù)流出的電流，通過碳棒后產(chǎn)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(shí)代。

三、飛越之夢

1.電磁魔力

1820年4月，奧斯特將磁針放在導(dǎo)線的側(cè)面，當(dāng)他接通電源時(shí)發(fā)現(xiàn)磁針輕微地晃動(dòng)了一下，他意識(shí)到這正是他多年盼望的效應(yīng)。此時(shí)不滿30歲的法拉第正在英國皇家研究所做化學(xué)研究工作，他不斷重復(fù)奧斯特的實(shí)驗(yàn)，最終得出結(jié)論——“在電線與磁針之間，必定有一股力在流動(dòng)。”在實(shí)驗(yàn)過程中他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象，他定下了一個(gè)更大的目標(biāo)：要通過磁和運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生電流。直到1831年，當(dāng)法拉第在一個(gè)線圈中把一塊磁鐵插進(jìn)抽出時(shí)，他探測到一股在線圈中流動(dòng)的微弱電流從一個(gè)方向變成另一個(gè)方向。這微弱的電流意義非凡，影響了19世紀(jì)科技的發(fā)展，電和磁終于走到了一起。法拉第對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)不僅是發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，他還在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)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(chǔ)。

2.電報(bào)機(jī)

生活在蒸汽時(shí)代的法拉第，試圖向世界揭示電的本質(zhì)；而與此同時(shí)，一種真正具有實(shí)用價(jià)值的電子設(shè)備呈現(xiàn)在世人面前，首次讓“電”走出了實(shí)驗(yàn)室，這就是——電報(bào)機(jī)。

電報(bào)機(jī)的原理其實(shí)并不復(fù)雜，那就是電磁鐵。這是一種由電流控制的磁鐵，通電時(shí)鐵棒能吸起比它重20倍的鐵塊，而當(dāng)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(yuǎn)程操控電磁鐵的能力，成為科學(xué)史上最有用的發(fā)現(xiàn)之一，如果電的效果能夠不受距離的制約，那么即時(shí)通訊便成為了可能。

莫爾斯是一名享有盛譽(yù)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(huì)出現(xiàn)火花，火花是一種符號(hào)，沒有火花是另一種符號(hào)，沒有火花的時(shí)間長又是一種符號(hào)。這里有三種符號(hào)可組合起來，代表數(shù)字和字母。它們可以構(gòu)成字母，文字就可以通過導(dǎo)線傳送了。這樣，能夠把消息傳到遠(yuǎn)處的嶄新工具就可以實(shí)現(xiàn)了?！?/p>

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(jìn)行傳送，這就是莫爾斯電碼。電報(bào)縮短了信息傳遞的時(shí)間，隨著橫跨大西洋電報(bào)線路的建立，世界一下變小了，電力推動(dòng)著整個(gè)世界前進(jìn)。

3.飛越之夢

麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他利用數(shù)學(xué)公式表達(dá)了奧斯特、法拉第等人的研究成果，并把電磁感應(yīng)理論推廣到了空間。此后，赫茲利用實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(shù)的新紀(jì)元。

赫茲發(fā)現(xiàn)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(duì)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(gè)世界。”1894年，波波夫改進(jìn)了無線電接收機(jī)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(jìn)行莫爾斯電碼的傳送，距離為250m，電文內(nèi)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(jìn)了無線電傳送和接收設(shè)備，在布里斯托爾海峽進(jìn)行無線電通信并取得成功，把信息傳播了12km。由此，電力進(jìn)入了其蓬勃發(fā)展的時(shí)代，電磁波使“電”長出了一對(duì)堅(jiān)強(qiáng)的翅膀，可以飛越高山，橫跨海洋。

四、應(yīng)用為先

本文所涉及的典型事件僅僅是電學(xué)史初期的內(nèi)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(zhàn)”等等。還原人類認(rèn)識(shí)和使用電的過程是筆者在高職“電工電子技術(shù)”課程教學(xué)的初衷，畢竟在“飛越之夢”講授完畢時(shí)，電的本質(zhì)——電子，還沒有被發(fā)現(xiàn)，可電的“魔力”卻已經(jīng)成功應(yīng)用。

這樣的一個(gè)事實(shí)也可以促進(jìn)對(duì)職業(yè)教育的思考。職業(yè)教育，應(yīng)用為先，或許電學(xué)史的發(fā)展過程，正是“應(yīng)用為先”的過程，在這一點(diǎn)上中國的確有很多要學(xué)習(xí)借鑒西方世界的東西。還原電學(xué)發(fā)展的歷史，相信能促進(jìn)“電工電子技術(shù)”教學(xué)工作有效發(fā)展，更有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]郭奕玲，等.物理學(xué)史[M].第二版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

（責(zé)任編輯：孫晴）