电学史教学研究

摘要：在高等职业教育中，“电工电子技术”是许多专业的基础课程。在目前教学中，很多学生缺乏兴趣，学习效果不理想。根据多年教学实践经验，提出在课程初始阶段重新构建三百年电学发展历史，按照“发现之旅”，“智慧之光”和“飞越之梦”的顺序，从人类认识和应用“电”的角度阐述电学史典型案例，帮助学生提高对“电工电子技术”课程的兴趣，为将来专业课学习打下基础。

关键词：电学史；教学；应用；

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0086-02

“电工电子技术”是很多高职专业都开设的基础课程，大都安排在新生入学的第一学年进行。从近年来的教学实际情况来看，很多学生缺乏学习兴趣，课程学习的效果不好。在后续专业课教学中，学生的电工电子基础知识薄弱，影响了后续职业的发展。为了改变这种现象，笔者在教学初始阶段尽量还原人类认识电、使用电的历史，以此激发学生的学习兴趣，不仅有利于学习，也有利于利用文化育人对学生的全面素质进行培养。经过实践摸索，笔者将电学发展史分为三个层次呈现――发现之旅、智慧之光和飞越之梦。

一、发现之旅

1.静电魔力

电是自然界最神奇的力量之一，壮观的闪电，滚滚的惊雷，摄人心魄。从远古到现在，人类一直梦想着控制这种自然力量，探索电的脚步千百年来从未停歇，电力创造了现代文明。很难想象，如果世界没有了电，生活将会怎样？黑暗、寒冷、寂静、恐惧，如同回到三百年前。1705年，35岁的豪克斯比被牛顿任命为伦敦皇家学会首席实验师，他主导了许多标新立异的实验。比如制造了一个能旋转的空心玻璃球，用空气泵抽去玻璃球里的空气，并在这台仪器上安装了一个手柄用来旋转玻璃球。当礼堂里的蜡烛一一熄灭，豪克斯比把手放在旋转的球上，在玻璃球里出现了一道朦胧的光，这束光芒围着他的手婆娑流动。一道蓝色的光晕，勾勒出豪克斯比手的轮廓，仿佛生命在此起舞。那是在三百年前，欧洲人还习惯将种种自然现象理解为上帝的杰作。豪克斯比在无意间已然推开了电学的大门。

2.存储电荷

豪克斯比的实验装置成为最早的静电起电机，随后盖伊在卡尔特修道院进行了深入的电学实验。他在大厅里立起了一个木头架，上面用丝绳系着两个秋千，用起电装置产生静电。在许多观众面前，他让修道院的一名孤儿躺在两个秋千上，并且把几片金叶子和羽毛放在孩子面前。然后盖伊开始“发电”，通过一根导线的连接，把静电输送到男孩身上。预料之中的“奇迹”如约而至：金叶子还有羽毛纷纷飞向男孩的指尖。一些观众回忆，甚至看到了男孩手指上发出的火花，景象十分引人入胜。盖伊已经开始思考实验的意义――电是可以转移的。

毫无疑问，静电从起电器转移到男孩的身上，直到他的双手，但悬挂着秋千的绳却让它停了下来。于是盖伊将世界上所有物质分为两大类：绝缘体和导体。他认为绝缘体将电能存留在其中，并阻止它自由移动；而导体则允许电流经过。接下来的任务就是寻求储存电能的方法，莱顿大学教授慕欣布罗克认定电是像水一样可以四处流动的，那么储存水的方法应该也适用于储存电。1745年，他制作了一个可以储存电能的玻璃瓶，从这个瓶中涌出的电能，威力空前巨大。1746年，这个瓶子登上了法国皇家科学院学报，一位法国物理学家诺莱特将其命名为莱顿瓶，以纪念其诞生地。

3.捕捉闪电

莱顿瓶声名大振，迅速向世界各地传播。富兰克林留下了人们熟知的故事――在雷雨天放风筝。这本该是18世纪科学史上最著名的一幕，受到上帝的眷顾而毫发无伤的他，最终证明闪电就是电――Lightning is Electricity。不过实际上，富兰克林设计了这个实验，却从未将其付诸实践。1753年5月23日，按照富兰克林的实验原理，在法国的马利镇，高高竖起的金属长杆在雷雨中捕获闪电，然后把它输送到下面的莱顿瓶中。火花揭示了闪电的真面目，它和人为制造出的电并无二致，这是里程碑式的一刻。

二、智慧之光

1.蛙腿论战

大航海时代的地理大发现让世界终于联系起来，早期崛起的海上帝国不断地进行着海外扩张，大量新奇的东西从世界各地源源不断进入欧洲。一种称之为“电鳐”的生物，令电学家们大吃一惊，于是开始了长达半个世纪之久的“蛙腿论战”。论战的一方是解剖学家伽伐尼，他认为动物体本身存在着区别于静电的“动物电”，每一个肌肉纤维就是一个小电容，只要用一种以上的金属与之接触，这种电就能激发出来。同时，动物电可以使神经、肌肉活动，脑是分泌“电液”的重要器官。论战的另一方是年轻的伏特，他在实验中将伽伐尼两块性质不同的金属板换成同种金属板，而瞬间青蛙的抽搐停止了。伏特认为使蛙腿抽搐的电能不是来自动物细胞组织，而是来自两块不同性质的金属接触。刚开始，伽伐尼在论战中占了上风，电鳐之类的生物给这个理论提供了坚实的后盾。而伏特坚信自己从实验中得来的理论，他将一块铜板放到一张浸过稀酸的纸板下面然后再叠上另一块金属板，做成了一叠金属堆，后来被称作“伏特电堆”。伏特不断改进实验方法，用两种不同的金属和电解液接触进行实验，终于证明不论有无动物细胞组织，只要将两种不同的金属同时插入电解液中，并将其另一端连接形成闭合回路，都会有电流产生。而在伽伐尼的蛙腿实验中，蛙腿中的液体起了电解液的作用，蛙腿本身只充当了验电器。伏特在实验中不但证实了电流来自两种不同性质的金属，而且找到了金属的起电序列，还首先引进了“电动势”这一重要的物理名词。

2.智慧之光

伏特电堆所发的电是持续的，它可以不借助机械力量产生电流，而是作为一个纯粹的电子设备独立存在。电池的发明，使人类第一次获得了稳定而持续的电流，为电学研究从静电阶段跃进到动电阶段创造了坚实的物质基础，人们可以对未来世界大展宏图。

1808年在伦敦的英国皇家研究所里，一个新时代即将到来。戴维亲手制造了史上最大的电池，它占据了研究所地下室的一整个房间。这枚电池由800个独立的伏特电堆组成。黑暗的房间中闪烁着古老的烛光，戴维将碳棒连接在电池两端，然后让碳棒相互靠近，电池中持续流出的电流，通过碳棒后产生了一道持久耀眼的火花。这是千百支蜡烛都无法比拟的明亮，从此黑暗不再，曙光破晓，人类开启了光明的新时代。

三、飞越之梦

1.电磁魔力

1820年4月，奥斯特将磁针放在导线的侧面，当他接通电源时发现磁针轻微地晃动了一下，他意识到这正是他多年盼望的效应。此时不满30岁的法拉第正在英国皇家研究所做化学研究工作，他不断重复奥斯特的实验，最终得出结论――“在电线与磁针之间，必定有一股力在流动。”在实验过程中他发现了一个新现象，他定下了一个更大的目标：要通过磁和运动来产生电流。直到1831年，当法拉第在一个线圈中把一块磁铁抽出时，他探测到一股在线圈中流动的微弱电流从一个方向变成另一个方向。这微弱的电流意义非凡，影响了19世纪科技的发展，电和磁终于走到了一起。法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还在大量实验的基础上创建了电力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。

2.电报机

生活在蒸汽时代的法拉第，试图向世界揭示电的本质；而与此同时，一种真正具有实用价值的电子设备呈现在世人面前，首次让“电”走出了实验室，这就是――电报机。

电报机的原理其实并不复杂，那就是电磁铁。这是一种由电流控制的磁铁，通电时铁棒能吸起比它重20倍的铁块，而当电源切断后，铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。这种远程操控电磁铁的能力，成为科学史上最有用的发现之一，如果电的效果能够不受距离的制约，那么即时通讯便成为了可能。

莫尔斯是一名享有盛誉的美国画家，他在笔记本上记下这样一段话：“电流是神速的，如果它能够不停顿走十英里，我就让他走遍全世界。电流只要停止片刻，就会出现火花，火花是一种符号，没有火花是另一种符号，没有火花的时间长又是一种符号。这里有三种符号可组合起来，代表数字和字母。它们可以构成字母，文字就可以通过导线传送了。这样，能够把消息传到远处的崭新工具就可以实现了。”

随着这种伟大思想的成熟，莫尔斯成功地用电流的“通”、“断”和“长断”来代替了人类的文字进行传送，这就是莫尔斯电码。电报缩短了信息传递的时间，随着横跨大西洋电报线路的建立，世界一下变小了，电力推动着整个世界前进。

3.飞越之梦

麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他利用数学公式表达了奥斯特、法拉第等人的研究成果，并把电磁感应理论推广到了空间。此后，赫兹利用实验证实了电磁波的存在，其意义是不仅仅证明了麦克斯韦理论的正确性，更重要的是诞生了无线电，开辟了电子技术的新纪元。

赫兹发现电磁波的消息传到俄国，一位正从事电灯推广工作的青年波波夫兴奋地说：“用我一生的精力去装电灯，对广阔的俄罗斯来说，只不过照亮了很小一角，要是我能指挥电磁波，就可飞越整个世界。”1894年，波波夫改进了无线电接收机并为之增加了天线，使其灵敏度大大提高。1896年，波波夫成功地用无线电进行莫尔斯电码的传送，距离为250m，电文内容为――“海因里斯・赫兹”。此后，另一位研究无线电的年轻人――马可尼，改进了无线电传送和接收设备，在布里斯托尔海峡进行无线电通信并取得成功，把信息传播了12km。由此，电力进入了其蓬勃发展的时代，电磁波使“电”长出了一对坚强的翅膀，可以飞越高山，横跨海洋。

四、应用为先

本文所涉及的典型事件仅仅是电学史初期的内容，随着课程深入，还有很多案例可供使用，比如爱迪生和特斯拉的“交直大战”等等。还原人类认识和使用电的过程是笔者在高职“电工电子技术”课程教学的初衷，毕竟在“飞越之梦”讲授完毕时，电的本质――电子，还没有被发现，可电的“魔力”却已经成功应用。

这样的一个事实也可以促进对职业教育的思考。职业教育，应用为先，或许电学史的发展过程，正是“应用为先”的过程，在这一点上中国的确有很多要学习借鉴西方世界的东西。还原电学发展的历史，相信能促进“电工电子技术”教学工作有效发展，更有利于学生综合素质的提高。

参考文献：

[1]徐在新，宓子宏.从法拉第到麦克斯韦[M].北京：科学出版社，1986.

[2]郭奕玲，等.物理学史[M].第二版.北京：清华大学出版社，2005.