應用歷史方法 促進電工教學

黃慶階

【摘 要】應用歷史方法，促進電工教學，就是通過介紹相關的歷史背景，闡述人們認識電現象的基本過程和方法，揭示其中的一般規律，彰顯前輩電學大師的不懈努力和敬業精神，激發學生的學習興趣和志向，促進電工教學質量和效率的不斷提高。

【關鍵詞】歷史方法電工教學

這里說的歷史方法，是指通過介紹相關的歷史背景，闡述人們認識電現象的基本過程和方法，揭示其中的一般規律，賦予抽象的電工概念以生動的聯想，從而激發學生的學習興趣和志向，化解學生對學習電工課的畏難情緒，促進電工教學質量和效率的不斷提高。

1875年庫倫從實驗確定了電荷間的相互作用力，人類對電的研究開始進入到定量階段。此后經過兩百多年的探索，電工學已形成一個復雜而龐大的理論體系，電工電子技術更是進步到了令人不可思議的程度，比如只要動動手指，便可通過各種自動智能控制系統在工廠實現各種復雜精密的加工，或者通過手機等各種終端在互聯網構成的虛擬世界中心想事成。電工理論和技術的巨大發展極大地促進了人類的文明進步，也給電工教學造成困難。電工課早已成為學生最難學老師最難教的課程。由于電氣原因導致重大事故的報道屢屢見于熒屏報端，折射出電工培養、電工教學的困境已到了令人擔憂的地步。如何擺脫這種困境成為電工教師亟待解決的課題。筆者嘗試應用歷史的方法于電工教學，經過反復實踐，有了下面一點粗淺的認識，權作引玉之磚。

首先，在開始講授一門電工課程時，要針對教材中的基本內容粗線條介紹相關的歷史背景。比如講授《電工基礎》（勞動版第四版），該教材的基本內容包括電路基礎知識、直流電路、磁場與電磁感應、單相交流電路、三相交流電路。所對應的歷史過程是：1800年，伏特發明電池。電池能夠提供持續不斷的電流，人類對電的研究也由靜電發展的動電，也就是對電流的研究。1820年，奧斯特在實驗中偶然發現通電導體附近的小磁針偏離南北指向，由此發現“動電生磁”，即電流周圍存在磁場的現象，揭示出磁現象的電本質。我們今天稱“動電生磁”為“電流的磁效應”。受這一發現啟發，法拉第經過十年的不懈努力，于1831年找到了“動磁生電”的方法，并制造出世界上第一臺發電機。1834年，雅可比發明世界上第一臺電動機。至此，人類大規模生產和使用電能的條件已經具備，但電氣時代并未隨之開始，因為這時候人類社會并不大規模需要電能。這時候以蒸汽機為主導的技術體系已經十分成熟，而不論是法拉第發明的發電機還是雅可比發明的電動機都是直流電機，直流電機本就結構復雜，制造維護困難，剛剛發明出來的直流電機生產和使用成本就更加高，比不過蒸汽機。過了半個世紀，情況有了變化。在1881年的巴黎世界電氣博覽會上，有史以來最偉大的發明家愛迪生把發電機和蒸汽機直接連接發電，點亮了1000盞電燈，被視為世界奇跡。1882年，愛迪生建立世界上第一座直流發電廠和第一個民用照明系統，美國的大城市，幾乎所有歐洲的首都，都爭相在街道上安裝電燈，人類社會終于開始大規模應用電能了。隨著電能的大規模應用，直流電難以遠距離輸送的問題和直流電機的結構性缺陷充分暴露，導致了交流電的研究。發電機發出來的本來就是交流電。1886年，愛迪生的助手特斯拉研制出二相交流電動機，為交流電的工業應用開辟了道路。在此基礎上，杰出的俄羅斯工程師多里沃發明制造出三相電動機和三相變壓器，三相電力系統隨之建立起來。隨著三相電力系統的建立，電能便于轉換、便于輸送、便于控制的巨大優越性得以充分展現，電動機迅速取代蒸汽機成為人類社會生產的主流動力。蒸汽機時代結束了，電氣時代開始了。

介紹這一歷史過程有什么意義呢？

第一，為學生學習新知識創建結合點。學生學習新知識的過程也就是新知識和學生已有知識建立聯系的過程。建立聯系的前提條件是學生已有知識中有接納新知識的結合點。沒有結合點學生便不可能理解新知識。因材施教和循序漸進成為教育教學的最基本原則，道理正在這里。學生了解了相關歷史過程，也就知曉了相關知識的來龍去脈，進一步理解它們便成了順理成章，水到渠成的事情。

第二，這一歷史過程也為學生揭示出學習電工學的一般方法。不管是奧斯特偶然發現“動電生磁”，還是法拉第經過十年努力使“動磁生電”，以及電工學一系列的概念、原理、方法都源自實驗，電工學就是一門實驗科學。學習電工學當然也離不開實驗。學校要為電工課準備好充分的實驗條件，學生則要充分利用這些條件做實驗，通過實驗認識各種電磁現象，揭示各種電磁規律，進而掌握相關知識，形成電工技能。

第三，這一歷史過程由一系列發現發明事件構成，這些事件構成了一個不可置換的歷史序列，比如奧斯特發現“動電生磁”的事件只能發生在伏特發明電池之后，再后才可能有法拉第發現“動磁生電”的事件。這一歷史序列又與教材中知識的邏輯體系相對應，相統一。借助這個對應統一可以幫助學生感悟人類認知的一般規律：由簡單到復雜，由低級到高級，由感性到理性，由具體到抽象。感悟了這一規律，無疑有益于學生學習方法的不斷改進，學習能力的不斷提高，學習興趣志向的不斷強化。

其次，對于特別重要，特別關鍵的概念，要詳細介紹相關歷史背景。比如電磁感應定律，是全書的重點，也是全書的難點，是學生學習交流電最關鍵的基礎概念，在講授這一概念時就要從其發現者法拉第的生平介紹導入新課，包括家境貧寒，12歲就上街賣報；13歲到書店當學徒，熱衷讀書，熱衷實驗；聽著名科學家戴維演講，立下科研之志；精心編輯“亨·戴維爵士講演錄”回贈戴維，與戴維結下深厚友誼；投書皇家學會會長班克斯爵士要求為科學服務，卻被無禮拒絕；得戴維幫助成為實驗助理員；受奧斯特“動電生磁”實驗啟發，經過十年不懈努力終于找到“動磁生電”方法。其中關鍵之處要做細節描述：1831年10月17日，當法拉第把一塊磁鐵插入線圈的時候，突然發現和線圈相連的檢流計的指針動了一下，他全身一震，又重復了一下這個動作，指針又動了一下（同步實驗給學生看），確鑿無疑地動了一下。頃刻間法拉第熱血沸騰，狂呼起來。他太激動了，整整十年的堅持不懈，他終于找到了“動磁生電”的方法。激動之后是困惑——這個動作他以前也做過，卻未見指針動，原因何在呢？旋即他明白了，因為指針動的幅度實在太小了，而且更關鍵的是指針只動在磁鐵插入和拔出的瞬間，稍縱即逝。以前他是插入磁鐵后再去看指針動否，而這時指針已動完復位。這次他之所以能夠發現是因為他把磁鐵插入線圈的同時掃了檢流計一眼。正是這一掃，法拉第成為近代電磁學的奠基人，人類找到了打開電力寶庫大門的鑰匙。也正是這一掃，1831年10月17號不再普通而成為具有歷史意義的日子——電氣時代的第一縷曙光在這一天出現在蒸汽機時代的地平線上。此后，法拉第經過反復實驗確認了“動磁生電”的六種方式，這六種方式用一句話來概括就是：只要導體周圍的磁場發生變化，就能在導體中引起電動勢。這種現象法拉第形象地稱為“動磁生電”，我們今天稱為“電磁感應”。

這種詳細的介紹有什么意義呢？

第一，能夠把法拉第等科學家探索的艱辛和成功的喜悅轉換成學生的真切體驗，從而喚起學生的興趣，集中學生的注意力，形成興奮點。學生越興奮，思維越活躍，學習效果就越好。

第二，使學生真切感受到電工學就在身邊，就在日常生活中，從而破除對科學和科學家的神秘感，化解畏難情緒，增強學習科學技術的信心。

第三，電磁感應概念是抽象的，法拉第發現電磁感應的過程是生動的。學生知道了生動的發現過程，就能對抽象的概念建立生動的聯想，就可以幫助學生更好地理解和更牢固地記憶“電磁感應”等重要概念，從而更好地完成教學任務，達成教學目標。

再次，要注意揭示相關概念之間的歷史聯系和邏輯關系。比如歐姆定律和基爾霍夫定律，它們都是關于電路中電動勢、電壓、電流、電阻之間關系的定律。前者發表于1826年，當時歐姆40歲；后者發表于19年后的1845年，當時基爾霍夫還是個21歲的大學生。它們之間的歷史聯系是：前者是歐姆歷盡艱辛挫折反復實驗得出的，后者是基爾霍夫在歐姆工作的基礎上發展而來。這種歷史聯系也必然體現在它們的邏輯關系中：

1. 對部分電路應用基爾霍夫第二定律列方程可得：0 = U-I R；整理得I = U / R；與部分電路歐姆定律相同。

2. 對全電路應用基爾霍夫第二定律列方程可得：E = I r + I R；整理得I = E / （ r + R ）；與全電路歐姆定律相同。

由此可見，歐姆定律是基爾霍夫定律在簡單電路中的表現形式，歐姆定律包含在基爾霍夫定律之中。

顯然，揭示相關概念之間的歷史聯系和邏輯關系可以幫助學生融會貫通所學知識，可以幫助他們在更深的層次上理解相關知識，更熟練地應用相關知識，同時也使他們的知識結構更加緊密，更加鞏固，意義之重大不言而喻。

歷史的和邏輯的方法是人們認識世界的兩種基本方法，它們相輔相成，不可偏廢。技工學校的電工教材是按所講知識的邏輯體系編寫的，是在大量感性認識的基礎上得出的理性結論，應用的是邏輯的方法。這樣編寫的教材文字精練，內容抽象。由于學生缺乏相應的感性經驗，因而難學難懂。應用歷史的方法教學就是要介紹相應的感性經驗給學生，使他們能夠通過具體的歷史事件理解抽象的電工概念，是對教材的再加工，遵循和體現的還是人們認知的一般規律。

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