電磁感應定律建立過程對學生能力培養(yǎng)的啟示

鄒輝+劉春曉

摘要：為適應應用型本科院校人才培養(yǎng)的需要，本文從創(chuàng)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(fā)現(xiàn)過程對提高學生素質(zhì)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(zhuǎn)化和相互聯(lián)系的規(guī)律，是電磁學中最重大的發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)象本質(zhì)的認識，推動了電磁學理論的發(fā)展;另一方面奠定了現(xiàn)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(chǎn)力的發(fā)展[1，2]。對法拉第發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)變的過程中而形成的一種新型的高等教育培養(yǎng)模式。它與普通本科教育的區(qū)別在于“應用”二字，強化應用型人才培養(yǎng)，注重發(fā)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(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才，發(fā)展科學技術文化，促進社會主義現(xiàn)代化建設。如何培養(yǎng)具有創(chuàng)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(jīng)歷對提高應用型本科院校學生的實踐和創(chuàng)新能力都具有重要的啟發(fā)和引導作用。下面，本文將從創(chuàng)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(guī)，創(chuàng)新工作思路

1820年，丹麥物理學家奧斯特第一次發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。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(huán)上。當在接通或斷開一個線圈的電源時，他發(fā)現(xiàn)另一個沒有連接電源的線圈中產(chǎn)生了電流（即附近的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)）。從奧斯特發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)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(shù)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(jié)論是建立在穩(wěn)恒不變的理論上的常規(guī)思路的束縛，通過非常規(guī)的方案，敏銳地意識到這是一種暫態(tài)的非穩(wěn)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(chuàng)新意識缺乏和創(chuàng)新能力不足的問題。創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)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(zhì)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(chuàng)造性地解決磁生電的事例來引導和激發(fā)學生獨立思考的能力和發(fā)掘創(chuàng)新意識，讓學生感受、理解知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程，而不是僅僅滿足于對現(xiàn)有知識的記憶和重現(xiàn)。另外，積極創(chuàng)造條件，調(diào)動學生學習的主動性，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學生的科學素養(yǎng)，以使他們在今后的生產(chǎn)實踐中創(chuàng)造性地解決問題成為可能。

二、不斷探索，挖掘現(xiàn)象背后的本質(zhì)

通過上述實驗法拉第得出以下結(jié)論：只有變化的電流才會在另一線圈中感應出電流，從而產(chǎn)生磁場，使磁針偏轉(zhuǎn)，穩(wěn)定的電流是不可能的。但是，法拉第并不滿足于這個實驗結(jié)果。經(jīng)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(chǎn)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(fā)生了偏轉(zhuǎn)，表明線圈中產(chǎn)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(fā)的磁場發(fā)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(qū)使他繼續(xù)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(zhì)？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(fā)生偏轉(zhuǎn)，即在線框中產(chǎn)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(fā)生變化而產(chǎn)生了感應電流[1]。法拉第由此認為變化的磁通量才是產(chǎn)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(chǎn)生的是感應電動勢，而感應電流是由與導體性質(zhì)無關的感應電動勢產(chǎn)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(fā)現(xiàn)的過程可以看出，法拉第經(jīng)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(fā)揮自己的邏輯推理優(yōu)勢，從各個方面了解實驗現(xiàn)象發(fā)生的機理。法拉第從不滿足于一時的發(fā)現(xiàn)，他的認識和實驗研究是同步的，實驗研究隨著認識的發(fā)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(jié)合起來，一步一步地探索，直到發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)。當前，大多數(shù)教師都是采用滿堂灌的方式向?qū)W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(yǎng)學生的獨立性和自主性，引導學生質(zhì)疑、調(diào)查和探究，指導學生通過類似于法拉第探索磁生電的本質(zhì)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(xiàn)代應用型本科教育主要是培養(yǎng)高素質(zhì)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(fā)揮自己的主觀能動性，調(diào)用各種可行的手段，自主探究解決生產(chǎn)實際中的具體問題。經(jīng)過這種鍛煉的學生，一般就能夠?qū)Ω鞣N生產(chǎn)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(shù)據(jù)，也可以通過查閱文獻的方式收集資料，最后對獲得的數(shù)據(jù)和資料進行分析、比較、歸納，形成最優(yōu)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(fā)展，實驗已經(jīng)成為科技創(chuàng)新的重要手段，在實際生產(chǎn)中發(fā)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(xiàn)象和測量得出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和處理，總結(jié)概括出內(nèi)在的聯(lián)系和規(guī)律，就上升為理論。同時，理論一經(jīng)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(xiàn)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(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整以及新型工業(yè)化和現(xiàn)代化發(fā)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(yǎng)面向生產(chǎn)、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(fā)展學生的實驗操作能力。一般來說，從應用型本科院校畢業(yè)的學生將會成為現(xiàn)代技術的應用者、實施者和實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(yǎng)目標貫徹到具體的教學實踐中，以法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律的過程來引導啟發(fā)學生利用創(chuàng)新思維解決實際問題，并且通過實驗的方法探索發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)。

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