电磁感应定律建立过程对学生能力培养的启示

邹辉+刘春晓

摘要：为适应应用型本科院校人才培养的需要，本文从创新意识、探索精神和研究方法三个方面阐述了法拉第电磁感应定律的发现过程对提高学生素质和能力的启示和指导作用。

关键词：电磁感应定律;应用型本科教育;能力;启示

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）19-0205-02

电磁感应定律揭示了电和磁相互转化和相互联系的规律，是电磁学中最重大的发现之一。它不仅对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重要的意义，而且在科学技术上产生了深远的影响。电磁感应定律一方面加深了人们对电磁现象本质的认识，推动了电磁学理论的发展;另一方面奠定了现代电工技术的基础，为人们充分而方便地利用自然界的能源提供了条件，促进了生产力的发展[1，2]。对法拉第发现电磁感应定律的过程和科学思想的研究一直是一个重要的课题。应用型本科教育是伴随着我国高等教育由精英化向大众化转变的过程中而形成的一种新型的高等教育培养模式。它与普通本科教育的区别在于“应用”二字，强化应用型人才培养，注重发展学生利用所学的技术和工艺解决工程实际问题的能力[3]。同时，我国的《高等教育法》明确指出：高等教育的任务就是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，发展科学技术文化，促进社会主义现代化建设。如何培养具有创新思维和实践能力的新型大学生是教育工作者面临的当务之急。电磁感应定律独特的研究方法以及法拉第自学成才的人生经历对提高应用型本科院校学生的实践和创新能力都具有重要的启发和引导作用。下面，本文将从创新思维、探索精神和实验方法等方面分别加以论述。

一、打破常规，创新工作思路

1820年，丹麦物理学家奥斯特第一次发现了电流的磁效应，开拓了全新的电学研究领域。自此之后，研究人员一直在不懈地探索其逆效应，即磁生电。但是，直到1831年磁生电才被英国杰出的实验物理学家法拉第发现。当年的八月份，法拉第在一次偶然的机会中把两个线圈围绕在同一个软铁环上。当在接通或断开一个线圈的电源时，他发现另一个没有连接电源的线圈中产生了电流（即附近的小磁针发生了偏转）。从奥斯特发现电流的磁效应到法拉第正式完成电磁感应定律，整整历时十一年。事实上在这段时间里，很多科学家为发现电磁感应现象进行了大量的实验研究。例如，有人将磁铁放在导线附近，希望能够在导线中观察到电流[2]。尽管在实验中利用了当时最为先进的仪器设备，但是都没有成功。究其原因，分析如下。当磁生电的问题被提出以后，由于受到之前的电磁学（包括奥斯特电流的磁效应）建立在静止的、恒定的基础上的影响，大多数科技人员都将其纳入原有的思维框架，并沿着固有的思维路径对其进行思考和处理。法拉第打破了之前电磁学的结论是建立在稳恒不变的理论上的常规思路的束缚，通过非常规的方案，敏锐地意识到这是一种暂态的非稳恒的效应[4]，以变化的运动的新思路和和新方式来解决磁生电的问题。目前中国高等教育尤其是应用型本科教育普遍存在着创新意识缺乏和创新能力不足的问题。创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，是信息时代对人才的普遍要求，也是当代大学生必备的素质和能力。在应用型本科教育的理论教学过程中，教育工作者就是要通过大量像法拉第创造性地解决磁生电的事例来引导和激发学生独立思考的能力和发掘创新意识，让学生感受、理解知识产生和发展的过程，而不是仅仅满足于对现有知识的记忆和重现。另外，积极创造条件，调动学生学习的主动性，注重培养学生的创新思维，提高学生的科学素养，以使他们在今后的生产实践中创造性地解决问题成为可能。

二、不断探索，挖掘现象背后的本质

通过上述实验法拉第得出以下结论：只有变化的电流才会在另一线圈中感应出电流，从而产生磁场，使磁针偏转，稳定的电流是不可能的。但是，法拉第并不满足于这个实验结果。经过深入思考之后，法拉第开展了一系列新的实验。

首先，为了弄清楚是变化的电流还是变化的磁场产生感应电流，法拉第把一根磁棒插入或拔出接有电流计的线圈。在插入和拔出的过程中，电流计的指针发生了偏转，表明线圈中产生了感应电流。在实验过程中，线圈并没有连接电源，也就没有电流的变化了。但是，当磁棒相对线圈运动时，磁棒在线圈处激发的磁场发生了变化。于是，法拉第觉察到感应电流的起因是线圈处磁场的变化。然而，这就是磁生电的根本原因吗？法拉第追求真理的精神驱使他继续向前探索着。

接着，法拉第又在思考变化的磁场与变化的磁通量哪个更本质？为了回答这个问题，法拉第把接有电流计的导体线框放在均匀的恒定磁场中，使线框平面跟磁场方向垂直。线框的一边（可移动边）可以沿着和它相邻的两边滑动并保持接触。实验表明，当使该可移动边朝某一方向滑动时，电流计的指针发生偏转，即在线框中产生了感应电流。实验中，磁感应强度没有变化，但是由于可移动边的滑动，导体线框的面积在随时间变化，于是通过导体线框的磁通量随时间发生变化而产生了感应电流[1]。法拉第由此认为变化的磁通量才是产生感应电流的起因。

1832年，法拉第通过实验证明，在相同的条件下，几何形状、大小相同而电阻不同的受感应线圈，感应电流的大小与线圈的电阻成反比。法拉第认识到变化的磁通量在导体中产生的是感应电动势，而感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的。至此，法拉第正式完成了他的电磁感应定律。

由电磁感应定律发现的过程可以看出，法拉第经过了不懈地努力，做了大量的实验工作。他善于改变影响实验的各种条件并发挥自己的逻辑推理优势，从各个方面了解实验现象发生的机理。法拉第从不满足于一时的发现，他的认识和实验研究是同步的，实验研究随着认识的发展不断改进，而认识随着实验研究的改进也不断得到提高和完善[5]。法拉第将认识和实验研究有机地结合起来，一步一步地探索，直到发现事物的本质。当前，大多数教师都是采用满堂灌的方式向学生传输知识。这种教学方法的弊端是显而易见的。在实际教学中，教师要注重培养学生的独立性和自主性，引导学生质疑、调查和探究，指导学生通过类似于法拉第探索磁生电的本质的方式获取科学知识，并且学会科学的方法、技能和思维方式。现代应用型本科教育主要是培养高素质的应用型人才，这就要求大学生学习法拉第深入钻研和独立思考的精神，在具体问题的牵引下发挥自己的主观能动性，调用各种可行的手段，自主探究解决生产实际中的具体问题。经过这种锻炼的学生，一般就能够对各种生产技术难题进行分析、推理，提出各种可行的解决途径，然后通过观察、实验采集数据，也可以通过查阅文献的方式收集资料，最后对获得的数据和资料进行分析、比较、归纳，形成最优化的方案。endprint

三、重视实验，提高解决问题的能力

法拉第平生的研究工作中几乎没有复杂的数学推导，都是建立在一系列生动、直观的实验基础上的。他对物理学最卓越的贡献即电磁感应定律也是通过实验发现的。实验是人们研究自然、认识和改造客观世界的基本手段。随着科学技术日新月异的发展，实验已经成为科技创新的重要手段，在实际生产中发挥着越来越重要的作用。它既是理论的源泉，也是检验理论的裁判。由实验观察的现象和测量得出的数据，经过分析和处理，总结概括出内在的联系和规律，就上升为理论。同时，理论一经提出，就必须借助实验来检验其是否具有普遍意义[6]。在我国的高等教育中，实验教学通常被视为理论教学的补充和附属，教师和学生不重视实验教学，从而导致了大学生的动手能力普遍较差的现象。从一定程度上来说，法拉第是依靠实验才成为世界著名的科学家的。应用型本科院校是为了适应我国经济结构调整以及新型工业化和现代化发展的需求而应运而生的。对应用型本科院校而言，就是要培养面向生产、建设、服务和管理等一线岗位，适应广大用人单位实际需要的，具有较强的实践和动手能力的技术型人才。因此，应用型本科院校不仅要使学生具备比较坚实宽广的理论知识，而且还要发展学生的实验操作能力。一般来说，从应用型本科院校毕业的学生将会成为现代技术的应用者、实施者和实现者，他们最大的特点是具有较强的技术思维能力，擅长运用技术解决实际中遇到的问题。而实验作为大学生认识和改造客观世界的基本手段，在此过程中能够提高他们的动手能力以及发现和解决问题的能力。因此，实验在他们的学习和工作中所起的作用是不可或缺的。

综上所述，本文将应用型本科教育对人才的培养目标贯彻到具体的教学实践中，以法拉第发现电磁感应定律的过程来引导启发学生利用创新思维解决实际问题，并且通过实验的方法探索发现事物的本质。

参考文献：

[1]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]贾起民，郑永令，陈暨耀.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]朱林生，顾永安.新建本科院校培养应用型人才的探索：基于校地互动的视角[J].中国大学教学，2010，（9）：25-27.

[4]陈熙谋，王稼军.电磁感应定律的定量表达式是怎样得出的？[J]大学物理，1987：31-35.

[5]王洛印，胡化凯.电磁感应定律的建立及法拉第思想的转变[J].哈尔滨工业大学学报，2009，（3）：19-33.

[6]赵家凤.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2001.endprint