德國卡爾斯魯厄物理課程評(píng)介*

陳敏華

(紹興縣柯橋中學(xué) 浙江 紹興 312030)

1 歷史背景

1888年，著名物理學(xué)家赫茲在德國卡爾斯魯厄大學(xué)發(fā)現(xiàn)了電磁波．卡爾斯魯厄物理課程(Der Karlsruher Physik Kurs，簡(jiǎn)稱KPK)就是在這所大學(xué)的物理教學(xué)研究所產(chǎn)生的．20世紀(jì)70年代，該研究所的福克教授最早主持這一課程開發(fā)計(jì)劃．20世紀(jì)90年代初，福克去世．這以后，這一課程的開發(fā)工作由他的同事赫爾曼教授主持．在21世紀(jì)初，這一項(xiàng)目受到了德國久?；饡?huì)的資助．在這個(gè)基金會(huì)的資助下，此課程已部分被翻譯或改編為英文、意大利文和中文[1～2]等．

物理知識(shí)的總量在不斷地增加，而物理教學(xué)的時(shí)間則基本保持不變．KPK就是為緩解這一矛盾所做努力的成果．物理學(xué)的發(fā)展歷史是一條錯(cuò)綜復(fù)雜的道路．在教學(xué)中，我們把由這條復(fù)雜的道路所帶來的歷史負(fù)擔(dān)強(qiáng)加給了學(xué)生．KPK的開發(fā)者們選擇了一種科學(xué)教學(xué)的統(tǒng)一方法，將這些歷史負(fù)擔(dān)從物理課程中排除．這個(gè)方法基于在經(jīng)典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)中扮演著基本角色的一類物理量；這類物理量都是廣延量，它們是：能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷量、物質(zhì)的量和熵．當(dāng)我們強(qiáng)調(diào)廣延量時(shí)，物理學(xué)各分支學(xué)科之間的劃分只不過是根據(jù)這些量在每種情況中所扮演的主要角色而對(duì)自然過程的分類罷了．僅僅一個(gè)物理學(xué)分支學(xué)科的知識(shí)就已經(jīng)給我們提供了一個(gè)描述其他分支學(xué)科(包括化學(xué)和生物學(xué))的類比方法．因此，這一課程開發(fā)計(jì)劃不僅僅是編一套新的物理教材，其目的是要尋找一種新的物理教學(xué)方法，這種新方法適合于不同年級(jí)的學(xué)生．KPK的開發(fā)者們已編寫出了從小學(xué)、中學(xué)到大學(xué)的物理教材，并在國際物理教育雜志上發(fā)表多篇文章來介紹這一課程的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的物理教學(xué)方法．他們還在德國的一些州和包括中國在內(nèi)的其他國家的部分學(xué)校進(jìn)行KPK課程試驗(yàn)；如我國上海部分中學(xué)將KPK作為拓展性教材在部分學(xué)生中試用，取得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)．

2 課程結(jié)構(gòu)

量子力學(xué)中的基本物理量是能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷量等．這些量不同于牛頓力學(xué)中描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理量(如速度、力等)．當(dāng)然，在牛頓力學(xué)中也出現(xiàn)能量、動(dòng)量、角動(dòng)量，但它們僅僅在計(jì)算上起方便的作用，而并不是基本物理量．在牛頓力學(xué)中，基本的物理量是位移、速度、質(zhì)量和力；而動(dòng)量只不過是質(zhì)量和速度的乘積的別名.能量在牛頓力學(xué)中的地位也是如此．在量子力學(xué)中，對(duì)動(dòng)量和能量的處理就大不相同了．這可以由以下事實(shí)加以說明：動(dòng)量和能量可以量子化，而那些在牛頓力學(xué)中構(gòu)成能量和動(dòng)量的物理量(如速度和力)卻不可以量子化．

量子力學(xué)中的基本物理量跟熱力學(xué)中的廣延量具有類似的性質(zhì)．這些量有一個(gè)共同的特點(diǎn).它們都可以被看作是包含在一個(gè)物理系統(tǒng)中，并能從一個(gè)系統(tǒng)流到另一個(gè)系統(tǒng)．因此，它們都可以被描述為一種“實(shí)物”．由此，我們把它們叫做實(shí)物型物理量．KPK把實(shí)物型物理量作為課程的中心概念．

一般地，我們有所謂的吉布斯基本方程式

dE=φdq+vdp+TdS+μdn+…

相應(yīng)的能流公式為

IE=φIq+vIp+TIS+μIn+…

式中IE，Iq，Ip，IS和In分別為能流(即功率P)、電流、動(dòng)量流(即力F)、熵流和物質(zhì)流；φ，v，T和μ分別為電勢(shì)、速度、熱力學(xué)溫度和化學(xué)勢(shì)，它們都是內(nèi)涵量．

由上式可以容易地找出物理學(xué)各分支學(xué)科間的類比關(guān)系．由此可知，電學(xué)過程實(shí)質(zhì)上是能量E和能量攜帶者電荷q在電勢(shì)差Δφ作用下的流動(dòng)，它們的流動(dòng)形成能流IE和電流Iq；力學(xué)過程實(shí)質(zhì)上是能量E和能量攜帶者動(dòng)量p在力勢(shì)差Δv作用下的流動(dòng),它們的流動(dòng)形成能流IE和動(dòng)量流Ip；熱學(xué)過程實(shí)質(zhì)上是能量E和能量攜帶者熵S在熱勢(shì)差ΔT作用下的流動(dòng)，它們的流動(dòng)形成能流IE和熵流IS；化學(xué)過程實(shí)質(zhì)上是能量E和能量攜帶者物質(zhì)的量n在化學(xué)勢(shì)差Δμ的作用下的流動(dòng)，它們的流動(dòng)形成能流IE和物質(zhì)流In．因而，一個(gè)物理學(xué)分支學(xué)科的知識(shí)為其他分支學(xué)科(包括化學(xué)和生物學(xué))提供了一種類比方法，由此就形成了KPK清晰的課程結(jié)構(gòu)(表1)．

表1 KPK的課程結(jié)構(gòu)-物理學(xué)各分支學(xué)科(包括化學(xué))間的類比關(guān)系

相同的規(guī)律和結(jié)構(gòu)重復(fù)出現(xiàn)在電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)中，也不同程度地出現(xiàn)在光學(xué)、聲學(xué)和電子學(xué)中．這些普遍的規(guī)律我們只需學(xué)習(xí)一次．利用這一結(jié)構(gòu)開發(fā)的課程可以達(dá)到使物理教學(xué)更現(xiàn)代化和精簡(jiǎn)化的目的．

這一結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)除了吉布斯基本方程外，還包括熱力學(xué)第二定律．由于自然界中各種不可逆過程都是互相關(guān)聯(lián)的，所以每一個(gè)不可逆過程都可以作為表述熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)，而熱力學(xué)第二定律就可以有多種不同的表述方式．但不管具體表述方式如何，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于指出，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的．熱力學(xué)第二定律所揭示的這一客觀規(guī)律向人們指出了實(shí)際宏觀過程進(jìn)行的條件和方向[3].KPK課程結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)的就是能量及其攜帶者自發(fā)和非自發(fā)流動(dòng)的方向．

3 課程特色

KPK以實(shí)物型量為中心概念，用實(shí)物型量的流來構(gòu)建整個(gè)課程結(jié)構(gòu)．與傳統(tǒng)的物理課程比較，用這種結(jié)構(gòu)建立起來的物理課程至少具有以下特色.

3.1 強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)思維

某個(gè)實(shí)物型量必定屬于空間某一區(qū)域，即屬于某一系統(tǒng)的．系統(tǒng)具有一定的邊界．實(shí)物型物理量通過系統(tǒng)的邊界流動(dòng)．我們可以說“一個(gè)系統(tǒng)具有較多或較少的能量”，但不能說“一個(gè)系統(tǒng)具有較多或較少的溫度”．我們也可以說“一個(gè)系統(tǒng)沒有電荷量或沒有動(dòng)量”，但不能說“一個(gè)系統(tǒng)沒有電勢(shì)或速度”．我們也不能說“力可以使物體產(chǎn)生加速度”，因?yàn)榧铀俣炔皇菍?shí)物型量．而這種類似的說法在傳統(tǒng)的物理課程中經(jīng)常能看到．這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的物理課程在強(qiáng)調(diào)“研究對(duì)象”時(shí)沒有關(guān)注它的邊界，也沒有把實(shí)物型物理量和其他量區(qū)分開來．

在傳統(tǒng)的物理課程中，經(jīng)常說力的作用效果是使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或使物體形變．但一個(gè)物體受到的合力為零時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有改變，但我們不能說物體沒有形變．我們用動(dòng)量流就能解釋這一現(xiàn)象了．原來，當(dāng)物體受到的合力為零時(shí)，仍有動(dòng)量流過物體．

在傳統(tǒng)的物理課程中，我們經(jīng)常說“力做功”．那么，人走路或汽車行駛時(shí)是什么力在做功呢？對(duì)于行駛的汽車，我們經(jīng)常說汽車受到牽引力，是牽引力在給汽車做功．那么，人走路時(shí)是否有牽引力在做功呢？原來，力是不能做功的．能量這個(gè)實(shí)物型物理量只能在物體(或者說系統(tǒng))之間流動(dòng)．功是能量流動(dòng)的量度．因此，如果要說“做功”的話，也只能說物體(或系統(tǒng))做功．而在傳統(tǒng)的物理課程中，一會(huì)說“力做功”，一會(huì)說“物體做功”．在KPK中，沒有出現(xiàn)“功”這個(gè)概念，“功率”也被“能流”的概念所代替，“力”在能量流動(dòng)的過程中只不過是一種能量攜帶者．

實(shí)物型物理量的概念也有利于我們將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型工具(如美國的Stella，Dynamo，ithink，挪威的Powersim等軟件)作為重要的學(xué)習(xí)工具應(yīng)用于物理教學(xué)中．

3.2 強(qiáng)調(diào)類比

根據(jù)上面所給出的KPK課程結(jié)構(gòu)我們很容易知道，對(duì)于不同的物理過程(力的過程、電的過程、熱的過程等)，可以根據(jù)不同過程中相應(yīng)的實(shí)物型物理量的增加、減少和流動(dòng)來寫出相同形式的表達(dá)式．這樣，僅僅一個(gè)物理學(xué)分支學(xué)科的知識(shí)就已經(jīng)給我們提供了一個(gè)描述其他分支學(xué)科(以及化學(xué))的類比方法．只要學(xué)生掌握了某一分支學(xué)科的規(guī)律和結(jié)構(gòu)，他們就可以通過類比，將這種規(guī)律和結(jié)構(gòu)遷移到其他分支學(xué)科中．

在傳統(tǒng)的物理課程中，只有電學(xué)具有這種以實(shí)物型物理量的流所形成的結(jié)構(gòu)．因此，我們需要對(duì)力學(xué)、熱學(xué)等分支學(xué)科的課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改革．KPK在這方面作了有益的嘗試．

KPK從動(dòng)量開始展開對(duì)力學(xué)現(xiàn)象的分析．動(dòng)量在力學(xué)中扮演著和電學(xué)中的電荷量相同的角色．在KPK的力學(xué)課程中，有和電學(xué)課程中相似的概念，如動(dòng)量流、動(dòng)量流路、動(dòng)量導(dǎo)體和動(dòng)量絕緣體．在動(dòng)量導(dǎo)體中，只要有速度差，動(dòng)量就能自發(fā)地從一個(gè)物體流到另一個(gè)物體，形成動(dòng)量流．彈簧測(cè)力計(jì)不但能測(cè)出動(dòng)量流的大小，還能顯示動(dòng)量流的方向．

在電學(xué)中，電源能使電荷從低電勢(shì)流到高電勢(shì)．這正像水泵能使水從低壓處流到高壓處．因此，在KPK中把電源又叫做電泵．同樣，在力學(xué)中也存在這樣一種泵，這種泵叫做動(dòng)量泵；汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)就是動(dòng)量泵．

和在力學(xué)中一樣，KPK從熵開始展開對(duì)熱學(xué)現(xiàn)象的分析．大家都知道，熵是一個(gè)難以理解的概念．正因?yàn)檫@個(gè)原因，熵在中學(xué)物理課程中是一個(gè)被回避的概念．在中學(xué)物理課程中，即使出現(xiàn)熵這個(gè)概念，也只簡(jiǎn)單地作一介紹，沒有把它作為一個(gè)中心概念來處理．在KPK中，既沒有用克勞修斯的方法來引入熵，也沒有用統(tǒng)計(jì)的方法來引入熵，而是把熵看成為與熱量的日常概念相一致的概念．

在KPK中，熵在熱學(xué)中扮演著與電荷量在電學(xué)中以及動(dòng)量在力學(xué)中相同的角色．在這里，我們同樣可以看到一種能驅(qū)動(dòng)熵和能量流動(dòng)的熱泵．

在KPK中，類似的結(jié)構(gòu)也應(yīng)用于信息學(xué)、化學(xué)和近代物理學(xué)中．例如，在化學(xué)中，我們也能看到一種能驅(qū)動(dòng)物質(zhì)的量和能量流動(dòng)的反應(yīng)泵．

3.3 提出了實(shí)物模型

在KPK中，出現(xiàn)了基于實(shí)物模型和類比思想的一些新概念．與實(shí)物模型相對(duì)的概念是我們熟悉的質(zhì)點(diǎn)模型．實(shí)際上，在電學(xué)中人們?cè)缇褪褂昧藢?shí)物模型，即把電荷這個(gè)物理量比作為一種實(shí)物，因而產(chǎn)生了電流的概念．因而，其他實(shí)物型物理量都可以比作為一種能流動(dòng)、能儲(chǔ)存的實(shí)物．同樣，場(chǎng)也可以比作為一種實(shí)物，因?yàn)樗哂心芰?、?dòng)量等．

在KPK中還利用實(shí)物模型引入了電素的概念．電素包圍在原子核外面．電素密度就是找到電子的幾率密度，它可以通過X射線衍射技術(shù)得到．電子實(shí)際上是電素的最基本部分．

3.4 消除了陳舊的物理概念

物理學(xué)的發(fā)展歷史是一條錯(cuò)綜復(fù)雜的道路．盡管存在著更容易到達(dá)相同目標(biāo)的捷徑，但我們?cè)诮虒W(xué)中還是把這條復(fù)雜的道路強(qiáng)加于我們的學(xué)生身上．由于當(dāng)時(shí)的歷史局限性，物理學(xué)中的一些陳舊概念在現(xiàn)在看來已經(jīng)成為歷史的負(fù)擔(dān)．應(yīng)該消除這些陳舊的物理概念．KPK在這方面做了很大的努力．

上面已經(jīng)提到，在KPK中沒有出現(xiàn)功的概念；功率的概念也被能流所取代．另外，在KPK中，雖然仍保留力的概念，但用動(dòng)量流的概念取代了在傳統(tǒng)教材中力這一概念所不能充當(dāng)?shù)慕巧蛣?dòng)量流還是有區(qū)別的．例如，我們能感覺到的不是力，而是動(dòng)量流．如果我們不引入動(dòng)量流的概念，學(xué)生就會(huì)對(duì)一些常見的力學(xué)現(xiàn)象感到疑惑．

再比如，在KPK中將“能量形態(tài)”的概念用“能量攜帶者”的概念來代替．將能量分成不同形態(tài)的能量發(fā)生在19世紀(jì)中期，那時(shí)能量的概念剛產(chǎn)生．“能量形態(tài)”這一名詞常與靜止能、動(dòng)能、熱能、重力能、結(jié)合能、輻射能、彈性能、勢(shì)能、電能、化學(xué)能、原子核能等大量不同的名稱一起使用．細(xì)心的學(xué)生當(dāng)他想弄清楚包含在蓄電池中的能量是電能還是化學(xué)能時(shí)，當(dāng)然會(huì)感到困惑．現(xiàn)在我們知道，能量總與至少一個(gè)別的實(shí)物型物理量同時(shí)流動(dòng)．在所謂的“能量轉(zhuǎn)換器”中，能量實(shí)際上并沒有轉(zhuǎn)換；正確的說法是，與能量一起流動(dòng)的其他實(shí)物型物理量在這種裝置中轉(zhuǎn)變了．能量通常在幾個(gè)能量攜帶者之間多次傳遞．在這種圖像中，能量不是從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，而是改變了它的攜帶者．這樣，我們就得到了一個(gè)嚴(yán)格而有效的、簡(jiǎn)單而容易的、甚至能在初等水平的學(xué)生中介紹的關(guān)于能量傳遞過程的圖像．確切地說，“能量轉(zhuǎn)換器”應(yīng)叫做“能量收發(fā)器”．

4 結(jié)束語

物理學(xué)家們總是傾向于拓展他們的研究領(lǐng)域，在他們的領(lǐng)域里(特別在基本粒子物理、天體物理和復(fù)雜系統(tǒng)物理這些領(lǐng)域里)研究一些“新”的現(xiàn)象．在研究過程中，他們總是忘記打掃自己的園子．他們經(jīng)常將新的結(jié)論簡(jiǎn)單地整合到現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中．他們總喜歡繼續(xù)進(jìn)行他們自己特殊的研究．

這影響到教學(xué)．在“現(xiàn)代”物理教科書和19世紀(jì)初編寫的教科書之間有很大的相似性．他們大概過多地考慮了曾經(jīng)生活在20世紀(jì)或今天仍然活著的物理學(xué)家．20世紀(jì)物理學(xué)的見解通常被看作為是附加上去的東西．教科書中含有新舊知識(shí)，但不是新舊知識(shí)的理想結(jié)合．這是傳統(tǒng)物理課程存在上述這些問題的原因之一．

物理課程的現(xiàn)代化需要我們不斷為之努力．從某種程度上說，以前物理教學(xué)工作者忽視了這個(gè)任務(wù)，因而就積累了這種改革的需要．卡爾斯魯厄物理課程就是這種改革的一個(gè)例子．當(dāng)然，作為對(duì)傳統(tǒng)物理課程的改革，KPK是建立在傳統(tǒng)課程的基礎(chǔ)上的，因而也沒有否認(rèn)已被實(shí)踐證明是正確的經(jīng)典力學(xué)本身．然而，KPK的結(jié)構(gòu)對(duì)于傳統(tǒng)課程來說是新的．體現(xiàn)在這一結(jié)構(gòu)中的一些新概念(如實(shí)物型物理量、動(dòng)量流、熵流、能量攜帶者、電素等)和相應(yīng)的教學(xué)方法使我們能夠以一種新的眼光來看待傳統(tǒng)的物理課程的不足，從而堅(jiān)定進(jìn)行物理課程改革的信心．

參考文獻(xiàn)

1 F.Herrmann,G.Job著,陳敏華譯.德國卡爾斯魯厄物理課程 中學(xué)物理1～3和教師用書.上海:上海教育出版社,2007

2 陳敏華改編.波動(dòng)與信息.上海：上海教育出版社，2009

3 李椿，等．熱學(xué)．北京:人民教育出版社,1978.210～211