拋開歷史負(fù)擔(dān) 推進現(xiàn)代物理

徐奎

物理學(xué)源遠(yuǎn)流長，但歷久彌新。目前國內(nèi)各版本的中學(xué)物理教材大同小異，基本都是從牛頓時代開始，沿襲著物理學(xué)發(fā)展的歷史脈絡(luò)，按照若干分支學(xué)科進行講授。以人教版物理教材為例，必修系列講述經(jīng)典物理學(xué)，選修系列按照電磁學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、波動物理和粒子物理分別編排，構(gòu)成相對完整的體系。

一、卡爾斯魯厄物理課程的介紹

卡爾斯魯厄物理課程（Der Karlsruher Phys—ikkurs，下文簡稱KPK）是在德國卡爾斯魯厄大學(xué)物理教學(xué)研究所誕生的一種新型現(xiàn)代化物理課程。KPK體系的核心是兩個定義，一是廣延量，二是能量和能量攜帶者。從初中、高中到大學(xué)，不同層次的KPK保持著相同的體系結(jié)構(gòu)。作為KPK一部分，初中版本的物理課程在上世紀(jì)九十年代就己正式在德國出版，到目前為止，己有近萬名德國學(xué)生使用了這一課程。我國的KPK推廣工作還剛開始，目前在上海和浙江有20多所學(xué)校在作為選修課教材使用，上海市教委已經(jīng)批準(zhǔn)其作為拓展型課程教材，但尚未作為教科書使用。

KPK充分強調(diào)廣延量（extensivequantity），它們是：動量、角動量、電量、物質(zhì)的量和熵。物理學(xué)的各分支學(xué)科，只不過是根據(jù)廣延量在每種情況中所扮演的不同角色而對自然過程的分類罷了。一個分支學(xué)科的知識就足以給我們提供一個描述其他分支學(xué)科甚至包括生物學(xué)和化學(xué)的類比方法，由此就形成了KPK清晰的課程結(jié)構(gòu)，梳理如下。

例如，在KPK看來，電學(xué)過程實質(zhì)上是能量E和能量攜帶者電荷量Q在電勢差作用下的流動，它們的流動形成能流IE和電流IQ;力學(xué)過程、熱學(xué)過程、化學(xué)過程道理類似。實際上，我們觀察一下吉布斯方程就知道其原理了，方程右邊的每一個項都代表一種廣延量，包括熵和化學(xué)勢，這是KPK的理論源頭。

在傳統(tǒng)物理課程中能量以很多種形態(tài)出現(xiàn)，有很多對應(yīng)的名稱，動能和勢能，勢能還分重力勢能、彈性勢能、電勢能、分子勢能、引力勢能、浮力勢能等等，這些復(fù)雜的概念在早期看來具有一定的價值，在KPK看來，這些名稱是多余的，這些不同場合所呈現(xiàn)的都是能量，只是能量的攜帶者不同。關(guān)于相對論也有類似的新解，光速不變原理可以理解成為物質(zhì)的極限速度原理，慣性參考系就是動量不變的參考系。在量子論中，所有可以對體積積分的量都是廣延量，而廣延量都是可以量子化的，KPK是普適的。

二、兩種課程的內(nèi)容體系對比

KPK就像一個透鏡，用它來審視我國的傳統(tǒng)物理課程，能幫我們看清傳統(tǒng)物理課程中存在的問題。下面以力學(xué)問題為例對比說明。力的概念，是傳統(tǒng)物理學(xué)最成功的概念之一。而KPK打算主要用動量流的觀點來詮釋這一切，牛頓運動定律也有了下述新的形式。

牛頓第一定律：如果沒有動量流入或流出物體，物體的動量將保持不變。

牛頓第二定律：一個物體的動量的時間變化率等于流入這個物體的動量流。

牛頓第三定律：如果動量從物體A流出，并流入物體B，則從A流出的動量流強度和流入B的動量流強度相同。

舉三個實例。

如圖1，馬拉車就是一個動量流回路。馬其實就是一個動量泵，將向左的動量由大地泵給車，當(dāng)然車又將動量流還給大地，形成回路。照此思想，歷史上超距作用的錯誤便不攻自破，因為必須把相應(yīng)的場引入才能構(gòu)成閉合回路，這也有助于破除學(xué)生對場的神秘感。

圖1 馬拉車的動量流

又如，2010年高考浙江理綜卷第14題，A、B兩物體疊放在一起，見圖2，以相同的初速度上拋（不計空氣阻力），選項略。在傳統(tǒng)物理課程中該如何分析筆者就不再贅述了。在KPK看來，這種狀態(tài)下，動量流不能構(gòu)成閉合回路，只有動量流入，沒有動量流出，內(nèi)部無從構(gòu)成動量流，AB之間也無動量流，非常好理解。圖中虛線表示動量流。

圖2 豎直上拋運動的動量流

再如，一盞電燈用繩子掛在兩個相鄰房間之間的墻上，如圖3。它的質(zhì)量是3.5kg。墻上兩個掛鉤所受的力各為多大？KPK認(rèn)為，這樣的三力平衡問題與電學(xué)中的結(jié)點問題本質(zhì)相同，前者是力勢差導(dǎo)致的動量流，后者是電勢差導(dǎo)致的電荷流。如有必要，參照電學(xué)中的基爾霍夫電流定律，我們可以總結(jié)出動量流的節(jié)點定理：節(jié)點處的動量流矢量和為零，這其實就是力的平行四邊形定則;我們還可以總結(jié)出物質(zhì)的量流的節(jié)點定理，這其實就是質(zhì)量守恒定律。

圖3 節(jié)點的動量流

三、兩種課程的時代背景對比

牛頓時代以來，物理學(xué)家經(jīng)常將新的結(jié)論簡單地整合到舊有的知識結(jié)構(gòu)中，這使得物理學(xué)的發(fā)展就像往一輛大貨車上不斷地裝貨物，而不注重貨物之間的邏輯關(guān)系。傳統(tǒng)物理課程過分強調(diào)時代背景和探索中的困難，甚至記載了物理發(fā)展中曾經(jīng)出現(xiàn)的許多錯誤概念和陳舊物理方法，并且習(xí)慣性地把這條復(fù)雜的道路強加于我們的學(xué)生身上（F.Herrmann G.Job 1996）。KPK正是要解決這些問題。KPK不僅僅是為了編一套新的中學(xué)物理教材，更是要拋開歷史負(fù)擔(dān)，尋找一種新的簡潔的物理教學(xué)方法，這種新方法適合于不同年級的學(xué)生，適合于不同民族的學(xué)生，不同生活背景的學(xué)生。

視線轉(zhuǎn)回國內(nèi)，1866年，晚清政府在同文館設(shè)算學(xué)館，首次將物理作為一門獨立的重要的學(xué)科列入教育內(nèi)容。1904年《奏定學(xué)堂章程》頒布以后，物理以法定形式系統(tǒng)地列入到大中學(xué)校的教學(xué)科目，根據(jù)不同的教學(xué)要求編譯了不同年級不同版本的物理教材，但基本上都來自歐洲物理教材。新中國成立以后，全面以俄為師，蘇聯(lián)十年制中學(xué)的物理課本成為國內(nèi)物理教材的范本，改革開放以后，又幾經(jīng)改革，呈現(xiàn)今天的一綱多本。但縱觀中國近百年以來物理教材的變遷，本質(zhì)上是以西為師，并無獨立體系。所以如今東西方在物理教學(xué)上面臨的困難、機遇與重構(gòu)都應(yīng)當(dāng)是同步的，都是國際性的。

四、兩種課程的優(yōu)劣取舍對比

1.KPK比傳統(tǒng)物理課程更有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力。以力學(xué)為例，傳統(tǒng)物理課程中更加強調(diào)“研究對象”，但這往往意味著不關(guān)注它的便捷，也沒有把廣延量和其他量區(qū)分開來。而KPK強調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)有一定的邊界，廣延量通過系統(tǒng)的邊界流動，流入或者流出。某個廣延量必定是屬于空間某一區(qū)域的，即屬于某一系統(tǒng)的，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力。

2.KPK比傳統(tǒng)物理課程更有利于學(xué)生對知識進行類比和遷移。KPK將告訴學(xué)生，對于不同的物理過程，比如力的過程、電的過程、熱的過程、光的過程等，都是可以根據(jù)不同過程中相應(yīng)的廣延量的增減和流動來寫出相同形式的表達(dá)式的。這樣，僅僅學(xué)到一個物理學(xué)分支學(xué)科的知識就能給我們提供描述其他分支學(xué)科甚至化學(xué)的類比方法，所謂舉一反三，觸類旁通，靈活遷移。

3.KPK比傳統(tǒng)物理課程更有利于消除陳舊的物理概念，但傳統(tǒng)物理課程比KPK更有利于講授物理與人文、社會的聯(lián)系。由于KPK將物理學(xué)從繁冗的物理學(xué)史中萃取出來，用各種廣延量及其流來描述各種物理現(xiàn)象。這算是抓住了自然現(xiàn)象和自然規(guī)律的命門，而且平衡了物理學(xué)教育對各種分支學(xué)科的輕重偏頗，這是KPK的優(yōu)勢。但是，凡事都有兩面，物理學(xué)的進步是來之不易，物理學(xué)的發(fā)展方興未艾，適度地向?qū)W生講授物理學(xué)史的常識，有利于學(xué)生增加對物理學(xué)科的人文體驗，有利于幫助學(xué)生從社會發(fā)展來側(cè)觀物理，有利于學(xué)生從人類文明進步的角度來體會物理學(xué)的魅力。而傳統(tǒng)物理課程正是深深植根于物理學(xué)發(fā)展史，傳統(tǒng)物理課程具有不可比擬的優(yōu)勢。

五、兩種課程的協(xié)調(diào)處理建議

傳統(tǒng)物理課程有著巨大的慣性思維，KPK則是物理教學(xué)現(xiàn)代化的先鋒。正如物理學(xué)史上的每次革新一樣，二者未必是一種非此即彼的零和關(guān)系，應(yīng)是繼承與發(fā)展的辯證關(guān)系。筆者建議，在目前階段將KPK作為研究性學(xué)習(xí)、課題研究等開展的平臺，逐步推進國內(nèi)物理學(xué)界對其關(guān)注和討論，以多種形式促進KPK的應(yīng)用和完善。有理由相信，在新課改和新一輪高考改革的大潮下，KPK所包含的簡潔物理思想和全新課程結(jié)構(gòu)將被我們所吸收和消化，從而推進我國物理課程的改革，推進我國物理教學(xué)的現(xiàn)代化。

考慮到這套課程的普遍適用性，筆者慎重建議學(xué)術(shù)界放棄原來的具有紀(jì)念意義的名稱——卡爾斯魯厄物理課程，而改用更加一般的名稱——標(biāo)準(zhǔn)物理課程，這會有助其推廣。

【參考文獻】

[1]陳敏華.德國卡爾斯魯厄物理課程的結(jié)構(gòu)和特色. 物理教學(xué)，2007（11）：56

[2]F.Herrmann G.Job（德國）著.吳國玢 譯. 科學(xué)知識所背負(fù)的歷史包袱. 國際物理教育通訊，2010（5），7

[3]F.Herrmann G.Job（德國）著. 陳敏華 譯. 物理學(xué)的歷史負(fù)擔(dān). 上海教育出版社，2014

（作者單位：浙江省杭州市蕭山第十高級中學(xué)）