德國(guó)KPK物理教材的基本特點(diǎn)——以電路部分為例

陶萍萍

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院　上?！?00234)

德國(guó)KPK物理教材的基本特點(diǎn)
——以電路部分為例

陶萍萍

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院上海200234)

摘 要：本文通過(guò)對(duì)德國(guó)KPK物理教材的仔細(xì)研讀，重點(diǎn)分析了該教材中的電路部分，并著重對(duì)該教材的知識(shí)內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)，及教材中采用的類比法進(jìn)行了討論．

關(guān)鍵詞：KPK物理電路教材研究

德國(guó)卡爾斯魯厄物理課程(Der Karlsruher Physik Kurs，簡(jiǎn)稱KPK)是在G.Falk教授、F.Herrmann教授等物理學(xué)家和物理教學(xué)專家的努力下，于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)出的一門嶄新的物理學(xué)課程體系．該教材無(wú)論就其定位、定性，還是策略而言，都凸顯了其自身的獨(dú)特性．近年來(lái)，我國(guó)逐漸對(duì)德國(guó)KPK物理教材投入關(guān)注，翻譯并出版中文版KPK物理教材，且在著力分析該教材的同時(shí)，積極開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入研究德國(guó)KPK物理教材的各方面特點(diǎn)，從而為我國(guó)的物理教學(xué)改革注入新的養(yǎng)料．而電路部分作為物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在教材的編寫中更易顯現(xiàn)該教材的各方面特點(diǎn)，所以本文選擇對(duì)德國(guó)KPK物理教材中的電路部分進(jìn)行分析與討論，努力挖掘該教材的獨(dú)特之處．

1取“廣”棄“深”知識(shí)內(nèi)容深入淺出

雖然KPK物理教材與國(guó)內(nèi)教材在電路部分的知識(shí)編排順序相同，首先引入電路，接著介紹電流、電壓及電阻，最后再進(jìn)一步探討電功率．但在知識(shí)內(nèi)容上，KPK物理教材卻與國(guó)內(nèi)教材頗有出入．其中較為明顯的是，KPK物理教材竟然沒(méi)有提及歐姆定律，而歐姆定律卻是國(guó)內(nèi)教材電學(xué)部分的重難點(diǎn)．以《上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)》為例，電路部分有且只有閉合電路歐姆定律被要求達(dá)到D級(jí)學(xué)習(xí)水平，即應(yīng)用水平．可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)教材電學(xué)部分不但出現(xiàn)了歐姆定律，而且對(duì)該知識(shí)點(diǎn)尤為重視．歐姆定律是由德國(guó)物理學(xué)家歐姆提出的，并進(jìn)一步總結(jié)出了閉合電路歐姆定律，該部分知識(shí)是電學(xué)知識(shí)的重要組成部分，但德國(guó)高中物理教材卻未對(duì)歐姆定律進(jìn)行介紹，這在我們看來(lái)或許很難理解，但站在德國(guó)教育的角度上看，德國(guó)的高中實(shí)行3年制(11～13年級(jí))，在11年級(jí)，物理一般作為選修課，每周僅2課時(shí)，到了12和13年級(jí)，學(xué)生可挑選一門科學(xué)類課程作為基礎(chǔ)課修3年(每周2～3課時(shí))，或選擇一門課程作為專業(yè)課在12和13年級(jí)學(xué)習(xí)(每周5課時(shí))．可見(jiàn)，德國(guó)高中的物理課程課時(shí)較少，不具備深入研究某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)條件．同時(shí)，德國(guó)制定高中物理課程教學(xué)目標(biāo)的依據(jù)之一為：通過(guò)物理學(xué)習(xí)讓學(xué)生可以更容易地應(yīng)對(duì)日常生活．也就是說(shuō)，德國(guó)的高中物理教育志不在難，它更注重高中學(xué)生對(duì)物理的認(rèn)識(shí)而不是精通[1]．

KPK物理教材在電學(xué)部分還有許多國(guó)內(nèi)教材所沒(méi)有涉及的知識(shí)點(diǎn)，例如節(jié)點(diǎn)定理和吉布斯方程等，這些在國(guó)內(nèi)都是在大學(xué)物理中才會(huì)學(xué)到的，但KPK物理教材卻毫不吝嗇地向?qū)W生普及這些知識(shí)，并以最簡(jiǎn)單的方式呈現(xiàn)出來(lái)，使高中物理與大學(xué)物理巧妙銜接．KPK物理教材還著重介紹了如何采用不同的線段來(lái)表示電流回路中各導(dǎo)線的電勢(shì)大小，這有助于學(xué)生以后更好地學(xué)習(xí)等效電路的知識(shí)，而國(guó)內(nèi)教材僅單獨(dú)介紹了電勢(shì)與電勢(shì)差，卻沒(méi)有結(jié)合電路進(jìn)行講解．不難看出，KPK物理教材的知識(shí)內(nèi)容看似蜻蜓點(diǎn)水，實(shí)則踏石留?。?/p>

總的來(lái)說(shuō)，KPK物理教材更重視知識(shí)的廣度，而不是知識(shí)的深度，知識(shí)的“深”往往會(huì)讓學(xué)生疲倦不堪，而知識(shí)的“廣”才是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵因素．

2以能流為主線課程結(jié)構(gòu)循序漸進(jìn)

KPK物理教材以實(shí)物型量為中心，以對(duì)應(yīng)的流為主線來(lái)構(gòu)建整個(gè)課程結(jié)構(gòu)，并建立了一個(gè)較為完整的新的物理課程體系，力求挖掘出物理學(xué)各分支學(xué)科知識(shí)之間的相似性，使物理課程更加精簡(jiǎn)化．以下列舉了幾點(diǎn)KPK物理教材的課程特色，并以電路部分為主舉例加以說(shuō)明：

(1)強(qiáng)調(diào)實(shí)物型量與流的關(guān)系

(2)能量載體替代能量的形式，能流替代功率

KPK物理教材還通過(guò)吉布斯方程表明了能流可以分解為與能量變化相同的形式，可寫為

P=TIS+φI+vF+μIn+…

它表示電荷伴隨能量一起流動(dòng)，因此，電功率P不再是孤立地存在于書(shū)本上的概念或公式了，它是一種能流，是實(shí)物型量電荷所對(duì)應(yīng)的流，與其將它解釋為電能相比較，這樣解釋更容易接受，更易于理解；

(3)能量的傳輸與流動(dòng)替代能量的轉(zhuǎn)化

以小燈泡發(fā)光為例，國(guó)內(nèi)教材通常這樣解釋：電能轉(zhuǎn)化為了光能和熱能，所以小燈泡發(fā)光并產(chǎn)生熱量．KPK物理教材則這樣解釋：能量經(jīng)電荷載體從電池輸運(yùn)到燈泡，在這里被轉(zhuǎn)載到新的載體——光和熵，這樣便可以省去能量在形式上的變化，而只需理解為能量流到別的地方去了即可[2]．

可見(jiàn)，上述KPK物理教材對(duì)電流、電勢(shì)差、電源、電功率的解釋其實(shí)都不是針對(duì)電路部分而單獨(dú)給出的，而是類比歸納出來(lái)的．傳統(tǒng)物理學(xué)根據(jù)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的不同，將物理學(xué)分為了很多分支學(xué)科，而KPK物理教材通過(guò)摸索各分支學(xué)科之間的聯(lián)系，建立了全新的課程體系．比如，教材通過(guò)對(duì)水流的分析介紹了流的概念，在此基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)，便可以引出氣流 、電流、熱流和動(dòng)量流．除此之外，KPK物理教材中還列舉了許多類比表格，如物理學(xué)各分支學(xué)科及化學(xué)學(xué)科之間的類比(見(jiàn)表1)、實(shí)物型量及其流的關(guān)系(見(jiàn)表2)等．

表1　物理學(xué)各分支學(xué)科及化學(xué)學(xué)科之間的類比表

表2　實(shí)物型量及其流的類比表

KPK物理教材將各分支學(xué)科知識(shí)進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)行類比，進(jìn)行歸納，令整個(gè)物理學(xué)自成系統(tǒng)，使得物理學(xué)不再是一個(gè)個(gè)孤立而零散的片段，整個(gè)課程結(jié)構(gòu)循序漸進(jìn)，螺旋上升．從而讓學(xué)生學(xué)得更系統(tǒng)，學(xué)得更清楚，學(xué)得更巧妙．

3巧用模型方式類比法科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)

KPK物理教材中，將電流類比為水流來(lái)描述什么是電、將電阻類比為水管的收縮處來(lái)說(shuō)明電阻的作用(見(jiàn)圖1)；將電流回路類比為液壓回路來(lái)闡明電流回路的工作原理(見(jiàn)圖2)；將電池類比為水泵來(lái)解釋電路中的電勢(shì)差(見(jiàn)圖3)……可見(jiàn)，KPK物理教材擅于采用模型方式來(lái)描述物理現(xiàn)象．通常人們描述物理過(guò)程或現(xiàn)象有兩種方式：理論方式或模型方式．理論方式，就是借助數(shù)學(xué)公式來(lái)對(duì)物理過(guò)程或現(xiàn)象進(jìn)行描述；而模型方式，則是通過(guò)模型來(lái)類比我們沒(méi)有直覺(jué)認(rèn)知或直接體驗(yàn)過(guò)的物理過(guò)程或現(xiàn)象．教材中的知識(shí)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是陌生的，雖然普遍地采用理論方式來(lái)描述物理過(guò)程或現(xiàn)象可以做到簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確，但這種“簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確”是對(duì)于教材本身而言的，學(xué)生未必可以簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地接受與理解．KPK物理教材更多地站在了學(xué)生的角度，大量采用模型方式來(lái)類比現(xiàn)象，類比知識(shí)，如此不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)也潛移默化地使學(xué)生形成這種思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生能夠巧妙地將物理學(xué)中的各現(xiàn)象或各理論進(jìn)行聯(lián)系，并尋找它們的相似之處進(jìn)行類比，進(jìn)而加深對(duì)物理學(xué)的理解與認(rèn)識(shí)．

圖1　電流回路與水流回路的類比

圖2　電流回路與液壓回路的工作原理的類比

圖3　電池正負(fù)極電勢(shì)差與水泵進(jìn)出水口壓力差的類比

KPK物理教材的語(yǔ)言尤為嚴(yán)謹(jǐn)．在采用模型方式描述物理現(xiàn)象時(shí)，往往某個(gè)模型并非完全等同于我們所要描述的物理現(xiàn)象，例如當(dāng)我們描述電荷在回路中流動(dòng)時(shí)，采用水流回路作為模型，當(dāng)然，學(xué)生很容易就明白了電荷在回路中的運(yùn)動(dòng)情況，但在某些性質(zhì)上，難道電流回路和水流回路是完全相同的嗎？其實(shí)不然，比如電線是實(shí)心的而水管是空心的；電有正負(fù)值，而水卻只能取正值等．我們發(fā)現(xiàn)，KPK物理教材在做模型類比時(shí)，通常這樣說(shuō)：“它就像這個(gè)或那個(gè)一樣……”或“你可以把它想象成……”這表明了KPK物理教材在使用模型時(shí)的科學(xué)態(tài)度．其在課本中說(shuō)到：“唯一真正起作用的并且作為真實(shí)科學(xué)核心的東西，還是數(shù)學(xué)描述．”而對(duì)于模型來(lái)說(shuō)，只要它對(duì)于解釋某些物理現(xiàn)象是方便而且適用的，那么它就是有用的，正不正確并不是KPK物理教材的本意．在完成類比之余，一定程度上讓學(xué)生體會(huì)到了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的視角與思維學(xué)習(xí)物理[3]．

4結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)KPK物理教材電路部分的研究發(fā)現(xiàn)，該教材主要以現(xiàn)行基礎(chǔ)型物理課程為主，降低學(xué)習(xí)難度，提升知識(shí)廣度，并與大學(xué)物理相接軌，力求拓展物理視野、物理思維方法．此外，KPK物理教材最為顯著的特點(diǎn)是其獨(dú)有的、新的物理課程體系，它將物理學(xué)的各分支學(xué)科以統(tǒng)一的形式呈現(xiàn)出來(lái)，在不同的分支學(xué)科中應(yīng)用相同的模型來(lái)描述，簡(jiǎn)化了物理教學(xué)，統(tǒng)一了課程結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了全新的物理學(xué)課程．面對(duì)跟國(guó)內(nèi)教材與眾不同的KPK物理教材，結(jié)合中國(guó)學(xué)情，我們不難發(fā)現(xiàn)，KPK物理教材的知識(shí)內(nèi)容與國(guó)內(nèi)物理課程標(biāo)準(zhǔn)不太符合，它更適合學(xué)有余力的學(xué)生作為選學(xué)教材進(jìn)行學(xué)習(xí)，但KPK物理教材所建構(gòu)的新的物理課程體系卻是值得我們思考和研究的．

參 考 文 獻(xiàn)

1吳國(guó)玢. 淺談德國(guó)KPK物理教材的基本特點(diǎn).物理與工程，2010(5)：6～9

2陳敏華. 德國(guó)卡爾斯魯厄物理課程簡(jiǎn)介.物理教師，2008(5)

3F·Herrmann. KPK物理(高中精編版).上海：上海教育出版社，2014.141～149

短文薈萃

收稿日期：(2015-03-18)

作者簡(jiǎn)介：指導(dǎo)教師：郭長(zhǎng)江(1974-)，男，博士，副教授，研究方向：物理課程與教學(xué)論.