德國卡爾斯魯厄物理課程結構特點

摘 要: 隨著生產力的不斷發展，科學技術日新月異，物理知識的總量也在不斷增加，不過在知識總量增加的同時，教學的時間卻基本與以前相同，為了解決這一相應產生的矛盾，卡爾斯魯厄物理課程應運而生。它憑借極具特色的設計理念與新穎的課程結構，受到了廣泛的好評。

關鍵詞: 物理課程 卡爾斯魯厄物理課程 結構 理念

1.前言

以往所學習的知識，不同的知識體系中總是出現相同的規律和結構，為了使物理教育更加精簡化和現代化，我們引進了一類物理量——實物型量(substancelike quantity)。

超距作用理論認為“一個物體可以穿過真空超距地作用于另一個物體，不要任何一種東西的中間參與，就把作用和力從一個物體傳遞到另一個物體。”它使我們提到兩個物體相互作用的時候忽略了它們之間的介質(如場)。直到法拉第認為這種說法極其荒謬，通過不斷的總結與實驗，他發現了電磁感應，并且提出了“場”的概念，從而形成了“電和磁作用通過中間介質、從一個物體傳到另一個物體”的思想。于是，介質成了“場”的場所。這種觀點起到了理論簡化和概念容易理解的作用。

2.實物型量

有一類物理量具有這樣一個特點:它們可以被看作是包含在一個物理系統中，并能從一個系統流到另一個系統。它們可以被描述成一種“實物”，這樣就能被形象地描述和理解。它們叫做實物型量。

實物型量不一定是守恒的。它還包括熵，熵是半守恒的，而其他實物型量都是守恒的。確定守恒與否是有一定標準的，脫離了這個標準就失去意義了。這個標準就是要在實物型量的語境下。而對于非實物型量，提這個問題是毫無意義的。

實物型量不一定是標量。動量就是標量，而它也是實物型量。一個實物型量可以視為由三個標量組成。三個矢量分量中的每一個量都相應的有一個獨立的連續性方程。而某個量是實物量的一個標志就是它出現在連續性方程中。

實物型量滿足連續性方程，這樣這些量就具有幾個簡單的性質。

1.實物型量的值指空間某區域的量。

2.每一個實物型量有另一個屬于它的量，這個量可以被解釋為流。

3.實物型量是可加的。

4.流也是可加的。

以上的敘述告訴我們可以像處理實物一樣來處理這些量，實物型量的這些性質使得對它們的處理更加簡潔、容易。對于實物型量，日常生活中的話語都可以用來表達物質的平衡。例如:“在物體中有動量”或“物體具有動量”，“一個系統沒有動量”，“電荷從一個物體流到另一個物體”。這樣的話語簡單易懂，對于沒有學過物理的兒童來說理解起來更加形象容易。

傳統的物理教學還有其他的不足之處，還沒有利用簡化某些量的表示方法所帶來的優勢，在物理學的一些領域還沒有利用實物型量，比如光學和聲學。

3.能量形態和能量攜帶者

將幾個物理量的組合用一種物理量的形式來表現，這種新的量叫做能量。能量是一個普遍的量，它具有一個很重要的特性——普遍性。而它這個特性使各個不同的分支學科密切地連接起來。但是它也有不足之處——它沒有以統一的方式來解釋它的統一性。它被用來表示不同物理量的結合，以“能量形態”的身份來表示能量的不同表現。

將能量分為不同的形態有兩種方法。

1.把儲存的能量賦予一種能量形態。這種分類結果叫做能量的儲存形態。

2.根據能量的變化和能流進行分類。這種分類結果叫做能量的轉換形態。

下面簡單介紹一下能量攜帶者。伴隨能流的實物型量被叫做能量攜帶者。舉例來講，能量被熵、電荷量、動量、物質的量等所攜帶。這些攜帶者所攜帶的能流大小取決于相應的內涵量的值。因此，攜帶者可以攜帶大量能量也可以攜帶少量能量。內涵量是一個攜帶者攜帶能量多少的度量。

在轉換的過程當中，能量與其攜帶者一同進入一個叫做能量轉換器的裝置之中，在這個裝置之中能量自身并未改變，改變的是它的攜帶者。它與攜帶者一同進入，攜帶者發生改變，而后它與新的攜帶著一起離開這個裝置。

4.物理學的結構基礎

為了達到使物理教育更加現代化和精簡化這一目的，德國卡爾斯魯厄物理課程(Der Karlsruher Physikkurs，簡稱KPK)教材以實物型量為中心概念，用實物型量的流來構建整個物理課程結構，將物理學的各個學科綜合在這個統一的結構里，并把化學、信息學、近代物理學的部分內容也整合在這一結構中。而且它們之間的變換也形成了物理學各分支學科之間類比的基礎。KPK課程所用的教學方法就是建立在這一類比的基礎之上。

KPK教材充分體現了能量在物理學中所扮演著的重要角色。通過上表可以看出有兩個實物型量在物理學分支學科中起著至關重要的作用。

1.力學:能量和動量。

2.電學:能量和電荷量。

3.熱力學:能量和熵。

4.化學:能量和物質的量。

5.課程特色

德國KPK課程立足于物理學自身發展的邏輯規律，以實物型量為中心概念，用實物型量的流來構建整個課程結構，追求嶄新的視角，多元化的道路，力圖改變物理的概念結構來使物理課程精簡化。以這種結構建立的課程結構具有如下特色。

(1)教材章節結構安排循序漸進。比如，課程首先介紹講解流的概念，從氣體和液體的流動入手，以此為切入點，通過對液體和氣體的研究發現一些簡單的定理，稍加改動，自然而然地引入到其他的流:電流、熱流、動量流。

(2)更加有利于對知識進行類比和遷移。類比，就是由兩個對象的某些相同或者相似的性質，推斷它們在其他性質上也有可能相同或者相似的一種推理形式。為了使課程更加精簡、更加有效，KPK課程采用了大量的類比方法，比如動量流和水流之間的類比。類比的方法，可以使對一個物理學分支學科的知識的掌握快速應用到其他的分支學科，使學生在不同的物理學領域應用相同的模型和思維表達方式成為可能。

6.結語

隨著生產力的不斷發展，科學技術日新月異，物理課程的現代化也需要我們不斷為之努力。KPK課程應運而生，它憑著獨特的結構、全新的理念使課程改革為之一振。它轉換視角，吸取全新的營養，使得物理課程更加精簡化，更加容易理解，使我們能以全新的目光看待傳統的物理課程的不足之處。KPK教材已于2007年9月由上海教育出版社出版，教材知識的豐富性、結構的關聯性、邏輯的嚴密性值得我們借鑒。

參考文獻:

[1]F.Herrmann.G.Job.德國卡爾斯魯厄課程——中學物理[M].上海:上海教育出版社，2007.

[2]陳敏華.德國卡爾斯魯厄課程的結構和特色[J].物理教學，2007，(11).