劉運(yùn)新

近三百年來(lái)，德國(guó)人為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)。在德國(guó)的卡爾斯魯厄大學(xué)，以赫爾曼(F.Herrmann)教授為首的開發(fā)團(tuán)隊(duì)以尋找一種適合于不同年級(jí)學(xué)生的新的物理教學(xué)方法為宗旨?；诓煌降奈锢碚n程具有相同的課程結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，找一條簡(jiǎn)約的路。使學(xué)生不再被繁瑣的物理概念所累，開發(fā)出了一套新的中學(xué)物理教材，為物理課程的改革開辟了一條全新的路。這套教材的開發(fā)在二十五年前就開始了，并在德國(guó)的許多學(xué)校進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。至今在德國(guó)學(xué)過(guò)卡爾斯魯厄物理課程的學(xué)生已超過(guò)一萬(wàn)名，可是它還處于實(shí)驗(yàn)階段，這也反映了德國(guó)人治學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。筆者意圖通過(guò)對(duì)這一實(shí)驗(yàn)中的KPK教材知識(shí)結(jié)構(gòu)的分析闡述，以期給新物理教材的編寫一些新的啟示。

KPK教材開篇即講“能量”，“在構(gòu)成物理學(xué)的所有概念中，能量的概念——以其具有的普遍意義——已被證明是比其它物理概念重要得多、成功得多的一個(gè)概念。其應(yīng)用到現(xiàn)在為止已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了物理學(xué)范疇，已經(jīng)覆蓋到所有學(xué)科領(lǐng)域。能量的概念已被證明是人類生活所有領(lǐng)域中具有最重要意義的物理學(xué)概念?！?/p>

KPK教材是為了緩解物理知識(shí)的總量不斷增加，而物理學(xué)時(shí)有限這一基本矛盾而開發(fā)的。因此，KPK教材在知識(shí)結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：

1KPK教材將物理學(xué)的量歸為四大類

A廣延量：能量、動(dòng)量物質(zhì)的量等；

B實(shí)物型量的流：能流、動(dòng)量流、電流等；

C內(nèi)涵量：電勢(shì)、溫度、壓強(qiáng)、化學(xué)勢(shì)等；

D其它的量：位置、時(shí)間的量和一些表征技術(shù)設(shè)備的量(如電阻、電容等)。這樣的歸類有利于物理學(xué)的類比學(xué)習(xí)，也為構(gòu)建物理學(xué)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)打下了基礎(chǔ)。

2包含于物理系統(tǒng)的實(shí)物型量可以從一個(gè)系統(tǒng)流到另一個(gè)系統(tǒng)

KPK教材將實(shí)物型量看成包含在一個(gè)物理系統(tǒng)中且能攜帶著能量從一個(gè)系統(tǒng)流到另一個(gè)系統(tǒng)，從而刪除了一些過(guò)去很重要而在現(xiàn)代物理學(xué)看來(lái)已不重要的多余的物理概念，使學(xué)生不再為這些繁瑣的物理概念及其計(jì)算所累。

以“能量”的內(nèi)容為例，在KPK教材中，能量的概念用簡(jiǎn)單的具體的貼近生活的語(yǔ)言來(lái)描述：“能量是運(yùn)輸所需要的那種東西”“移動(dòng)物體時(shí)需要能量”等等；用木頭、煤、天燃?xì)?、油、電、?shí)物型量等這些能量攜帶者替代了能量的形態(tài)，因而沒(méi)有了能量的轉(zhuǎn)化，只有不同的能量攜帶者和能量的傳輸；用能流替代了功率，沒(méi)有了關(guān)于功、功率、熱量、功與熱量的換算(熱功當(dāng)量)，這樣學(xué)生就省去了既繁瑣又多次在物理教學(xué)中出現(xiàn)的計(jì)算。

3構(gòu)建了物理學(xué)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)

開發(fā)KPK課程的目的是為了使物理教育更現(xiàn)代化和精簡(jiǎn)化。所以，KPK教材以實(shí)物型量為中心概念，用實(shí)物型量的流來(lái)構(gòu)建整個(gè)物理課程結(jié)構(gòu)，將物理學(xué)的各個(gè)學(xué)科綜合在這個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)里，并把化學(xué)、信息學(xué)、近代物理學(xué)的部分內(nèi)容也整合在這一結(jié)構(gòu)中。

在KPK教材中，用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)將物理學(xué)的各個(gè)不同領(lǐng)域用同一個(gè)觀點(diǎn)呈現(xiàn)出來(lái)，在不同的物理學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用相同的模型和思維表達(dá)方式，相同結(jié)構(gòu)和規(guī)律只需學(xué)習(xí)一次，潛移默化了類比這一重要的思想，簡(jiǎn)化了物理教學(xué)，充分體現(xiàn)了泰勒的“一條學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)可以達(dá)到多個(gè)目標(biāo)”的課程思想。提高了物理教學(xué)的質(zhì)量和效率。

4KPK教材充分體現(xiàn)了能量在物理學(xué)中的重要地位

上面的物理學(xué)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)中，各物理學(xué)的分支學(xué)科中，有兩個(gè)實(shí)物型量起著重要的作用：在力學(xué)中是能量和動(dòng)量。在電學(xué)中是能量和電荷量，在熱力學(xué)中是能量和熵，在化學(xué)中是能量和物質(zhì)的量……

5KPK教材賦予了驅(qū)動(dòng)力、阻力新的涵義

驅(qū)動(dòng)力即內(nèi)涵量的值的差異，它形成流，如電勢(shì)差形成電流；阻力是導(dǎo)體的特性，它阻礙流，如電阻阻礙電流，管子阻礙空氣流、水流等等。它們幫助我們形成電勢(shì)、化學(xué)勢(shì)等內(nèi)涵量的概念，以及引入了實(shí)物型量熵，它們適合于物理學(xué)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。因而簡(jiǎn)化了物理教學(xué)。

KPK教材已于2007年9月由上海教育出版社出版。當(dāng)前我國(guó)正在進(jìn)行新一輪的課程改革，在物理新課程教材的編寫中，如何從根本上來(lái)解決物理難學(xué)而又必須學(xué)和物理知識(shí)不斷膨脹而物理學(xué)時(shí)有限這兩對(duì)長(zhǎng)期困惑物理教學(xué)的基本矛盾，以及如何體現(xiàn)教材的豐富性、回歸性、關(guān)聯(lián)性和嚴(yán)密性，KPK教材都值得我們借鑒。