陳敏華

(紹興縣柯橋中學 浙江 紹興 312030)

1 歷史背景

1888年，著名物理學家赫茲在德國卡爾斯魯厄大學發(fā)現(xiàn)了電磁波．卡爾斯魯厄物理課程(Der Karlsruher Physik Kurs，簡稱KPK)就是在這所大學的物理教學研究所產(chǎn)生的．20世紀70年代，該研究所的福克教授最早主持這一課程開發(fā)計劃．20世紀90年代初，?？巳ナ溃@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世紀初，這一項目受到了德國久?；饡馁Y助．在這個基金會的資助下，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．

物理知識的總量在不斷地增加，而物理教學的時間則基本保持不變．KPK就是為緩解這一矛盾所做努力的成果．物理學的發(fā)展歷史是一條錯綜復雜的道路．在教學中，我們把由這條復雜的道路所帶來的歷史負擔強加給了學生．KPK的開發(fā)者們選擇了一種科學教學的統(tǒng)一方法，將這些歷史負擔從物理課程中排除．這個方法基于在經(jīng)典物理學和現(xiàn)代物理學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、動量、角動量、電荷量、物質的量和熵．當我們強調廣延量時，物理學各分支學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自然過程的分類罷了．僅僅一個物理學分支學科的知識就已經(jīng)給我們提供了一個描述其他分支學科(包括化學和生物學)的類比方法．因此，這一課程開發(fā)計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方法，這種新方法適合于不同年級的學生．KPK的開發(fā)者們已編寫出了從小學、中學到大學的物理教材，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構和相應的物理教學方法．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校進行KPK課程試驗；如我國上海部分中學將KPK作為拓展性教材在部分學生中試用，取得了一定的實踐經(jīng)驗．

2 課程結構

量子力學中的基本物理量是能量、動量、角動量、電荷量等．這些量不同于牛頓力學中描述質點運動規(guī)律的物理量(如速度、力等)．當然，在牛頓力學中也出現(xiàn)能量、動量、角動量，但它們僅僅在計算上起方便的作用，而并不是基本物理量．在牛頓力學中，基本的物理量是位移、速度、質量和力；而動量只不過是質量和速度的乘積的別名.能量在牛頓力學中的地位也是如此．在量子力學中，對動量和能量的處理就大不相同了．這可以由以下事實加以說明：動量和能量可以量子化，而那些在牛頓力學中構成能量和動量的物理量(如速度和力)卻不可以量子化．

量子力學中的基本物理量跟熱力學中的廣延量具有類似的性質．這些量有一個共同的特點.它們都可以被看作是包含在一個物理系統(tǒng)中，并能從一個系統(tǒng)流到另一個系統(tǒng)．因此，它們都可以被描述為一種“實物”．由此，我們把它們叫做實物型物理量．KPK把實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、動量流(即力F)、熵流和物質流；φ，v，T和μ分別為電勢、速度、熱力學溫度和化學勢，它們都是內(nèi)涵量．

由上式可以容易地找出物理學各分支學科間的類比關系．由此可知，電學過程實質上是能量E和能量攜帶者電荷q在電勢差Δφ作用下的流動，它們的流動形成能流IE和電流Iq；力學過程實質上是能量E和能量攜帶者動量p在力勢差Δv作用下的流動,它們的流動形成能流IE和動量流Ip；熱學過程實質上是能量E和能量攜帶者熵S在熱勢差ΔT作用下的流動，它們的流動形成能流IE和熵流IS；化學過程實質上是能量E和能量攜帶者物質的量n在化學勢差Δμ的作用下的流動，它們的流動形成能流IE和物質流In．因而，一個物理學分支學科的知識為其他分支學科(包括化學和生物學)提供了一種類比方法，由此就形成了KPK清晰的課程結構(表1)．

表1 KPK的課程結構-物理學各分支學科(包括化學)間的類比關系

相同的規(guī)律和結構重復出現(xiàn)在電學、力學、熱學和化學中，也不同程度地出現(xiàn)在光學、聲學和電子學中．這些普遍的規(guī)律我們只需學習一次．利用這一結構開發(fā)的課程可以達到使物理教學更現(xiàn)代化和精簡化的目的．

這一結構的理論基礎除了吉布斯基本方程外，還包括熱力學第二定律．由于自然界中各種不可逆過程都是互相關聯(lián)的，所以每一個不可逆過程都可以作為表述熱力學第二定律的基礎，而熱力學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，熱力學第二定律的實質在于指出，一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都是不可逆的．熱力學第二定律所揭示的這一客觀規(guī)律向人們指出了實際宏觀過程進行的條件和方向[3].KPK課程結構強調的就是能量及其攜帶者自發(fā)和非自發(fā)流動的方向．

3 課程特色

KPK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．與傳統(tǒng)的物理課程比較，用這種結構建立起來的物理課程至少具有以下特色.

3.1 強調系統(tǒng)思維

某個實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．實物型物理量通過系統(tǒng)的邊界流動．我們可以說“一個系統(tǒng)具有較多或較少的能量”，但不能說“一個系統(tǒng)具有較多或較少的溫度”．我們也可以說“一個系統(tǒng)沒有電荷量或沒有動量”，但不能說“一個系統(tǒng)沒有電勢或速度”．我們也不能說“力可以使物體產(chǎn)生加速度”，因為加速度不是實物型量．而這種類似的說法在傳統(tǒng)的物理課程中經(jīng)常能看到．這是因為，傳統(tǒng)的物理課程在強調“研究對象”時沒有關注它的邊界，也沒有把實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動狀態(tài)或使物體形變．但一個物體受到的合力為零時，物體的運動狀態(tài)沒有改變，但我們不能說物體沒有形變．我們用動量流就能解釋這一現(xiàn)象了．原來，當物體受到的合力為零時，仍有動量流過物體．

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是什么力在做功呢？對于行駛的汽車，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，人走路時是否有牽引力在做功呢？原來，力是不能做功的．能量這個實物型物理量只能在物體(或者說系統(tǒng))之間流動．功是能量流動的量度．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，一會說“力做功”，一會說“物體做功”．在KPK中，沒有出現(xiàn)“功”這個概念，“功率”也被“能流”的概念所代替，“力”在能量流動的過程中只不過是一種能量攜帶者．

實物型物理量的概念也有利于我們將系統(tǒng)動力學模型工具(如美國的Stella，Dynamo，ithink，挪威的Powersim等軟件)作為重要的學習工具應用于物理教學中．

3.2 強調類比

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

在傳統(tǒng)的物理課程中，只有電學具有這種以實物型物理量的流所形成的結構．因此，我們需要對力學、熱學等分支學科的課程結構進行改革．KPK在這方面作了有益的嘗試．

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

在電學中，電源能使電荷從低電勢流到高電勢．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，在力學中也存在這樣一種泵，這種泵叫做動量泵；汽車中的發(fā)動機就是動量泵．

和在力學中一樣，KPK從熵開始展開對熱學現(xiàn)象的分析．大家都知道，熵是一個難以理解的概念．正因為這個原因，熵在中學物理課程中是一個被回避的概念．在中學物理課程中，即使出現(xiàn)熵這個概念，也只簡單地作一介紹，沒有把它作為一個中心概念來處理．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，熵在熱學中扮演著與電荷量在電學中以及動量在力學中相同的角色．在這里，我們同樣可以看到一種能驅動熵和能量流動的熱泵．

在KPK中，類似的結構也應用于信息學、化學和近代物理學中．例如，在化學中，我們也能看到一種能驅動物質的量和能量流動的反應泵．

3.3 提出了實物模型

在KPK中，出現(xiàn)了基于實物模型和類比思想的一些新概念．與實物模型相對的概念是我們熟悉的質點模型．實際上，在電學中人們早就使用了實物模型，即把電荷這個物理量比作為一種實物，因而產(chǎn)生了電流的概念．因而，其他實物型物理量都可以比作為一種能流動、能儲存的實物．同樣，場也可以比作為一種實物，因為它具有能量、動量等．

在KPK中還利用實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射線衍射技術得到．電子實際上是電素的最基本部分．

3.4 消除了陳舊的物理概念

物理學的發(fā)展歷史是一條錯綜復雜的道路．盡管存在著更容易到達相同目標的捷徑，但我們在教學中還是把這條復雜的道路強加于我們的學生身上．由于當時的歷史局限性，物理學中的一些陳舊概念在現(xiàn)在看來已經(jīng)成為歷史的負擔．應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?shù)慕巧蛣恿苛鬟€是有區(qū)別的．例如，我們能感覺到的不是力，而是動量流．如果我們不引入動量流的概念，學生就會對一些常見的力學現(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世紀中期，那時能量的概念剛產(chǎn)生．“能量形態(tài)”這一名詞常與靜止能、動能、熱能、重力能、結合能、輻射能、彈性能、勢能、電能、化學能、原子核能等大量不同的名稱一起使用．細心的學生當他想弄清楚包含在蓄電池中的能量是電能還是化學能時，當然會感到困惑．現(xiàn)在我們知道，能量總與至少一個別的實物型物理量同時流動．在所謂的“能量轉換器”中，能量實際上并沒有轉換；正確的說法是，與能量一起流動的其他實物型物理量在這種裝置中轉變了．能量通常在幾個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，我們就得到了一個嚴格而有效的、簡單而容易的、甚至能在初等水平的學生中介紹的關于能量傳遞過程的圖像．確切地說，“能量轉換器”應叫做“能量收發(fā)器”．

4 結束語

物理學家們總是傾向于拓展他們的研究領域，在他們的領域里(特別在基本粒子物理、天體物理和復雜系統(tǒng)物理這些領域里)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)常將新的結論簡單地整合到現(xiàn)有的知識結構中．他們總喜歡繼續(xù)進行他們自己特殊的研究．

這影響到教學．在“現(xiàn)代”物理教科書和19世紀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世紀或今天仍然活著的物理學家．20世紀物理學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，但不是新舊知識的理想結合．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，以前物理教學工作者忽視了這個任務，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例子．當然，作為對傳統(tǒng)物理課程的改革，KPK是建立在傳統(tǒng)課程的基礎上的，因而也沒有否認已被實踐證明是正確的經(jīng)典力學本身．然而，KPK的結構對于傳統(tǒng)課程來說是新的．體現(xiàn)在這一結構中的一些新概念(如實物型物理量、動量流、熵流、能量攜帶者、電素等)和相應的教學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，從而堅定進行物理課程改革的信心．

參考文獻

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

2 陳敏華改編.波動與信息.上海：上海教育出版社，2009

3 李椿，等．熱學．北京:人民教育出版社,1978.210～211