陶萍萍

(上海師范大學數(shù)理學院　上海　200234)

德國KPK物理教材的基本特點
——以電路部分為例

陶萍萍

(上海師范大學數(shù)理學院上海200234)

摘 要：本文通過對德國KPK物理教材的仔細研讀，重點分析了該教材中的電路部分，并著重對該教材的知識內(nèi)容、課程結構，及教材中采用的類比法進行了討論．

關鍵詞：KPK物理電路教材研究

德國卡爾斯魯厄物理課程(Der Karlsruher Physik Kurs，簡稱KPK)是在G.Falk教授、F.Herrmann教授等物理學家和物理教學專家的努力下，于20世紀80年代開發(fā)出的一門嶄新的物理學課程體系．該教材無論就其定位、定性，還是策略而言，都凸顯了其自身的獨特性．近年來，我國逐漸對德國KPK物理教材投入關注，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，積極開展教學實驗，深入研究德國KPK物理教材的各方面特點，從而為我國的物理教學改革注入新的養(yǎng)料．而電路部分作為物理學習的重點和難點，在教材的編寫中更易顯現(xiàn)該教材的各方面特點，所以本文選擇對德國KPK物理教材中的電路部分進行分析與討論，努力挖掘該教材的獨特之處．

1取“廣”棄“深”知識內(nèi)容深入淺出

雖然KPK物理教材與國內(nèi)教材在電路部分的知識編排順序相同，首先引入電路，接著介紹電流、電壓及電阻，最后再進一步探討電功率．但在知識內(nèi)容上，KPK物理教材卻與國內(nèi)教材頗有出入．其中較為明顯的是，KPK物理教材竟然沒有提及歐姆定律，而歐姆定律卻是國內(nèi)教材電學部分的重難點．以《上海市中學物理課程標準》為例，電路部分有且只有閉合電路歐姆定律被要求達到D級學習水平，即應用水平．可見，國內(nèi)教材電學部分不但出現(xiàn)了歐姆定律，而且對該知識點尤為重視．歐姆定律是由德國物理學家歐姆提出的，并進一步總結出了閉合電路歐姆定律，該部分知識是電學知識的重要組成部分，但德國高中物理教材卻未對歐姆定律進行介紹，這在我們看來或許很難理解，但站在德國教育的角度上看，德國的高中實行3年制(11～13年級)，在11年級，物理一般作為選修課，每周僅2課時，到了12和13年級，學生可挑選一門科學類課程作為基礎課修3年(每周2～3課時)，或選擇一門課程作為專業(yè)課在12和13年級學習(每周5課時)．可見，德國高中的物理課程課時較少，不具備深入研究某個知識點的教學條件．同時，德國制定高中物理課程教學目標的依據(jù)之一為：通過物理學習讓學生可以更容易地應對日常生活．也就是說，德國的高中物理教育志不在難，它更注重高中學生對物理的認識而不是精通[1]．

KPK物理教材在電學部分還有許多國內(nèi)教材所沒有涉及的知識點，例如節(jié)點定理和吉布斯方程等，這些在國內(nèi)都是在大學物理中才會學到的，但KPK物理教材卻毫不吝嗇地向學生普及這些知識，并以最簡單的方式呈現(xiàn)出來，使高中物理與大學物理巧妙銜接．KPK物理教材還著重介紹了如何采用不同的線段來表示電流回路中各導線的電勢大小，這有助于學生以后更好地學習等效電路的知識，而國內(nèi)教材僅單獨介紹了電勢與電勢差，卻沒有結合電路進行講解．不難看出，KPK物理教材的知識內(nèi)容看似蜻蜓點水，實則踏石留?。?/p>

總的來說，KPK物理教材更重視知識的廣度，而不是知識的深度，知識的“深”往往會讓學生疲倦不堪，而知識的“廣”才是激發(fā)學生學習興趣的關鍵因素．

2以能流為主線課程結構循序漸進

KPK物理教材以實物型量為中心，以對應的流為主線來構建整個課程結構，并建立了一個較為完整的新的物理課程體系，力求挖掘出物理學各分支學科知識之間的相似性，使物理課程更加精簡化．以下列舉了幾點KPK物理教材的課程特色，并以電路部分為主舉例加以說明：

(1)強調(diào)實物型量與流的關系

(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，因此，電功率P不再是孤立地存在于書本上的概念或公式了，它是一種能流，是實物型量電荷所對應的流，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)能量的傳輸與流動替代能量的轉化

以小燈泡發(fā)光為例，國內(nèi)教材通常這樣解釋：電能轉化為了光能和熱能，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到燈泡，在這里被轉載到新的載體——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，上述KPK物理教材對電流、電勢差、電源、電功率的解釋其實都不是針對電路部分而單獨給出的，而是類比歸納出來的．傳統(tǒng)物理學根據(jù)物質運動形式的不同，將物理學分為了很多分支學科，而KPK物理教材通過摸索各分支學科之間的聯(lián)系，建立了全新的課程體系．比如，教材通過對水流的分析介紹了流的概念，在此基礎上稍加改動，便可以引出氣流 、電流、熱流和動量流．除此之外，KPK物理教材中還列舉了許多類比表格，如物理學各分支學科及化學學科之間的類比(見表1)、實物型量及其流的關系(見表2)等．

表1　物理學各分支學科及化學學科之間的類比表

表2　實物型量及其流的類比表

KPK物理教材將各分支學科知識進行聯(lián)系，進行類比，進行歸納，令整個物理學自成系統(tǒng)，使得物理學不再是一個個孤立而零散的片段，整個課程結構循序漸進，螺旋上升．從而讓學生學得更系統(tǒng)，學得更清楚，學得更巧妙．

3巧用模型方式類比法科學嚴謹

KPK物理教材中，將電流類比為水流來描述什么是電、將電阻類比為水管的收縮處來說明電阻的作用(見圖1)；將電流回路類比為液壓回路來闡明電流回路的工作原理(見圖2)；將電池類比為水泵來解釋電路中的電勢差(見圖3)……可見，KPK物理教材擅于采用模型方式來描述物理現(xiàn)象．通常人們描述物理過程或現(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)學公式來對物理過程或現(xiàn)象進行描述；而模型方式，則是通過模型來類比我們沒有直覺認知或直接體驗過的物理過程或現(xiàn)象．教材中的知識對于學生來說是陌生的，雖然普遍地采用理論方式來描述物理過程或現(xiàn)象可以做到簡單而準確，但這種“簡單而準確”是對于教材本身而言的，學生未必可以簡單而準確地接受與理解．KPK物理教材更多地站在了學生的角度，大量采用模型方式來類比現(xiàn)象，類比知識，如此不僅可以提高學生的學習效果，同時也潛移默化地使學生形成這種思維習慣，引導學生能夠巧妙地將物理學中的各現(xiàn)象或各理論進行聯(lián)系，并尋找它們的相似之處進行類比，進而加深對物理學的理解與認識．

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　電池正負極電勢差與水泵進出水口壓力差的類比

KPK物理教材的語言尤為嚴謹．在采用模型方式描述物理現(xiàn)象時，往往某個模型并非完全等同于我們所要描述的物理現(xiàn)象，例如當我們描述電荷在回路中流動時，采用水流回路作為模型，當然，學生很容易就明白了電荷在回路中的運動情況，但在某些性質上，難道電流回路和水流回路是完全相同的嗎？其實不然，比如電線是實心的而水管是空心的；電有正負值，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，通常這樣說：“它就像這個或那個一樣……”或“你可以把它想象成……”這表明了KPK物理教材在使用模型時的科學態(tài)度．其在課本中說到：“唯一真正起作用的并且作為真實科學核心的東西，還是數(shù)學描述．”而對于模型來說，只要它對于解釋某些物理現(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，一定程度上讓學生體會到了科學的嚴謹性，同時引導學生用科學的視角與思維學習物理[3]．

4結論

通過以上對KPK物理教材電路部分的研究發(fā)現(xiàn)，該教材主要以現(xiàn)行基礎型物理課程為主，降低學習難度，提升知識廣度，并與大學物理相接軌，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是其獨有的、新的物理課程體系，它將物理學的各分支學科以統(tǒng)一的形式呈現(xiàn)出來，在不同的分支學科中應用相同的模型來描述，簡化了物理教學，統(tǒng)一了課程結構，創(chuàng)造了全新的物理學課程．面對跟國內(nèi)教材與眾不同的KPK物理教材，結合中國學情，我們不難發(fā)現(xiàn)，KPK物理教材的知識內(nèi)容與國內(nèi)物理課程標準不太符合，它更適合學有余力的學生作為選學教材進行學習，但KPK物理教材所建構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

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

2陳敏華. 德國卡爾斯魯厄物理課程簡介.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)

作者簡介：指導教師：郭長江(1974-)，男，博士，副教授，研究方向：物理課程與教學論.