吳國(guó)玢

(上海理工大學(xué),上海 200093)

關(guān)于德國(guó)KPK物理課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中若干問題的討論

吳國(guó)玢

(上海理工大學(xué),上海 200093)

我國(guó)目前正在開展德國(guó) KPK物理課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn).本文對(duì)該教學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的若干熱點(diǎn)問題進(jìn)行了討論.

物理教學(xué)改革;創(chuàng)新;減負(fù);卡爾斯魯厄物理教程(KPK);簡(jiǎn)化;類比(表);物質(zhì)型物理量;對(duì)比教學(xué)

1 引言

在我國(guó)目前進(jìn)行的物理教學(xué)改革中,有兩件事情引起較多關(guān)注.一是創(chuàng)新(包括培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力以及教材自身的創(chuàng)新);二是減負(fù).有沒有可能把這兩件事情放在一起做,有沒有什么東西可供借鑒呢?本文在對(duì)德國(guó) KPK物理教程做簡(jiǎn)要的介紹之后,就該教程近期在我國(guó)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的一些熱點(diǎn)問題進(jìn)行了較為深入的探討.

卡爾斯魯厄(Karlsruhe)是德國(guó)西南部與法國(guó)和瑞士毗鄰的一座美麗城市,那里有一所同名的著名大學(xué),它就是德國(guó)卡爾斯魯厄物理教程(Der Karlsruher Physikkurs,簡(jiǎn)稱 KPK)的誕生地.早在2007年,上海市教委教研室和上海教育出版社就開始聯(lián)手在上海個(gè)別中學(xué)里開展一些零星、局部的 KPK教學(xué)試點(diǎn).不過真正有組織而且成規(guī)模的 KPK教學(xué)實(shí)驗(yàn)始于2010年9月.應(yīng)該說,這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在總體上是成功的,迄今所取得的成果相當(dāng)令人鼓舞.筆者想在這里重點(diǎn)討論一下與該教學(xué)實(shí)驗(yàn)有關(guān)的幾個(gè)熱點(diǎn)問題.

2 KPK與物理教學(xué)改革

物理學(xué)知識(shí)量的迅猛增長(zhǎng)和相對(duì)固定的物理教學(xué)課時(shí)數(shù)之間的矛盾,始終是物理教育界所面臨的一個(gè)難題.開發(fā) KPK物理課程的初衷就是試圖破解這道難題.可能的解決方法無非有兩種:一是分科,二是簡(jiǎn)化.前者的弊端明顯,基本上不可行;后者卻大有潛力可挖.課程的簡(jiǎn)化包含兩個(gè)主要方面:首先是對(duì)現(xiàn)有物理知識(shí)進(jìn)行梳理,根據(jù)物理學(xué)最新研究成果和發(fā)展將一些過時(shí)的概念和多余的內(nèi)容清理掉,即所謂的甩掉歷史包袱,從而在內(nèi)容上或數(shù)量上進(jìn)行簡(jiǎn)化,實(shí)現(xiàn)“減肥瘦身”.其次是通過理順課程的結(jié)構(gòu)尋找某些內(nèi)在的共同規(guī)律,從概念上和認(rèn)知結(jié)構(gòu)上進(jìn)行簡(jiǎn)化,使課程變得既容易教,又容易學(xué),從而精簡(jiǎn)物理教學(xué)本身,節(jié)省耗費(fèi)在教和學(xué)上的時(shí)間和精力.相比之下,第二種簡(jiǎn)化更具價(jià)值,效果更為顯著,意義更為深遠(yuǎn).作為大學(xué)物理教育研究所的所長(zhǎng),赫爾曼(F.Herrmann)教授在繼承前人研究成果的基礎(chǔ)上,經(jīng)過多年努力,成功編寫了一套體現(xiàn)上述兩種簡(jiǎn)化的 KPK物理教材.由此可見,KPK本身就是物理教學(xué)改革的產(chǎn)物.

值得一提的是,在 KPK教程誕生之前,實(shí)際上就已經(jīng)有一些物理學(xué)家提出過若干現(xiàn)在被認(rèn)為是 KPK理論核心的概念.比如,普朗克(Max Planck)于1908年就在他的著作中提出了動(dòng)量流的概念,并且指出力就是動(dòng)量流的強(qiáng)度.1911年,英國(guó)著名物理學(xué)家卡林達(dá)(H.L.Callendar)就已在他的著作中將熵定義為一個(gè)通俗易懂的物理量.

3 立足經(jīng)驗(yàn)貼近生活

KPK的作者主張物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)注重感性認(rèn)識(shí),強(qiáng)調(diào)物理概念要建立在日常生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,要讓學(xué)生感到他們所學(xué)的知識(shí)實(shí)實(shí)在在,通俗易懂,從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣.他們還認(rèn)為,應(yīng)當(dāng)避免在課程一開始就引入一系列定義和相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ),引入抽象的概念.因?yàn)槟菢硬坏珶o助于學(xué)生掌握物理知識(shí),反而促使他們把那些難以消化的東西演變?yōu)榻虠l,去死記硬背應(yīng)付解題.其必然結(jié)果是使學(xué)生感到枯燥乏味,漸漸失去學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力,從而嚴(yán)重影響教學(xué)效果.

以力學(xué)為例,KPK教材不從力的概念入手,而是首先引入動(dòng)量的概念.這是因?yàn)榻M成動(dòng)量的兩個(gè)量(質(zhì)量和速度)的定義簡(jiǎn)單清晰,其概念很容易與日常生活經(jīng)驗(yàn)直接聯(lián)系起來,學(xué)生一聽就懂.動(dòng)量及其時(shí)間變化率(動(dòng)量流)的概念也簡(jiǎn)單明了,便于學(xué)生掌握.相比之下,傳統(tǒng)物理學(xué)中力的概念要復(fù)雜得多,一開始就不得不討論力的種類、作用效果和要素等等,使得力的概念的建立頗具難度.這種形似“嚴(yán)格”,實(shí)為繁瑣的定義,與定義自身的要求相悖,當(dāng)然難以使學(xué)生真正掌握.實(shí)踐表明,KPK力學(xué)更容易為師生所接受,教學(xué)效果能得到顯著改善.另一個(gè)例子是熱學(xué)中熵的概念.眾所周知,熵在傳統(tǒng)教材中一直被認(rèn)為是一個(gè)抽象難懂的概念,被戲稱為“熵透腦筋”.然而在KPK中,由于作者將熵與人們?nèi)粘Ｉ钪兴惺艿降臒?量)的概念直接聯(lián)系起來,因而使教師教得容易,學(xué)生學(xué)得輕松.為了強(qiáng)調(diào)上述兩個(gè) KPK的顯著特點(diǎn),赫爾曼教授將它們歸納為兩句簡(jiǎn)單的口號(hào):力學(xué)教學(xué)從動(dòng)量開始!熱學(xué)教學(xué)從熵開始!

4 類比——貫穿于 KPK物理教程中的一根主線

KPK教程的另一獨(dú)特之處是廣泛采用類比(analogy)這一科學(xué)方法.KPK的作者通過類比將物理學(xué)各分支學(xué)科之間在結(jié)構(gòu)上的相似性或規(guī)律性凸顯出來,或者說將它們之間實(shí)際存在著的內(nèi)在有機(jī)聯(lián)系這一本質(zhì)揭示出來,從而把它們整合在一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)框架內(nèi).實(shí)際上,這種可類比性所反映出來的是物理學(xué)的精彩和壯美,是客觀世界或宇宙間的統(tǒng)一與和諧,意義十分深遠(yuǎn).就物理教學(xué)而言,它的積極意義同樣是顯而易見的.因?yàn)檫@種統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)不但有利于學(xué)生的理解和記憶,而且還能幫助學(xué)生融會(huì)貫通、舉一反三,產(chǎn)生觸類旁通的效果,即只要牢固掌握一門分支學(xué)科,就比較容易掌握其他各門分支學(xué)科,從而大大提高學(xué)習(xí)效率,改進(jìn)學(xué)習(xí)效果.下面這張類比表在 KPK教程中占有重要地位.筆者建議讀者每當(dāng)產(chǎn)生混淆和疑惑的時(shí)候,不妨多看它幾眼.

各分支學(xué)科之間的類比

我們先來看表中的第二列“廣延量”.大家知道,電學(xué)教學(xué)是從廣延量電荷(量)開始的.這張類比表給我們的一個(gè)啟發(fā)是:力學(xué)和熱學(xué)的教學(xué)是否也應(yīng)當(dāng)從各自的廣延量動(dòng)量和熵出發(fā)呢?這個(gè)問題的答案其實(shí)剛才已經(jīng)給出,因此現(xiàn)在可以增加第三句口號(hào)“電學(xué)教學(xué)從電荷開始!”了.再如有些老師有時(shí)會(huì)困惑于 KPK中的熵(熱量)這個(gè)量,筆者建議他們注意一下熵在類比表中的位置.很明顯,熵與電荷量和動(dòng)量對(duì)應(yīng),因而肯定不應(yīng)是能量的概念(其量綱也不是能量的量綱).但在傳統(tǒng)物理學(xué)里,熱量與能量是相當(dāng)?shù)?熱功當(dāng)量).當(dāng)然,這其實(shí)是不正確的!請(qǐng)看下面的插圖(其中圖1引自 G.Job的“新概念熱力學(xué)”中譯本).

圖1 傳統(tǒng)熱力學(xué)的困境

如圖1所示,在傳統(tǒng)熱力學(xué)中有三個(gè)量可以使用“熱(heat)”這個(gè)詞來描述,它們分別用符號(hào)T,S和Q來表示.當(dāng)“熱量”這個(gè)術(shù)語(yǔ)被賦予具有能量性質(zhì)的物理量Q之后,困難就出現(xiàn)了.這種情況可以比喻為將兩條腿穿在同一只褲腿里時(shí)所產(chǎn)生的跛足效應(yīng).如果這位“殘疾人”要想走路,那么他就必須借助于“拐杖”,比如焓和自由能(其實(shí)本來是不需要引入這些量的).現(xiàn)在再回過頭來看看我們的類比表,如果把熱量的箭頭指向 S,那么一切就都順理成章了(見圖2).所以,這張表格似乎具有某種幫助我們“正本清源”、“撥亂反正”的功效.再來看第三個(gè)例子,那就是著名的牛頓三大定律.如果把這些定律中的力更換成動(dòng)量流(強(qiáng)度),那么我們就有:

圖2 在 KPK熱力學(xué)中,困境得到解除

1)只要沒有任何動(dòng)量流入或流出一個(gè)物體,那么該物體的動(dòng)量 p就保持恒定不變.

2)物體動(dòng)量的變化率dp/dt等于流入該物體的動(dòng)量的變化率,即動(dòng)量流(強(qiáng)度)F=dp/dt.

3)每當(dāng)有動(dòng)量在A和B兩個(gè)物體之間流動(dòng)時(shí),流入物體A的動(dòng)量流 FA總是等于流出物體B的動(dòng)量流 FB.

不難看出,上述三條定律合在一起所表述的不過就是動(dòng)量守恒原理.與傳統(tǒng)方式相比,這種表述方式當(dāng)然要簡(jiǎn)單明了得多.不過我們眼下的關(guān)注點(diǎn)并不在這里,而是要想在力學(xué)與電學(xué)之間進(jìn)行類比.在類比表中,與動(dòng)量對(duì)應(yīng)的是電荷量.如果我們把上述三條定律中的動(dòng)量換成電量Q,那么立刻可以得到,

1)只要沒有任何電量流入或流出一個(gè)物體,那么該物體的電量Q就保持恒定不變.

2)物體電量的變化率 dQ/dt等于流入該物體的電量的變化率,即電流(強(qiáng)度)I=dQ/dt.

3)每當(dāng)有電量在A和B兩個(gè)物體之間流動(dòng)時(shí),流入物體A的電流 IA總是等于流出物體B的電流IB.

很明顯,上述三條合在一起所表述的不過就是電荷守恒原理.如果有人說這就是電學(xué)三大定律,人們一定會(huì)發(fā)笑.事實(shí)上,從來沒有人這樣想過,更沒有人這樣說過.因?yàn)檫@是完全沒有必要的.通過這樣的類比,我們回過頭來對(duì)于牛頓三大定律的真實(shí)含義、地位和作用就看得比以往更清楚了.現(xiàn)在請(qǐng)讀者思考并辨別一下,如果有人說牛頓三大定律是力學(xué),乃至整個(gè)物理學(xué)的支柱或基礎(chǔ),這種說法是否有點(diǎn)言過其實(shí)甚至名不副實(shí)呢?所以這個(gè)例子表明,這張類比表有時(shí)還可以起到某種幫助我們“去偽存真”、“顯露原形”的作用.

通過上述例子,KPK類比表所具有的“神奇”功能已經(jīng)可見一斑.實(shí)際上,這張表的覆蓋范圍(無論在縱向還是橫向上)還可以進(jìn)一步擴(kuò)大.相關(guān)內(nèi)容留待另文討論.

5 關(guān)于動(dòng)量流強(qiáng)度和力

動(dòng)量流強(qiáng)度和力所描述的實(shí)際上是同一個(gè)物理量.在 KPK物理學(xué)中,動(dòng)量和動(dòng)量流的概念在先,動(dòng)量流強(qiáng)度(力)的概念在后.與傳統(tǒng)物理學(xué)相比,這樣的次序順理成章,有利于教與學(xué).但是由于人們長(zhǎng)期廣泛使用力這個(gè)字,習(xí)慣已成自然,所以不可能也不必要完全不使用它.正因?yàn)槿绱?雖然在 KPK教材中不需要使用傳統(tǒng)的力的概念,但也并不回避和排斥力這個(gè)術(shù)語(yǔ),反而在適當(dāng)?shù)牡胤綄⑺榻B給讀者,以幫助他們了解力的本質(zhì).不過,這絕不意味著動(dòng)量流和傳統(tǒng)意義上的力這兩個(gè)概念可以混用.在 KPK教材中只用動(dòng)量流的概念來闡述物理原理,解釋物理現(xiàn)象.傳統(tǒng)物理學(xué)中力的定義在 KPK里是完全摒棄不用的,也就是說,術(shù)語(yǔ)力的含義已經(jīng)在那里變?yōu)閯?dòng)量流強(qiáng)度,已經(jīng)被納入 KPK體系,已經(jīng)是“舊瓶裝新酒”了.這一點(diǎn)必須加以強(qiáng)調(diào).KPK教程是其作者站在現(xiàn)代物理學(xué)最新成就的制高點(diǎn)上,在嚴(yán)格審視傳統(tǒng)物理學(xué)及其發(fā)展史的基礎(chǔ)上,重新構(gòu)建起來的一套教材.KPK把本來不那么順的概念體系理順了,把一些原來在理解上有差錯(cuò)的概念糾正了過來.它能夠提升教師和學(xué)生對(duì)于物理學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu).因此它的科學(xué)性、邏輯性、合理性、包容性和實(shí)用性都在傳統(tǒng)物理學(xué)之上.換言之,它源于傳統(tǒng)物理學(xué),但高于傳統(tǒng)物理學(xué).事實(shí)上,這也正是為什么一些先學(xué) KPK后來改學(xué)傳統(tǒng)物理學(xué)的學(xué)生不會(huì)感到有任何困難的根本原因所在.筆者以為,對(duì)于學(xué)過傳統(tǒng)物理學(xué)的學(xué)生適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行二種概念(比如動(dòng)量流強(qiáng)度與力)之間的對(duì)比教學(xué),有助于加深他們對(duì)物理概念和現(xiàn)象的理解,有利于顯示 KPK的先進(jìn)性和優(yōu)越性,從而增強(qiáng)他們學(xué)習(xí) KPK的信心,產(chǎn)生積極效果.

6 物質(zhì)型物理量(substance-like quantity)

所謂物質(zhì)型物理量,是 KPK作者為廣延量(extensive quantity)所起的另外一個(gè)名字.其意圖是突出此類物理量的一個(gè)共同特性:人們可以把它們想象成一種“物質(zhì)”來加以處理.或者說得更專業(yè)一點(diǎn),我們可以對(duì)它們應(yīng)用“物質(zhì)模型(substance model)”.這種做法的主要目的是要讓它們與物質(zhì)守恒(物質(zhì)不滅)定律以及連續(xù)性方程之間建立起聯(lián)系,讓它們?cè)诳臻g內(nèi)“流”起來.為了能夠使用數(shù)學(xué)分析這個(gè)工具,我們還必須把此類物理量想象成“連續(xù)介質(zhì)”,即一種連續(xù)地分布在空間內(nèi)的假想物質(zhì).大家知道,實(shí)物都是有分子結(jié)構(gòu)的,是不連續(xù)的,里面包含有很大的空隙.所以以前有人把它們翻譯為“實(shí)物型物理量”是不妥當(dāng)?shù)?科學(xué)概念必須依靠語(yǔ)言文字表達(dá)其意義,名詞術(shù)語(yǔ)是語(yǔ)言的基石、概念的符號(hào).譯名如果不妥,勢(shì)必會(huì)影響到整個(gè)學(xué)科表述的準(zhǔn)確達(dá)意,甚至造成誤解,因此必須十分慎重.

物質(zhì)型物理量在 KPK物理學(xué)中占有極其重要的地位.它們是構(gòu)建 KPK物理學(xué)的“頂梁柱”.物質(zhì)型物理量和它們的“流”以及相應(yīng)的強(qiáng)度量一起,作為物理學(xué)各分支學(xué)科的中心物理量,構(gòu)成了類比表的主干部分,成為開展各種類比的基礎(chǔ)或出發(fā)點(diǎn).KPK物理學(xué)中所包含的物質(zhì)型物理量有質(zhì)量、能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷量、熵和物質(zhì)的量等.

7 結(jié)論

德國(guó) KPK物理學(xué)源于傳統(tǒng)物理學(xué),但高于傳統(tǒng)物理學(xué).近期在上海進(jìn)行的教學(xué)試點(diǎn)實(shí)踐表明,只要主講教師認(rèn)真?zhèn)湔n,牢固掌握 KPK物理課程的概念體系,切實(shí)更新教學(xué)理念,就能夠?qū)崿F(xiàn)既容易教,又容易學(xué)的目標(biāo),做到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使他們?cè)谕瑯拥臅r(shí)間內(nèi)學(xué)到更多物理知識(shí),而且學(xué)得更扎實(shí),從而顯著提高教學(xué)效率.教學(xué)實(shí)驗(yàn)的初步成功進(jìn)一步證明了 KPK物理教程是一部不可多得的優(yōu)秀物理教材,值得我們借鑒.目前將它引入我國(guó)適逢其時(shí),適得其所.

[1] 吳國(guó)玢.淺談德國(guó)KPK物理教材的基本特點(diǎn)[J].物理與工程,2010,20(5):6～9

[2] 吳國(guó)玢,F.Herrmann.試論一種新的能量觀[J].物理與工程,2010,20(6):3～6

[3] G.Job.新概念熱力學(xué)[M].陳敏華譯,吳國(guó)玢審.上海:華東理工大學(xué)出版社,2010

[4] F.Herrmann.科學(xué)知識(shí)所背負(fù)的歷史包袱[J].吳國(guó)玢譯.國(guó)際物理教育通訊,2010,(45)

2011-05-16)