陶萍萍

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院　上?！?00234)

德國(guó)KPK物理教材的基本特點(diǎn)
——以電路部分為例

陶萍萍

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院上海200234)

摘 要：本文通過對(duì)德國(guó)KPK物理教材的仔細(xì)研讀，重點(diǎn)分析了該教材中的電路部分，并著重對(duì)該教材的知識(shí)內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)，及教材中采用的類比法進(jìn)行了討論．

關(guān)鍵詞：KPK物理電路教材研究

德國(guó)卡爾斯魯厄物理課程(Der Karlsruher Physik Kurs，簡(jiǎn)稱KPK)是在G.Falk教授、F.Herrmann教授等物理學(xué)家和物理教學(xué)專家的努力下，于20世紀(jì)80年代開發(fā)出的一門嶄新的物理學(xué)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(dú)特性．近年來，我國(guó)逐漸對(duì)德國(guó)KPK物理教材投入關(guān)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(shí)，積極開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入研究德國(guó)KPK物理教材的各方面特點(diǎn)，從而為我國(guó)的物理教學(xué)改革注入新的養(yǎng)料．而電路部分作為物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在教材的編寫中更易顯現(xiàn)該教材的各方面特點(diǎn)，所以本文選擇對(duì)德國(guó)KPK物理教材中的電路部分進(jìn)行分析與討論，努力挖掘該教材的獨(dú)特之處．

1取“廣”棄“深”知識(shí)內(nèi)容深入淺出

雖然KPK物理教材與國(guó)內(nèi)教材在電路部分的知識(shí)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(jìn)一步探討電功率．但在知識(shí)內(nèi)容上，KPK物理教材卻與國(guó)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(guó)內(nèi)教材電學(xué)部分的重難點(diǎn)．以《上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)》為例，電路部分有且只有閉合電路歐姆定律被要求達(dá)到D級(jí)學(xué)習(xí)水平，即應(yīng)用水平．可見，國(guó)內(nèi)教材電學(xué)部分不但出現(xiàn)了歐姆定律，而且對(duì)該知識(shí)點(diǎn)尤為重視．歐姆定律是由德國(guó)物理學(xué)家歐姆提出的，并進(jìn)一步總結(jié)出了閉合電路歐姆定律，該部分知識(shí)是電學(xué)知識(shí)的重要組成部分，但德國(guó)高中物理教材卻未對(duì)歐姆定律進(jìn)行介紹，這在我們看來或許很難理解，但站在德國(guó)教育的角度上看，德國(guó)的高中實(shí)行3年制(11～13年級(jí))，在11年級(jí)，物理一般作為選修課，每周僅2課時(shí)，到了12和13年級(jí)，學(xué)生可挑選一門科學(xué)類課程作為基礎(chǔ)課修3年(每周2～3課時(shí))，或選擇一門課程作為專業(yè)課在12和13年級(jí)學(xué)習(xí)(每周5課時(shí))．可見，德國(guó)高中的物理課程課時(shí)較少，不具備深入研究某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)條件．同時(shí)，德國(guó)制定高中物理課程教學(xué)目標(biāo)的依據(jù)之一為：通過物理學(xué)習(xí)讓學(xué)生可以更容易地應(yīng)對(duì)日常生活．也就是說，德國(guó)的高中物理教育志不在難，它更注重高中學(xué)生對(duì)物理的認(rèn)識(shí)而不是精通[1]．

KPK物理教材在電學(xué)部分還有許多國(guó)內(nèi)教材所沒有涉及的知識(shí)點(diǎn)，例如節(jié)點(diǎn)定理和吉布斯方程等，這些在國(guó)內(nèi)都是在大學(xué)物理中才會(huì)學(xué)到的，但KPK物理教材卻毫不吝嗇地向?qū)W生普及這些知識(shí)，并以最簡(jiǎn)單的方式呈現(xiàn)出來，使高中物理與大學(xué)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(dǎo)線的電勢(shì)大小，這有助于學(xué)生以后更好地學(xué)習(xí)等效電路的知識(shí)，而國(guó)內(nèi)教材僅單獨(dú)介紹了電勢(shì)與電勢(shì)差，卻沒有結(jié)合電路進(jìn)行講解．不難看出，KPK物理教材的知識(shí)內(nèi)容看似蜻蜓點(diǎn)水，實(shí)則踏石留?。?/p>

總的來說，KPK物理教材更重視知識(shí)的廣度，而不是知識(shí)的深度，知識(shí)的“深”往往會(huì)讓學(xué)生疲倦不堪，而知識(shí)的“廣”才是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵因素．

2以能流為主線課程結(jié)構(gòu)循序漸進(jìn)

KPK物理教材以實(shí)物型量為中心，以對(duì)應(yīng)的流為主線來構(gòu)建整個(gè)課程結(jié)構(gòu)，并建立了一個(gè)較為完整的新的物理課程體系，力求挖掘出物理學(xué)各分支學(xué)科知識(shí)之間的相似性，使物理課程更加精簡(jiǎn)化．以下列舉了幾點(diǎn)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(qiáng)調(diào)實(shí)物型量與流的關(guān)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(dòng)，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(shí)物型量電荷所對(duì)應(yīng)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(dòng)替代能量的轉(zhuǎn)化

以小燈泡發(fā)光為例，國(guó)內(nèi)教材通常這樣解釋：電能轉(zhuǎn)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(yùn)到燈泡，在這里被轉(zhuǎn)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(duì)電流、電勢(shì)差、電源、電功率的解釋其實(shí)都不是針對(duì)電路部分而單獨(dú)給出的，而是類比歸納出來的．傳統(tǒng)物理學(xué)根據(jù)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的不同，將物理學(xué)分為了很多分支學(xué)科，而KPK物理教材通過摸索各分支學(xué)科之間的聯(lián)系，建立了全新的課程體系．比如，教材通過對(duì)水流的分析介紹了流的概念，在此基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)，便可以引出氣流 、電流、熱流和動(dòng)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(xué)各分支學(xué)科及化學(xué)學(xué)科之間的類比(見表1)、實(shí)物型量及其流的關(guān)系(見表2)等．

表1　物理學(xué)各分支學(xué)科及化學(xué)學(xué)科之間的類比表

表2　實(shí)物型量及其流的類比表

KPK物理教材將各分支學(xué)科知識(shí)進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)行類比，進(jìn)行歸納，令整個(gè)物理學(xué)自成系統(tǒng)，使得物理學(xué)不再是一個(gè)個(gè)孤立而零散的片段，整個(gè)課程結(jié)構(gòu)循序漸進(jìn)，螺旋上升．從而讓學(xué)生學(xué)得更系統(tǒng)，學(xué)得更清楚，學(xué)得更巧妙．

3巧用模型方式類比法科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)

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(shì)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(xué)公式來對(duì)物理過程或現(xiàn)象進(jìn)行描述；而模型方式，則是通過模型來類比我們沒有直覺認(rèn)知或直接體驗(yàn)過的物理過程或現(xiàn)象．教材中的知識(shí)對(duì)于學(xué)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(jiǎn)單而準(zhǔn)確，但這種“簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確”是對(duì)于教材本身而言的，學(xué)生未必可以簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地接受與理解．KPK物理教材更多地站在了學(xué)生的角度，大量采用模型方式來類比現(xiàn)象，類比知識(shí)，如此不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)也潛移默化地使學(xué)生形成這種思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生能夠巧妙地將物理學(xué)中的各現(xiàn)象或各理論進(jìn)行聯(lián)系，并尋找它們的相似之處進(jìn)行類比，進(jìn)而加深對(duì)物理學(xué)的理解與認(rèn)識(shí)．

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(fù)極電勢(shì)差與水泵進(jìn)出水口壓力差的類比

KPK物理教材的語言尤為嚴(yán)謹(jǐn)．在采用模型方式描述物理現(xiàn)象時(shí)，往往某個(gè)模型并非完全等同于我們所要描述的物理現(xiàn)象，例如當(dāng)我們描述電荷在回路中流動(dòng)時(shí)，采用水流回路作為模型，當(dāng)然，學(xué)生很容易就明白了電荷在回路中的運(yùn)動(dòng)情況，但在某些性質(zhì)上，難道電流回路和水流回路是完全相同的嗎？其實(shí)不然，比如電線是實(shí)心的而水管是空心的；電有正負(fù)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(shí)，通常這樣說：“它就像這個(gè)或那個(gè)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(shí)的科學(xué)態(tài)度．其在課本中說到：“唯一真正起作用的并且作為真實(shí)科學(xué)核心的東西，還是數(shù)學(xué)描述．”而對(duì)于模型來說，只要它對(duì)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(xué)生體會(huì)到了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的視角與思維學(xué)習(xí)物理[3]．

4結(jié)論

通過以上對(duì)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(chǔ)型物理課程為主，降低學(xué)習(xí)難度，提升知識(shí)廣度，并與大學(xué)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(diǎn)是其獨(dú)有的、新的物理課程體系，它將物理學(xué)的各分支學(xué)科以統(tǒng)一的形式呈現(xiàn)出來，在不同的分支學(xué)科中應(yīng)用相同的模型來描述，簡(jiǎn)化了物理教學(xué)，統(tǒng)一了課程結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了全新的物理學(xué)課程．面對(duì)跟國(guó)內(nèi)教材與眾不同的KPK物理教材，結(jié)合中國(guó)學(xué)情，我們不難發(fā)現(xiàn)，KPK物理教材的知識(shí)內(nèi)容與國(guó)內(nèi)物理課程標(biāo)準(zhǔn)不太符合，它更適合學(xué)有余力的學(xué)生作為選學(xué)教材進(jìn)行學(xué)習(xí)，但KPK物理教材所建構(gòu)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(xiàn)

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

2陳敏華. 德國(guó)卡爾斯魯厄物理課程簡(jiǎn)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(jiǎn)介：指導(dǎo)教師：郭長(zhǎng)江(1974-)，男，博士，副教授，研究方向：物理課程與教學(xué)論.