德國中學物理ＫＰＫ教材的知識結構特點

劉運新

近三百年來，德國人為科學技術的發展作出了很大的貢獻。在德國的卡爾斯魯厄大學，以赫爾曼(F.Herrmann)教授為首的開發團隊以尋找一種適合于不同年級學生的新的物理教學方法為宗旨。基于不同水平的物理課程具有相同的課程結構的觀點，找一條簡約的路。使學生不再被繁瑣的物理概念所累，開發出了一套新的中學物理教材，為物理課程的改革開辟了一條全新的路。這套教材的開發在二十五年前就開始了，并在德國的許多學校進行了實驗。至今在德國學過卡爾斯魯厄物理課程的學生已超過一萬名，可是它還處于實驗階段，這也反映了德國人治學的嚴謹態度。筆者意圖通過對這一實驗中的KPK教材知識結構的分析闡述，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”，“在構成物理學的所有概念中，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、成功得多的一個概念。其應用到現在為止已遠遠超越了物理學范疇，已經覆蓋到所有學科領域。能量的概念已被證明是人類生活所有領域中具有最重要意義的物理學概念。”

KPK教材是為了緩解物理知識的總量不斷增加，而物理學時有限這一基本矛盾而開發的。因此，KPK教材在知識結構上具有以下特點：

1KPK教材將物理學的量歸為四大類

A廣延量：能量、動量物質的量等；

B實物型量的流：能流、動量流、電流等；

C內涵量：電勢、溫度、壓強、化學勢等；

D其它的量：位置、時間的量和一些表征技術設備的量(如電阻、電容等)。這樣的歸類有利于物理學的類比學習，也為構建物理學的統一結構打下了基礎。

2包含于物理系統的實物型量可以從一個系統流到另一個系統

KPK教材將實物型量看成包含在一個物理系統中且能攜帶著能量從一個系統流到另一個系統，從而刪除了一些過去很重要而在現代物理學看來已不重要的多余的物理概念，使學生不再為這些繁瑣的物理概念及其計算所累。

以“能量”的內容為例，在KPK教材中，能量的概念用簡單的具體的貼近生活的語言來描述：“能量是運輸所需要的那種東西”“移動物體時需要能量”等等；用木頭、煤、天燃氣、油、電、實物型量等這些能量攜帶者替代了能量的形態，因而沒有了能量的轉化，只有不同的能量攜帶者和能量的傳輸；用能流替代了功率，沒有了關于功、功率、熱量、功與熱量的換算(熱功當量)，這樣學生就省去了既繁瑣又多次在物理教學中出現的計算。

3構建了物理學的統一結構

開發KPK課程的目的是為了使物理教育更現代化和精簡化。所以，KPK教材以實物型量為中心概念，用實物型量的流來構建整個物理課程結構，將物理學的各個學科綜合在這個統一的結構里，并把化學、信息學、近代物理學的部分內容也整合在這一結構中。

在KPK教材中，用統一的結構將物理學的各個不同領域用同一個觀點呈現出來，在不同的物理學領域應用相同的模型和思維表達方式，相同結構和規律只需學習一次，潛移默化了類比這一重要的思想，簡化了物理教學，充分體現了泰勒的“一條學習經驗可以達到多個目標”的課程思想。提高了物理教學的質量和效率。

4KPK教材充分體現了能量在物理學中的重要地位

上面的物理學的統一結構中，各物理學的分支學科中，有兩個實物型量起著重要的作用：在力學中是能量和動量。在電學中是能量和電荷量，在熱力學中是能量和熵，在化學中是能量和物質的量……

5KPK教材賦予了驅動力、阻力新的涵義

驅動力即內涵量的值的差異，它形成流，如電勢差形成電流；阻力是導體的特性，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、化學勢等內涵量的概念，以及引入了實物型量熵，它們適合于物理學的統一結構。因而簡化了物理教學。

KPK教材已于2007年9月由上海教育出版社出版。當前我國正在進行新一輪的課程改革，在物理新課程教材的編寫中，如何從根本上來解決物理難學而又必須學和物理知識不斷膨脹而物理學時有限這兩對長期困惑物理教學的基本矛盾，以及如何體現教材的豐富性、回歸性、關聯性和嚴密性，KPK教材都值得我們借鑒。