抛开历史负担 推进现代物理

徐奎

物理学源远流长，但历久弥新。目前国内各版本的中学物理教材大同小异，基本都是从牛顿时代开始，沿袭着物理学发展的历史脉络，按照若干分支学科进行讲授。以人教版物理教材为例，必修系列讲述经典物理学，选修系列按照电磁学、热力学与统计物理、波动物理和粒子物理分别编排，构成相对完整的体系。

一、卡尔斯鲁厄物理课程的介绍

卡尔斯鲁厄物理课程（Der Karlsruher Phys—ikkurs，下文简称KPK）是在德国卡尔斯鲁厄大学物理教学研究所诞生的一种新型现代化物理课程。KPK体系的核心是两个定义，一是广延量，二是能量和能量携带者。从初中、高中到大学，不同层次的KPK保持着相同的体系结构。作为KPK一部分，初中版本的物理课程在上世纪九十年代就己正式在德国出版，到目前为止，己有近万名德国学生使用了这一课程。我国的KPK推广工作还刚开始，目前在上海和浙江有20多所学校在作为选修课教材使用，上海市教委已经批准其作为拓展型课程教材，但尚未作为教科书使用。

KPK充分强调广延量（extensivequantity），它们是：动量、角动量、电量、物质的量和熵。物理学的各分支学科，只不过是根据广延量在每种情况中所扮演的不同角色而对自然过程的分类罢了。一个分支学科的知识就足以给我们提供一个描述其他分支学科甚至包括生物学和化学的类比方法，由此就形成了KPK清晰的课程结构，梳理如下。

例如，在KPK看来，电学过程实质上是能量E和能量携带者电荷量Q在电势差作用下的流动，它们的流动形成能流IE和电流IQ;力学过程、热学过程、化学过程道理类似。实际上，我们观察一下吉布斯方程就知道其原理了，方程右边的每一个项都代表一种广延量，包括熵和化学势，这是KPK的理论源头。

在传统物理课程中能量以很多种形态出现，有很多对应的名称，动能和势能，势能还分重力势能、弹性势能、电势能、分子势能、引力势能、浮力势能等等，这些复杂的概念在早期看来具有一定的价值，在KPK看来，这些名称是多余的，这些不同场合所呈现的都是能量，只是能量的携带者不同。关于相对论也有类似的新解，光速不变原理可以理解成为物质的极限速度原理，惯性参考系就是动量不变的参考系。在量子论中，所有可以对体积积分的量都是广延量，而广延量都是可以量子化的，KPK是普适的。

二、两种课程的内容体系对比

KPK就像一个透镜，用它来审视我国的传统物理课程，能帮我们看清传统物理课程中存在的问题。下面以力学问题为例对比说明。力的概念，是传统物理学最成功的概念之一。而KPK打算主要用动量流的观点来诠释这一切，牛顿运动定律也有了下述新的形式。

牛顿第一定律：如果没有动量流入或流出物体，物体的动量将保持不变。

牛顿第二定律：一个物体的动量的时间变化率等于流入这个物体的动量流。

牛顿第三定律：如果动量从物体A流出，并流入物体B，则从A流出的动量流强度和流入B的动量流强度相同。

举三个实例。

如图1，马拉车就是一个动量流回路。马其实就是一个动量泵，将向左的动量由大地泵给车，当然车又将动量流还给大地，形成回路。照此思想，历史上超距作用的错误便不攻自破，因为必须把相应的场引入才能构成闭合回路，这也有助于破除学生对场的神秘感。

图1 马拉车的动量流

又如，2010年高考浙江理综卷第14题，A、B两物体叠放在一起，见图2，以相同的初速度上抛（不计空气阻力），选项略。在传统物理课程中该如何分析笔者就不再赘述了。在KPK看来，这种状态下，动量流不能构成闭合回路，只有动量流入，没有动量流出，内部无从构成动量流，AB之间也无动量流，非常好理解。图中虚线表示动量流。

图2 竖直上抛运动的动量流

再如，一盏电灯用绳子挂在两个相邻房间之间的墙上，如图3。它的质量是3.5kg。墙上两个挂钩所受的力各为多大？KPK认为，这样的三力平衡问题与电学中的结点问题本质相同，前者是力势差导致的动量流，后者是电势差导致的电荷流。如有必要，参照电学中的基尔霍夫电流定律，我们可以总结出动量流的节点定理：节点处的动量流矢量和为零，这其实就是力的平行四边形定则;我们还可以总结出物质的量流的节点定理，这其实就是质量守恒定律。

图3 节点的动量流

三、两种课程的时代背景对比

牛顿时代以来，物理学家经常将新的结论简单地整合到旧有的知识结构中，这使得物理学的发展就像往一辆大货车上不断地装货物，而不注重货物之间的逻辑关系。传统物理课程过分强调时代背景和探索中的困难，甚至记载了物理发展中曾经出现的许多错误概念和陈旧物理方法，并且习惯性地把这条复杂的道路强加于我们的学生身上（F.Herrmann G.Job 1996）。KPK正是要解决这些问题。KPK不仅仅是为了编一套新的中学物理教材，更是要抛开历史负担，寻找一种新的简洁的物理教学方法，这种新方法适合于不同年级的学生，适合于不同民族的学生，不同生活背景的学生。

视线转回国内，1866年，晚清政府在同文馆设算学馆，首次将物理作为一门独立的重要的学科列入教育内容。1904年《奏定学堂章程》颁布以后，物理以法定形式系统地列入到大中学校的教学科目，根据不同的教学要求编译了不同年级不同版本的物理教材，但基本上都来自欧洲物理教材。新中国成立以后，全面以俄为师，苏联十年制中学的物理课本成为国内物理教材的范本，改革开放以后，又几经改革，呈现今天的一纲多本。但纵观中国近百年以来物理教材的变迁，本质上是以西为师，并无独立体系。所以如今东西方在物理教学上面临的困难、机遇与重构都应当是同步的，都是国际性的。

四、两种课程的优劣取舍对比

1.KPK比传统物理课程更有利于培养学生的系统思维能力。以力学为例，传统物理课程中更加强调“研究对象”，但这往往意味着不关注它的便捷，也没有把广延量和其他量区分开来。而KPK强调系统，系统有一定的边界，广延量通过系统的边界流动，流入或者流出。某个广延量必定是属于空间某一区域的，即属于某一系统的，这有利于培养学生的系统思维能力。

2.KPK比传统物理课程更有利于学生对知识进行类比和迁移。KPK将告诉学生，对于不同的物理过程，比如力的过程、电的过程、热的过程、光的过程等，都是可以根据不同过程中相应的广延量的增减和流动来写出相同形式的表达式的。这样，仅仅学到一个物理学分支学科的知识就能给我们提供描述其他分支学科甚至化学的类比方法，所谓举一反三，触类旁通，灵活迁移。

3.KPK比传统物理课程更有利于消除陈旧的物理概念，但传统物理课程比KPK更有利于讲授物理与人文、社会的联系。由于KPK将物理学从繁冗的物理学史中萃取出来，用各种广延量及其流来描述各种物理现象。这算是抓住了自然现象和自然规律的命门，而且平衡了物理学教育对各种分支学科的轻重偏颇，这是KPK的优势。但是，凡事都有两面，物理学的进步是来之不易，物理学的发展方兴未艾，适度地向学生讲授物理学史的常识，有利于学生增加对物理学科的人文体验，有利于帮助学生从社会发展来侧观物理，有利于学生从人类文明进步的角度来体会物理学的魅力。而传统物理课程正是深深植根于物理学发展史，传统物理课程具有不可比拟的优势。

五、两种课程的协调处理建议

传统物理课程有着巨大的惯性思维，KPK则是物理教学现代化的先锋。正如物理学史上的每次革新一样，二者未必是一种非此即彼的零和关系，应是继承与发展的辩证关系。笔者建议，在目前阶段将KPK作为研究性学习、课题研究等开展的平台，逐步推进国内物理学界对其关注和讨论，以多种形式促进KPK的应用和完善。有理由相信，在新课改和新一轮高考改革的大潮下，KPK所包含的简洁物理思想和全新课程结构将被我们所吸收和消化，从而推进我国物理课程的改革，推进我国物理教学的现代化。

考虑到这套课程的普遍适用性，笔者慎重建议学术界放弃原来的具有纪念意义的名称——卡尔斯鲁厄物理课程，而改用更加一般的名称——标准物理课程，这会有助其推广。

【参考文献】

[1]陈敏华.德国卡尔斯鲁厄物理课程的结构和特色. 物理教学，2007（11）：56

[2]F.Herrmann G.Job（德国）著.吴国玢 译. 科学知识所背负的历史包袱. 国际物理教育通讯，2010（5），7

[3]F.Herrmann G.Job（德国）著. 陈敏华 译. 物理学的历史负担. 上海教育出版社，2014

（作者单位：浙江省杭州市萧山第十高级中学）