（课程与教学论专业论文）德国kpk物理课程体系结构和教学探究.pdf

辽宁师范大学硕士学位论文 1 1 1 1 1 1 1 1i tlit i ii iii l l l l t l l l l l y 18 9 0 2 9 3 摘要 内容摘要：我国物理课程经历了多次改革及发展，但“现代一的物理教科书和1 9 世纪 初编写的教科书之间有很大的相似性。新旧知识不能理想的结合，使物理课程整体结构 的改组越来越难。而德国i l p k 教材以实物型量为中心概念，用实物型量的流来构建整个 课程结构。它让我们从新的视角看到了物理概念体系和全新的思维结构，对传统物理课 程有了新的认识。 本文综合运用了文献资料法、比较法、数理统计等研究方法，探究了德国k p k 教材 的课程体系与结构。深入探讨了k p k 教材的指导思想、知识结构、课程特色，并在此基 础上与我国初中物理教材进行了比较以及从认知心理学的角度进行探讨。本文意在k p k 教材的物理思想和课程文化能被我国所吸收和消化，实现物理教材的现代化、精简化、 综合化，从而对我国物理课程改革提供参考，起到启示作用。 关键词：物理课程结构；k p k 教材；实物型量 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 e x p l o r a t i o no fg e r m a n yk p kp h y s i t sc u r r i c u l u m 咖c t i 鹏a n dt e a c h i n g a b s t r a c t c o n t e n t ： g r e a tp r o g r e s sa n dr e f o r mh a sb e e nm a d ei nt h ef i e l do f p h y s i c sc u r r i c u l u mo fc h i n a b u t b e t w e e n m o d e m p h y s i c st e x t b o o k sa n dt h ee a r l y 19 也c e n t u r yt e x t b o o k sh a v eg r e a t s i m i l a r i t y i d e a lc o m b i n a t i o no fo l da n dn e wk n o w l e d g ec a l ln o tm a k et h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f p h y s i c sc u r r i c u l u mr e o r g a n i z em o r ed i f f i c u l t n ek a r l s r u h ep h y s i c sc o u r s eo fg e r m a n yt o s u b s t a n c e l i k eq u a n t i t ya sac e n t r a lc o n c e p ta n ds u b s t a n c e l i k eq u a n t i t yo ff l o wt ob u i l dt h e c o u r s es t r u c t u r e i tg i v e su san e wp e r s p e c t i v et os t h ep h y s i c sc o n c e p to fs y s t e ma n dt h e s t r u c t u r eo f n e w t h i n k i n g ，t h et r a d i t i o n a lp h y s i c sc u r r i c u l u mh a v ea n e w u n d e r s t a n d i n g t h r o u hu s i n gt h em e t h o do fl i t e r a t u r e ，c o m p a r i o na n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，e x p l o r e d s y s t e ma n ds t r u c t u r eo ft h ek a r l s r u h ep h y s i c sc o u r s e ，d i s c u s s e d i nd e p t ht h eg u i d i n g i d e o l o g y , k n o w l e d g ys t r u c t u r et h ec r r r i c u l u mf e a t u r e s ，鼢o u rh i g hs c h o o lp h y s i c st e x t b o o k s a r ec o m p a r e do nt h i sb a s i s ，a n dt a l ko v e rf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o g n i t i v ep s y c h o l o g y t h i s p a p e ri si n t e n d e dt ok p kt e a c h i n gi d e a sa n dc o u l e eo fp h y s i c a lc u l t u r ea n dd i g e s t i o nc a l lb e a b s o r b e d b y c h i n a t o a c h i e v em o d e r n i z a t i o no ft h e p h y s i c a l m a t e r i c a l s ， s t r e a m l i n g ，i n t e g r a t i o n , a n dh e l l sp r o v i d ear e f e r e n c eo fp h y s i c sc u r r i c u l u mr e f o r mt op l a ya r e v e l a t i o n k e yw r o d ：p h y s i c sc u r r i c u l u m ；k p k ；s u b s t a n c e l i k eq u a n t i t y i i 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 引言1 0 1 选题背景及意义1 0 2 国内外研究现状1 0 3 研究方法2 0 3 1 文献资料法2 o 3 2 比较研究法2 第一章德国k p k 物理课程的概述3 1 1 关于k p k 物理课程的开发历程3 1 2 德国k p k 物理课程的指导思想4 1 2 1 抛开历史负担，实现物理课程精简化4 1 2 2 实现物理课程的现代化6 第二章德国k p k 物理课程的知识结构特点7 2 1 教学大纲7 2 1 1 教学目标7 2 1 2 教学计划7 2 1 3 课时安排7 2 2k p k 物理课程的章节结构和主题结构8 2 3k p k 中学物理教材的课程结构1 4 2 3 1 物理学的结构1 4 2 3 2 新的概念结构及它们之间的关系1 6 2 4k p k 中学物理教材的课程特色1 7 2 4 1 实物模型1 7 2 4 2 概念替代1 8 2 4 3 重构了物理学与其他学科的内在联系2 0 2 4 4 章节结构特点2 1 2 4 5 自成一体的s i 单位结构2 2 第三章与中国人教版中学物理教材结构的比较2 4 3 1 教材的体系和结构比较2 4 3 1 1 整体结构的比较2 4 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 3 1 2 单元结构的比较2 6 3 1 3 知识内容安排比较2 7 3 2 学生活动和习题的比较2 8 3 3 教材的版面设计比较2 9 3 3 1 栏目设置的比较2 9 3 3 2 插图的比较2 9 3 4k p k 教材对我国教材编写及改革l 的启示3 0 第四章k p k 教材的思想方法3 1 4 1 大量运用知识的类比和迁移3 1 4 1 1 形式特征的类比3 1 4 1 2 结构特征上的类比3 2 4 2 统一物理教学法3 3 第五章从认知心理学的角度看k p k 教材3 5 5 1 采用物理模型的方法，建立物理概念、形成物理规律3 5 5 2 改变认知结构，促进知识的迁移3 6 5 2 1 改革教材内容，改进教材方式，促进迁移：3 6 5 2 2 重视类比分析，促进知识内化3 7 第六章对卡尔斯鲁厄物理课程的评价3 9 6 1 学生对物理学的自我概念( s e l f c o n c e p ti np h y s i c s ) 3 9 6 2 物理学的声望( p o p u l a r i t yo fp h y s i c s ) 4 0 6 3 学生对电学基本理论的理解4 0 6 4 物理课堂教学的元素4 l 结论4 2 ：注释4 4 参考文献4 5 致 谢一4 7 辽宁师范大学硕士论文 己i吉 了_ej 0 1 选题背景及意义 我国社会主义现代化建设进入改革开放的新时期以来，我国教育不仅传播和学习外 国先进的教育思想、教育观念、教育理论和教育方法等创造了前所未有的良好环境。改 革我国的物理教学体系，既要总结自己的历史经验，有要注意研究新的情况，解决新的 问题，善于解决国外的经验，才能创建具有中国特色的为社会主义现代化建设服务的物 理教学的理论和方法体系。我国物理课程已经进入了向科学化，现代化迈进的新起点， 而德国卡尔斯鲁厄物理课程是物理课程改革“推陈出新 的产物。 早在2 0 世纪8 0 年代，在德国卡尔斯鲁厄大学，以赫尔曼( f h e r r m a n n ) 为首的物理 教学研究所正在开发一门很有特色的物理课程，叫做卡尔斯鲁厄物理课程( d e r k a r l s r u h e rp h y s i k k u r s ，简称k p k ) 。这套适合于中学生的教材仅仅是他们所开发的教材 中的其中一套，还开发了一套大学水平的教材。更高水平的教材正在开发中。 这套中学教材经过试验阶段已经获得了很多的反馈意见，并且在每次的再版和开发中 对教材进行了修改和改进。通过三年的观察试验中，没有出现大的困难。在德国所在的 巴登一符腾堡州的几所学校已经使用了这套新概念的教材。从那以后，使用这一课程的 学校和教师的数量一直在稳步地增加。目前，卡尔斯鲁厄物理课程的一些理念已经被采 纳到官方指定的州学习标准中。 然而面对物理知识内容的不断增加，目前世界各国的中学物理教材也在不断的改革， 我们所需要的是以新视角去看物理的概念体系和全新的思维结构，而不是对物理教材的 删删减减。本文主要研究的是卡尔斯鲁厄中学物理课程的概念体系结构，希望为今后进 一步深化我国中学物理教材改革与发展提供参考。 0 2 国内外研究现状 在德国最早主持开发这一课程的是福尔克( g f a l k ) 教授，而福尔克所做工作的基础 是吉布斯的热力学理论。福尔克去世后，这套教材的开发工作主要由赫尔曼教授负责， 到现在为止，在德国已经有近万名学生使用了这套教材。它的中文版已经由陈敏华译， 在上海教育出版社出版。陈敏华先生为k p k 物理课程做了大量的工作，先后撰写了许多 有关论文，发表在国内外物理教育杂志上。2 0 0 7 年1 0 月1 4 日，德国卡尔斯鲁厄物理课 程研讨会在上海召开。在上海市教委教研室、上海教育出版社、德国久保基金会的共同 努力下，该课程的开发者、中文版译者和诸位专家学者济济一堂，共同探讨该课程的概 念与体系、特色与实践、教法与学法、历史与未来。目前，上海市教委已经研讨这套教 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 材的使用方案，准备把k p k 课程作为上海一些中学的拓展教材来使用。 0 3 研究方法 0 3 1 文献资料法 文献资料法是对各种资料进行查阅、整理、归来分析，从中得出客观结论的研究方法。 种方式，收集大量的相关材料；查阅了关于物理 两套教材的概念体系、课程结构及教学等方面进 2 辽宁师范大学硕士论文 第一章德国k p k 物理课程的概述 1 1 关于k p k 物理课程的开发历程 德国卡尔斯鲁厄大学福尔克教授是最早开发和规划k p k 课程的，并提出了许多观点。 福尔克教授去世后，主要由一直在这个大学物理教学研究所工作的赫尔曼教授负责。他 们开发的课程每一部分都是用相同的方式建立起来的。第一步工作是开发面向所有学生 的主题，不管他们以后学什么专业。然后，他们开发的内容更具体且面向大学物理系学 生的课程。当时一直没有开发初级水平的课程。 完成了大学课程的开发工作后，才开发较基础的课程。他们把大量的时间花在较为 低级的中学学生( 年龄大概在1 3 岁到1 6 岁的学生) 用的课程开发工作上。这项工作是 在1 9 8 5 年开始的，最先使用这套教材是赫尔曼教授和他的开发团队成员，这些人都具 备中学教师的职业资格，并长期在德国的一所中学上课。他们在这所学校使用了这套教 材的第一个版本之后，大约有2 0 为其他专业的教师运用了他们提供的资料进行了实验， 而且还提供了反馈意见，使得旧版本得到了改进，开发了新的版本。这些实验工作都是 在学校领导的严格监控下进行的。在三年的紧张实验中，没有发现大的问题。到1 9 9 4 年教育部准许任何学校将这套教材作为实验教材使用，教师们可以用这套教材代替官方 教材。这样第一步获得了成功。 第一个版本有肌i s 出版公司正式出版，在以后的几年中作了如下工作： 1 召开教师培训会； 2 在德国和国际物理杂志发表文章； 3 将教材翻译成意大利文和英文，部分内容被翻译成西班牙文和俄文； 4 工作受到了关注之后，现在已经作为教育系在培训教师时一个很好的讨论内容； 5 美国波士顿科学博物馆将k p k 物理课程挂到了网上； 6 到2 0 0 2 年，久保基金会成立一开始就资助了这个项目； 7 到2 0 0 4 年，获得了德国官方的新的教学课程、新的教学目标。这些内容中包含了 k p k 课程的最基本的观念； 8 最后，德国一些大的出版社受到了影响，相应的改变了他们的教材； 9 2 0 0 7 年9 月，该课程中文版由上海教育出版社正式出版；在上海市教委教研室的 支持和直接领导下，该教材已在上海市十余所重点学校实验。 1 0 2 0 0 7 年1 0 月1 4 日，德国卡尔斯物理课程研讨会在上海召开，在上海市教委教研 室、上海教育出版社、德国久保基金会的共同努力下，该课程的开发者、中文翻译者和 诸位专家学者济济一堂，共同探讨该课程的概念与体系、特色与实践、教法和学法、历 3 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 史与未来。 11 2 0 1 0 年8 月9- 1 3 日，f 赫尔曼教授与m 蒲立格先生在上海市教委教研室和上 海教育出版社的大力支持下，在上海市曹杨二中办了为期一周的培训，培训对象为即将 试用k p k 教材进行教学的一批物理教师u 。 1 2 德国k p k 物理课程的指导思想 k p k 在德国已经有二十多年的历史，蕴藏着丰富的、独特的物理思想和课程文化， 使人们对传统的物理课程有了新的认识。 1 2 1 抛开历史负担，实现物理课程精简化 k p k 教材并不像一般教材那样把新知识“点缀在1 9 世纪就盖好的“物理学大厦 上，而是将新知识内容进行重组，找到一条简约的路，从而减轻学生的负担。近百年来 人们一直不愿意抛弃已经在头脑里根深蒂固的经典物理概念，也不愿意改变传统的物理 结构，结果使中学物理课程的内容越来越多。纵观物理学的发展历程，经历了错综复杂 的道路，尽管存在着更容易到达相同目标的捷径，但是在各国的实际物理课程中，我们 还是在教学中把这条复杂的道路强加在学生的学习过程中。不难看出现代物理教材和传 统的物理教材有很大的相似性，2 0 世纪物理学的发展新成果被看做成经典物理学附加的 东西，教材的新旧知识不能完美的、理想的融合，其结果导致人们会认为新知识在本质 上仍属于旧知识，因而不会对旧的核心内容提出质疑，整体结构的重大改组变得愈加愈 难。 开发k p k 物理课程的目的就是为了使物理教育更现代化和精简化。为了达到这一目 标，研究k p k 的专家在这方面做出了极大的努力，来将这些历史负担从物理教学大纲中 消除。在这套教材中，物理学的各个不同的领域用相同的观点呈现出来，这种观点使学 习变得更加经济。相同的规律和结构重复出现在力学、电学、和热力学中，也不同程度 地出现在光学、声学和电子学中。9 2 k 选择一种统一的科学教学，把现代物理学和经典 物理学中属于同类物理量进行统一教学，这些普遍的规律我们只要学习一次，使学生在 有限的时间和精力下迅速的从经典学到现代物理总体上提高了教育的效率瞄。 这种方法之所以能够使教学更精简化，是因为这种方法比通常的方法更多地考虑了 物理学的现代发展的情况。2 0 世纪的物理学不但给我们带来了新的和越来越难的理论， 而且还告诉我们经典物理学比以前认为的更为简单。我们可以用一个例子来说明这一 点。 实例：( 1 ) 超距作用 4 辽宁师范大学硕士论文 我们今天所教的力学总体上是与牛顿所给出的形式相同；超距作用理论。力学教学 通常从牛顿力学开始，也就是说以牛顿的力学观为基础。牛顿力学观的基本特点之一是： 客观世界中存在着超距作用。在这样的教学中对于超距作用的表述形式往往可能是直接 告诉学生：搿物体a 对作用于物体b 一个力一时，我们没有提及在它们之间的介质。在 电和磁的现象中，我们仍然把电和磁说成是超距作用。 自麦克斯韦理论问世以来，场论所获得的巨大成功使人们深信超距作用并不是一种 描述力学相互作用的适合模型。在k p k 物理课程中的处理方法是；用动量流的概念来描 述力学现象。 ( 2 ) 牛顿三大力学定律 从现在物理学的观点来看，牛顿的三大力学定律归根结底就是动量守恒原理的另一 种表示而已。其中，牛顿第一定律和第三定律只是动量守恒在两种特殊情况下的表述。 如果用k p k 物理课程中动量流的方法来表述，那么就会变得十分简明了。( 见表1 1 ) 表1 1 用动量流的图像来表述牛顿定律 传统的表述用动量流的图像表述 一切物体在不受外力作用时，如果没有动量流流入或流出 牛顿第一定律总保持相对静止或匀速直线物体，那么物体的动量将保持 运动状态不变 物体的加速度和物理所受的 物体动量的变化率d p d t 等 牛顿第二定律合外力成正比，跟物体的质量于流入该物体的动量的变化 成反比，加速度的方向和合外 率，即动量流f = d p d t 力的方向相同 两个物体之间作用力和反作如果有动量流从物体a 流出， 牛顿第三定律用力，作用在同一条直线上，并流入物体b ，则从a 流出的 大小相等，方向相反 动量流强度和流入b 的动量 流强度相同 实际上，在k p k 物理课程中，一开始就引入了动量守恒的概念。这样牛顿定律的内 容就会顺理成章，把动量流作为力的同义词，使牛顿三大定律的真实含义更通俗易懂。 ( 3 ) 能量形态 我们通常说，能量以各种不同的形式出现，包括动能和势能，电能和化学能，热能， 功及其他形式，并且在物理过程中由一种形态转变为另一种形态。但是，仔细分析一下 我们会发现，用能量形态这一概念来研究问题并不是十分恰当的，在概念上有可能会造 5 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 成误解。 人们也往往不能合理地去区分储藏起来的能量和流动着的能量的各种分类方法。例 如，在一个氧分子所含的能量中，你能说清楚那一部分是机械能、热能、化学能、电能， 哪一部分是动能或势能吗? 哪一部分是有序的能量，那一部分又是无序的能量? 其实， 从形式上区分能量是完全没有必要的，区分能量的形式就像区分水的不同形态：雨水、 海水、饮用水、自来水、矿泉水以及废水等。水的这些分类或者不同形态并不能说明水 本身有任何不同。它们透露给我们的只不过是有关水的一些附加信息；水的用途，来自 何处，以何种方式输出等。能量的情况与此完全相同，被称为动能的原因并非能量本身 有何特殊，而是因为随着或携带着该能量的是动量；被称作热量也是因为伴随该能量的 是熵所以产生的错差实质上就是把那些本来属于动量、熵或其他物质量的性质误认为 能量的属性u 。 最好的解决办法是彻底放弃能量形态这种说法，必须用一个更适合的概念来代替。 能量不是从一种形式转换成另一种形式，而是改变了它的携带者。这样，我们就得到了 一个严格有效的、简单而容易的、甚至能在初等水平的学生介绍的关于能量传递过程图 像。 1 2 2 实现物理课程的现代化 近几年来，面对越来越多的物理研究成果和社会对学生日益高涨的科学素养的要求， 加快实现物理课程的现代化是今后几十年内物理课程改革的必要举措。 k p k 物理课程在加快实现课程内容的现代化方面做了大量的工作，它把物理学部分 研究成果更早的进入了中学物理课程。目前初中阶段的k p k 物理课程涵盖了大量在高中 阶段，甚至大学物理课程中出现的概念和定理，如；回路定理、质心、角动量、相对论、 粒子和反粒子等。许多与信息和通讯技术的快速发展相联系的主题被补充到物理课程 中。在这一过程中，通常我们忽视了这样一个事实，即这些主题所涉及的不仅仅是新的 电子仪器在物理学中，信息传输和信息处理具有更普通的处理方法。德国k p k 物理课 程对实现物理课程内容的现代化的做法可以归纳为：通过物理概念和物理课程思想的结 构化实现课程的精简化；通过物理课程的精简化加快实现课程内容的现代化；在内容的 现代化中进一步实现课程的综合化。 6 辽宁师范大学硕士论文 第二章德国k p k 物理课程的知识结构特点 德国k p k 物理课程改变了传统的物理知识的体系结构，注重现代物理知识与传统的 统一建构。教材内容是基于不同水平的物理课程具有相同的课程结构的特点，找到了一 种适合不同年级学生的新的物理教学方法，一条简约的路。使学生不再为繁琐复杂的物 理概念所累。它为物理课程的改革开辟了一条新的路。 2 1 教学大纲 2 1 1 教学目标 ( 1 ) 使学生掌握“自然和社会现象都是能量及其携带者流动的过程这一普遍规律， 并能运用这一规律分析和解决社会中的能量问题。 ( 2 ) 使学生理解“信息的传递借助于能量及其携带者的流动 这一规律，并能运用 这一规律分析社会中的信息问题。 ( 3 ) 培养学生综合分析自然和社会问题的能力。 ( 4 ) 让学生尽早学到一些与他们今后的社会生活有关的现代科学技术知识，掌握一 些现代科学技术的新概念和新理论o 2 1 2 教学计划 在初三年级以文化选修课的形式开设；每周授课一课时，二学期共授课3 8 学时( 包 括复习、考试) 。在高中以研究性学习的形式开设；每学期确定一个研究性课题，用每 周一课时的时间指导学生进行研究。 2 1 3 课时安排 初中3 8 课时： 第一章能量及其携带者 第一节能量( 1 课时) 第二节能量和能源接收器( 2 课时) 第三节能量收发器( 1 课时) 第四节能流( 1 课时) 复习1 课时，机动1 课时，第一章共7 课时。 第二章信息及其携带者 ， 第一节信息传递( 1 课时) 第二节信息量( 1 课时) 7 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 第三节信息储存器( 1 课时) 第四节信息流( 1 课时) 复习1 课时，机动l 课时，第二章共6 课时。 第三章社会中的能量系统 第一节光和能量( 1 课时) 第二节熵和能量( 3 课时) 第三节动量和能量( 3 课时) 第四节电和能量( 2 课时) 复习2 课时，机动1 课时，第三章共1 2 课时。 第四章社会中的信息系统 第一节无线电波和信息( 2 课时) 第二节电和信息( 2 课时) 2 2k p k 物理课程的章节结构和主题结构 k p k 中学物理课程全书共有三册，分1 2 个主题共3 2 章，涉及到力学、电学、热 力学、磁学、光学、声学、相对论、原子物理学以及信息学、化学等其他学科。如表 ( 2 1 ) 中学物理1 ： 主题章节小节 1 1 能量1 3 能量收发器 能量1 能量和能量携带者 1 2 能源和能量收发器1 4 能流 2 1 压强2 5 流的强度 2 2 大气压、压强差、真2 6 流和驱动力 流 空 8 辽宁师范大学硕士论文 2 液体和气体的流动2 3 驱动气流或液流的 2 7 流和阻力 压强差 2 4 泵 2 8 液压能量传递 3 1 物理量 3 9 动量流路 3 2 动量和速度3 1 0 动量流强度 3 3 动量泵3 1 1 力 3 4 动量的导体和绝缘3 1 2 测量动量流 体 3 5 开车和刹车3 1 3 动量流的破 3 动量和动量流 坏性 3 6 平衡状态3 1 4 速度 3 7 动量流的方向3 1 5 动量、质量和 速度之间的关系 3 8 压缩和拉伸的状态 3 1 6s i 的单位 4 1 竖直运动 4 6 失重 4 1 万有引力4 7 物质的密度 4 3 地球的引力由什么4 8 物体何时沉浮 4 引力场 决定 4 4 自由落体运动4 9 液体和气体的 4 5 考虑摩擦的落体运压强和深度之间 动的关系 5 动量和能量5 1 动量是能量携带者5 3 能量和动量的 动 5 2 机械能的储存 复杂路径 6 1 矢量6 5 轮子 量 6 2 流的方向和流动着6 6 绳子 6 动量和矢量的量的方向 6 3 矢量相加6 7 动量流的节点 6 4 卫星、月亮和行星定理 7 1 滑轮和滑轮组7 5 质心 9 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 7 力矩和质心7 2 滑轮组的能量平衡 7 6 稳定平衡 7 杠杆原理37 7 质心和能量 7 4 平衡 8 1 角动量和角速度8 4 角动量导体 8 角动量和角动量流8 ，2 角动量泵 8 5 角动量流路 8 3 飞轮8 6 角动量是能量 携带者 9 1 压强和动量流之间9 6 较复杂的容器 的关系 9 2 在三个方向上的应9 7 浮力 9 压缩和拉伸状态力状态 9 3 液体和气体中的压 9 8 气体和液体中 强的拉伸状态 9 4 密度 9 9 能量的液压传 9 5 流体静压强 递 1 0 1 熵和温度1 0 5 熵的产生 l o 2 温度差：熵流的驱1 0 6 熵流 1 0 熵和熵流动力 1 0 3 热泵1 0 7 热阻 1 0 4 绝对温度 1 0 8 通过对流传 递熵 1 1 1 熵是能量携带者1 1 5 热机的熵源 1 1 2 能流和熵流之间的1 1 6 能耗 熵 关系 1 1 熵和能量 1 1 3 熵流中的熵产生1 1 7 熵容和温度 之间的关系 1 1 4 热机1 1 8 能量增加和 温度变化之间的 关系 1 2 相变 1 2 1 相变1 2 3 在自然和工 1 2 2 沸腾和蒸发程中的相变 1 0 辽宁师范大学硕士论文 1 3 气体1 3 1 气体和凝聚态物质1 3 4 为什么地球 表面的空气温度 随高度升高而降 低 1 3 2 气体的热学性质1 3 5 热对流 1 3 3 热机的运行模式 1 4 光1 4 1 真空中的熵传递1 4 4 光的温度 1 4 2 光的种类1 4 5 地球上的熵 和能量的平衡 1 4 3 用光传递熵和能量1 4 6 温室效应 中学物理2 ： 主题章节小节 1 5 1 信息传递1 5 4 信息流 信息1 5 信息和信息携带者1 5 2 信息量1 5 5 信息储存 1 5 3 信息传递举例 1 6 1 电路1 6 7 应用 1 6 2 电流1 6 8 电阻 1 6 3 节点定理1 6 9 短路和保险丝 1 6 电和电流 1 6 4 电势1 6 1 0 交流电 1 6 5 电势的零点1 6 1 1 电流的危险性 1 6 6 驱动力和流 电 1 7 电和能量1 7 1 电是能量携带者1 7 2 传输电阻 1 8 1 用磁铁和钉子做 1 8 1 0 电磁铁 几个简单的实验 1 8 2 磁极1 8 1 1 电动机 1 8 3 磁力线1 8 1 2 地磁场 1 8 4 磁场1 8 1 3 电磁感应 1 8 5 磁场的图不 1 8 1 4 发电机 1 8 6 磁力线和磁场线1 8 1 5 变压器 1 8 磁场 1 8 7 磁场和物质1 8 1 6 感应电流的磁 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 场 1 8 8 磁场能1 8 1 7 超导体 1 8 9 电流和磁场 1 9 1 电荷和电荷携带1 9 5 电容器 者 1 9 静电学 1 9 2 电流和电荷携带1 9 6 电容 者的流 1 9 3 电荷的积累1 9 7 阴极射线管 1 9 4 电场1 9 8 大气层中的点 2 0 信息系统技术2 0 1 放大器2 0 3 信息量的一般 2 0 2 信息处理定义 2 1 1 光源 2 1 6 平面镜 2 1 2 光的特性2 1 7 抛物柱面镜 2 1 光2 1 - 3 当光遇到物质时 2 1 8 光的折射 2 1 4 漫射光和相干光 2 1 9 三棱镜 2 1 5 反射定律 2 1 1 0 全反射 2 2 1 什么是像2 2 1 0 物镜 2 2 2 针孔照相机2 2 1 1 照相机 2 2 3 物和像的大小之2 2 1 2 眼睛 间的关系 光 2 2 4 改进针孔照相机2 2 1 3 眼睛和放大镜 2 2 5 透镜2 2 1 4 幻灯机和投影 2 2 光学成像 仪 2 2 6 透镜成像2 2 1 5 电影摄像机、 电影放映机、电视摄 像机 2 2 7 焦距和屈光率2 2 1 6 显微镜 2 2 8 透镜组 2 2 1 7 望远镜 2 2 9 场深度2 2 1 8 天文望远镜 2 3 1 三维颜色空间2 3 4 再论颜色空间 2 3 颜色2 3 2 混合光 2 3 5 光谱 1 2 辽宁师范大学硕士论文 中学物理3 ： 主题章节小节 2 4 1 物质的量和物质2 4 4 化学势 2 4 反应速率和化学势的流 2 4 2 转化和转化速率2 4 5 反应阻力 反应2 4 3 化学势 2 5 物质的量和能量2 5 i 反应泵2 5 3 反向反应泵 2 5 2 转化速率和能流 2 6 反应的热平衡2 6 1 化学反应中的熵 2 6 2 化学反应中的熵 产生平衡 质量和能 2 7 1 质量是能量2 7 3 质量具有能量的 量2 7 相对论2 7 2 能量具有质量的特性 特性 2 8 1 波的携带者2 8 6 波速、频率和波 长之间的关系 2 8 波2 8 2 用波传输能量2 8 7 声波 2 8 3 波速2 8 8 电磁波 声波、电 2 8 4 振动2 8 9 驻波一波的干涉 磁波、光 2 8 5 正弦波 子 2 9 1 光化反应2 9 4 光子的能量和动 2 9 光子量 2 9 2 光子2 9 5 光化反应的细节 2 9 3 光子的大小2 9 6 光子和干涉 3 0 1 原子结构3 0 6 激发态的半寿期 3 0 2 原子壳层的大小3 0 7 用电子激发原子 3 0 原子和密度 3 0 3 原子的不同状态3 0 8 气体光源 3 0 4 用光子激发原子3 0 9 气体光谱 1 3 学势， 辽宁师范大学硕士论文 涵量( i n t e n s i v eq u a n t i t y ) ( t ，巾，v ，l l ) 决定了当广延量变化时能量变化的强度。 对于每一个过程我们都写出一个吉布斯基本方程式。现在我们可以想象，任何形 态的能量变化y d x 导致产生量x 的流，这个流从所考虑的系统中流进或者流出。因此， 能流写成下面的式子： p = t i s + 由i + v f + l ii n + ( 2 2 ) 方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) 给出来物理学的系统结构。这两个方程的右边分别具有相同 的结构y d x 和y i x ，其中y 是内涵量，x 广延量( 即实物型量) ，i x 表示x 的流。显然， 每一项y d x 和y i x 属于物理学几个主要的分支，因为每一项只包含象征一个分支领域的 量。如表( 2 2 ) 给出了这种分类。 表( 2 2 ) 各个分支学科在e p k 课程中的整合 广延量流内涵量 力学动量p力f速度v 电学电荷量q电流i电势巾 热力学熵s熵流i s温度t 化学物质的量n物质的量流i n化学势u 如果方程( 2 2 ) 的右边只有一项不为零，方程就简化为： p = y i x 这个关系式描述了属于相应的物理学分支的能量传递。 表( 2 2 ) 所给出的变换形成了物理学各分支学科之间的类比基础，这一基础的意 义比刚看到时所想象的要深远得多。我们可以对物理量、关系、过程、想象和仪器从一 个领域到另一个领域进行变换。这种数学结构的变换要求我们在不同的物理学领域应用 相同的模型和思维表达方式。这套课本将较多利用这种可能性。这里所介绍的物理教学 的简化方法大部分建立在这一类比的基础上。 我们已经发现，在表( 2 2 ) 所列出的物理学分支学科中，有两个实物型量起着重 要的作用。一个是能量，另外一个是有关物理学分支的量。我们发现，在力学中这两个 实物型量是能量和动量。在热力学中，它们是能量和熵；在化学中，它们是能量和物质 的量。 虽然热力学的两个实物型量能量和熵已经出现1 0 0 多年了，但今天的教师们仍然试 图不用熵来尽可能多的教热力学。令人畏惧的热力学传统结构是产生这一现象的原因。 1 5 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 表( 2 2 ) 表明，热力学的这种描述相当于电学中没有电荷量和电流或力学中没有动量 和力一样。 我们以前的观察表明，能量在物理学中扮演着超常的角色。能量在力学、热力学和 电学中的作用一样重要。有趣的是，还有一个量也履行了这样一个职能：信息量。正像 能量传递可以根据能量携带者来分类，信息传递也可以根据信息携带者。 2 3 2 新的概念结构及它们之间的关系 在经典物理和现代物理学中，广延量都起到了非常重要的作用。在k p k 物理课程中， 广延量包含在一个系统中，并能从一个系统流到另一个系统。以它为中心概念，不断的 整合新的内容，构建了整个课程的概念结构。下面列出了在k p k 中学物理课程中所涉及 到的最重要的量： a 广延量( 实物型量) ：能量e 、动量p 、角动量l 、电荷量q 、熵s 、物质的量n 、信息 量h b 内涵量：速度v 、电势由、温度t 、压强p 、化学势p c 流：能流( = 功率) p 、动量流( = 力) f 、电流i 、熵流i s 物质的量流i n 、信息流 i 另外，还将引入一些不属于上述三类的量，它们包括：位移、时间、 一些材料的常数和一些表征技术设备的量( 如劲度系数d 、电阻r 和电容c ) 。这些量的 数学表达式可以根据它们的结构来分类。 表( 2 3 ) k p k 课程概念意义网络 量和流之间的关系能流和携带者流之间的容量阻力 关系 f = p t p = v f m = p v只有定性的关系 i = q t p - u ic = q ur - u i i s = s t p = t i ss t只有定性的关系 i n = n t p = ( 1 i2 一| i1 ) i n没有作相应的处只有定性的关系 理 表( 2 3 ) 第一列中的方程描述了实物型量的时间变化率和它的流之间的关系。实际上， 实物型量和时间的商应该用微商来代替。由于这个原因，这些方程只有当相应的流不随 时间而变时才成立。下面方程属于这类关系式： 一 p = e t ；i f h t 1 6 辽宁师范大学硕士论文 表中第二列中的关系式描述了能流和伴随能流一起流动的实物型量的流之间的关 系。这些方程的形式与方程：y i x 的形式相同。它们确定了内涵量的大小( 确定了这些 量之间的倍数关系) 。第三列的商通常叫做容量( c a p a c i t a n c e ) 。因为它们与电容具有 相同的结构。例如，物体的质量可以被理解为动量容( m o m e n t u mc a p a - c i t a n c e ) 。在 给定的速度下。物体的质量越大，它含有的动量就越多。对于熵容( e n t r o p yc a p a c i t a n c e ) s t 通常没有符号，尽管它是一个技术上很重要的量。它是物体热储存能力的量度。 k p k 课程中新的概念与原来的概念保持着某种连续性，又给予了新的特征咧。以实 物型量为例有以下特点： 1 实物型量不一定是守恒的，它是比守恒量范围更广的概念。应该明确的是守恒 与不守恒的问题只有对实物型量才有意义。 2 实物型量也不一定是标量，它的值指空间某区域的量。 3 每一个实物型量都有另一个属于它的量，这个量可以被解释为流。 4 实物型量是可加的，流也是可加的。 新概念体系的建立必定会有一些旧概念的淘汰，这种事物的更替是不可避免的，在 k p k 教材里，这种概念被弱化或者被淘汰的例子很多，如“能量形态一、“热一、“功 等。 但是还有一些原有的概念得到了进一步的强化，如“熵 、“能量 等概念。 2 4k p k 中学物理教材的课程特色 编写这套教材的目的之一就是为了解决多年来物理知识量在不断的增加，而在实际 教学中物理课时有限，为了缓解这个矛盾，i c p k 物理教材在知识结构方面具有独特的课 程特色。 2 4 1 实物模型 牛顿力学中的基本物理量是力、位移、速度、质量，能量只不过是质点运动过程中 的一个恒量，动量只不过是质量和速度的乘积，是为了在计算上的方便。而量子力学中 的基本物理量是能量、动量、角动量等。与牛顿力学中描述运动规律的物理量不同。 在量子力学中，能量和动量可以量子化，而牛顿力学中构成能量和动量的物理量却不可 以量子化( 如速度和力) 。 有一类物理量，它们容易被形象地描述和理解叫做实物型量( f a l k1 9 7 7 ，f a l k 1 9 7 9 ，s c h m i d1 9 8 4 ) 。这些量包括质量、能量、电荷量、动量、角动量、熵等。这些量 都可以被想象为一种物质或液体，甚至把场也类比为实物。这些量有一个共同的特点就 是：都可以看作是包含在一个物理系统中，并能从一个系统流到另一个系统。这样，他 们运用实物型物理量的概念，建立了一种实物模型。在实物模型中，我们可以用系统的 1 7 德国k p k 物理课程体系结构与教学探究 方法来研究某一系统中这些实物型量的流入或流出。将教给学生分析某一系统的一般方 法：分析流入或流出该系统的能量和能量携带者是什么? 流入或流出该系统的信息和信 息携带者是什么? 画出这一系统的能量和信息的传递结构，即能流图( e n e r g yf l o w d i a g r a m ) 和信息流图( d a t af l o wd i a g r a m ) 。比如图2 1 是二个中央加热单元的一 部分。水在锅炉里加热，锅炉通常装在地下室里。加热后的水用泵加压后通过管子流到 各个热辐射器中。我们把锅炉叫做能源( e n e r g ys o u r c e ) ，把热辐射器叫做能量接收器 ( e n e r g yr e c e i v e r ) 。 图2 1 能量和能量携带者一起从锅炉流到热辐射器 图2 2图2 1 的能流图 这些广延量在经典物理和现代物理都扮演者基本的角色，而k p k 物理用实物模型的 方式表现出来，使学生在头脑中更形象描述了事物发生的全过程。实物模型贯穿着整个 k p k 物理，起到了穿针引线的作用。 2 4 2 概念替代 当今世界的科学知识量迅猛增长，同时也像生物进化一样在不断的发展，因而，用 新的概念来代替旧的概念或者产生新的概念以做出相应的调整，这样才能简化科学教 育。 ( 1 ) 用“动量流 代替“力” 传统的物理教学都把力作为重点内容和中心内容来讲，对于一个问题如果它能够用 力的方面来解释，我们就说这个问题大致上理解了：因而，宇宙描述为粒子之间的相互 作用。对于物理量f ，它的动量流这一名称是在2 0 世纪初才开始有的，不过在牛顿时代 (