德国卡尔斯鲁厄物理课程中的类比教学

摘 要: 德国卡尔斯鲁厄物理课程运用了大量的类比方法来构建整套教材的主线,全新的物理思想和课程结构让人耳目一新。本文的目的在于介绍这套教材的类比教学,希望能对传统的物理课程改革起到启示作用。

关键词: 物理教学 类比 KPK

类比是物理学中常用的一种教学和学习方法,把已经熟知的事物(类比对象)类比为未知的事物(研究对象),然后根据两个对象之间存在着某种相类似的关系,利用逻辑推理的思考形式,从已知对象具有的某种性质推出未知对象具有相应的性质。奥苏贝尔强调,新的学习必须能与已有的认知结构中的旧经验取得关联,才是“有意义的学习”。他提出的比较性先行组织者就是运用类比的方法将新概念与认知结构中现存的旧概念作联接,以获得新知识。这种通过学生已有的旧经验来同化,调整新知识的学习方式,正好符合建构主义的基本主张。

物理学史上利用类比的方法对物理学作出杰出贡献的例子很多,比如1767年普利斯特列以非凡的洞察力领悟到电力可能与万有引力相似,都符合反比平方定律,这一点在1784年被库伦通过扭秤实验所验证;日本物理学家汤川秀树把核力和电磁力进行类比,认为电子间的相互作用是通过交换某种媒介粒子而间接地发生,从而提出核力的介子理论。在物理教学中,类比方法也是学习和科研的一种行之有效的重要手段。教师可把声波与光波、电磁振荡与简谐振动等进行类比,将已知的知识经过经验迁移,运用到未知的知识中,把它们联系起来从而发现新规律,推出新知识。

德国卡尔斯鲁厄物理课程(简称KPK)是一套全新的思维结构和教学方法的物理教材,此课程的特色之一就是采用了大量的类比方法重构了学生来自生活世界的概念。其中的类比方法按认知层次大致可以分为两类。

一、形式特征的类比

形式特征的类比主要在比较来源和目标两者的表面特征的相似性,从形式上建立一一对应关系,属于较低层次的认知。在KPK中把实物型量类比为实物,我们可以像处理实物(比如水、空气等)一样来处理这些量。这些实物型量包括质量、能量、电荷量、动量、角动量、熵等,它们都可以被想象为一种物质或液体。能量可以从一个物体传递到另一个物体上,在形式上具有流动性,因此我们就可以把能量看成流体来研究。

1.语言描述方面,我们可以说电荷量从A流到B或者说电荷量离开A到达B。例如,图1中电动机正在给电容器右边的极板做功,电场中左边极板的势能在增加。如果用实物型特性可以描述此过程为:“能量通过绳子和右边电容器极板流进电容器的电场。”图2中人拉绳子,使小车动量发生变化。我们可以说:“动量通过绳子流进小车。”像这样的日常生活中的语言对于没有学过物理的学生来说都是非常熟悉的,也便于理解。

2.概念表述方面,KPK依据已知概念形成的思维路径,构建了新的概念。例如生活中我们通常将能够完成液体或气体从低压处传输到高压处的工具叫做“泵”。在电学中,电源在能使电量从低电势流到高电势,就像水泵一样使水从低压处流动高压处,因此在KPK中电源叫做电泵。类似的,在力学和热学中把这样的泵叫做动量泵,角动量泵和热泵。在化学反应中叫做反应泵。再比如,表1通过形式上的转换把动量流和水流之间进行类比。

二、结构性特征上的类比

结构性特征的类比是根据来源于目标所潜存的属性特征或功能等相似性,进行关系的对应,属于高层次的认知。KPK物理课程是以实物型量为中心概念,用实物型量流来构建整个课程。“流”的思想贯穿着整套教材。

根据吉布斯基本方程式:dE=TdS+φdQ+vdp+μdn+…在数学结构上的变换得到能量在各分支学科的传递方程:P=TI+φI+vF+μI+…称之为能流方程。其中TI表示热能;φI表示电能;vF表示机械功;μI表示化学能。能量变化的形态取决于能量变化不为零的那一项,如果TI是唯一不为零的项,那么能量就以热的形式变化,这样方程就可以简化为:P=y・I。根据这种结构特征上的相似性,我们不但很容易看出物理学各分支学科的类比关系,而且把化学、信息学与近代物理的部分都统一在一个结构之中。任何一个物理过程都是能量流动的过程,而能量的流动总伴随着一个或一个以上的实物型量的流动。这些物理规律和结构重复出现在各个学科之中学生只需要学习一次,如要掌握可以较大程度地提高学习和教学的效率。

通过这种结构上的类比,便得到了简单而有效的能量传递的图像,如图3在KPK中把这种图叫做能流图,其中能量收发器是指在物理过程中可以提供或接收能量的装置。例如图4就是发动机工作的能流图。任何一个物理过程都可以通过类似的能流图来表示,从而在学生的头脑中把物理过程加以形象化。

类比方法符合人们的认识事物的规律,不仅可以把新的知识纳入到原有的知识中去,把抽象的概念变形象,变难为易,而且可以在学习知识的过程中举一反三、触类旁通。当然这种类比方法不能过度地使用,类比教学也是有限制的,在这里就不作具体说明。KPK通过大量的类比方法增加了学科之间的联系,进一步完善了物理学的知识体系,同时学生的知识迁移能力也得到了增强。这种课程的设计思想可以对我国的物理教材起到很好的启示作用,从而推动我国的物理教材的改革。

参考文献:

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[2]F.Herrmannand,G.Job著.陈敏华译.德国卡尔斯鲁厄物理课程――中学物理(1、2、3)[M].上海:上海教育出版社,2007,(9).

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[4]张恩德,吴江海,潮兴兵.德国KPK物理课程设计思想评述[J].物理教学探讨,2008.

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