动量流与熵流——关于德国KPK物理课程的学习，本文主要内容关键词为：动量论文,德国论文,物理论文,课程论文,KPK论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、中学物理尴尬的改变
物理学是一门既古老又日新月异的学科，近现代物理学家更是硕果累累，用自己的才智给世人创造了不可估量的财富。然而目前世界各国的中学物理教材都是从牛顿的经典物理开始，不断增加一些新内容，使学生不堪重负，对物理望而生畏，若是继续蔓延下去，物理学或将后继乏人。
物理知识的总量在不断地增加，而物理的学习时间基本保持不变甚至还有所减少，要让学生能学好、爱上物理的难度确实是越来越大。过去也经常被人问起：你们物理学发展很快，对科技的贡献也很大，怎么学生到今天也还是在学N年前的牛顿，还是力啦力的，总不见新鲜的现代物理呢？我也常常觉得自己的解释很苍白。
现代物理不应该是物理专业中少数人的专利，现代物理怎样才能走进中学课堂？要怎样才能让中学生都了解呢？在彷徨中等待，在等待中期盼，终于有了一本让人眼睛一亮的中学物理教材，也是一本完全颠覆传统物理知识体系的教材。德国卡尔斯鲁厄物理课程（Der Karlsruher Physikkurs，简称KPK；英译为Karlsruhe Physics Course，简称KPC）是一套令人惊叹的中学物理教材！全新的思维结构，全新的物理教学方法。
物理学发展历史是一条错综复杂的道路，KPK倡导教学不能把这种复杂的道路仍然加给学生，而是要选择一种统一的科学教学，将经典物理学和现代物理学中属于同类物理量的内容进行统一教学，使学生在有限的时间内迅速从经典物理学到现代物理。KPK的这种改革改变了中学物理所面临的一种尴尬。
二、KPK课程的“核心”
KPK的课程结构是全新的。能量、动量、电荷量和熵都是物质型物理量，这些量可以被看作包含在一个物理系统中，并能从一个系统流到另一个系统。KPK以这些物质型量为中心概念，用物质型量的流来构建整个课程结构，如用动量流代替力，用能量载体代替能量形态。它不但把物理学各分支学科综合在这个统一的结构内，而且还把化学、信息学和近代物理的部分内容整合在这一结构中。体现在这一结构中的一些新概念（如动量流、熵流、能量载体等）使我们能够以一种新的眼光来看待传统的物理课程的不足，从而坚定进行物理课程改革的信心。
1.在KPK中，采用广延量作为基本概念
包括：质量、能量、物质的量、动量、角动量和熵。当这些广延量作为构建物理的课程基础时，就运用各分支学科间的类比关系。首先，电荷量、动量、熵和物质的量这些广延量相互存在对应关系。其次，电势、速度、绝对温度和化学势这些内涵量也相互存在对应关系。对于每一个广延量存在着相应的流：电流、动量流（即力）、熵流和物质的量流。
例如：“力通过绳子作用在小车上，使小车的动量发生变化。”在承认动量的物质型特性以后，我们可以这样来描述上述现象：“动量通过绳子流进小车”。
2.物理学各分支学科和化学的量的变换
续表
3.用广延量(extensive quantity)，即物质型物理量(substance-like quantity)和内涵量(intensive quantity)来构建流和势的框架
不但把物理学的各分支学科（力学、电学、热学等）综合在这个统一的框架内，而且把化学、信息学和近代物理的部分内容整合在这一结构中。一个物理学分支学科的知识为其他分支学科（包括化学和生物学）提供了一种类比(analogy)方法。更重要的是采用全新的概念来表述物理规律。例如：
(1)用动量流代替力
传统的力学总体上与牛顿所给出的形式相同：超距作用理论。例如，我们在说“物体A作用给物体B一个力”时，我们没有提及在它们之间的介质（如弹簧或场）。传统的物理课程将力定义为“物体间的相互作用”。学生对这个定义的理解是模糊的，也不知道这种相互作用的具体内容是什么。
虽然F作为动量流这点几乎在一百年前就被认识了，但这一概念还没有在中学物理课程中建立起来。人们没有认识到这一概念可以被初学者所理解。在广义相对论中，明确地把动量定义为一个独立的量，这样使电磁场这种物质的动量密度可统一表达了。在KPK课程中，力学是以研究物质型量——动量和动量流为其特点的，明确用动量流来代替传统的力的概念。下表给出了KPK用动量流的语言所表述的牛顿定律。
传统的表述用动量流表述
如果没有力作用如果没有动量流流
牛顿第一定律 在物体上，物体将 入或流出物体，物
保持静止或做匀体的动量将保持不
速直线运动。 变。
一个物体的动量一个物体的动量的
的时间变化率dp/ 时间变化率dp/dt
牛顿第二定律 dt等于作用在物等于流入这个物体
体上的力F: 的动量流F:
F=dp/dt
F=dp/dt
如果物体A将力如果动量流从物体
F作用在物体B A流出，并流入物
牛顿第三定律 上，则物体B将大
体B，则从A流出
小相等、方向相反
的动量流强度和流
的力F作用在物 入B的动量流强度
体A上。
相同。
根据F=dp/dt，我们可以说传统的力等于动量流；但我们不能说传统的力就是动量流。传统的力和动量流还是有区别的。例如，人在太空中和坐在椅子上这两种情况中，受的合外力都为零，但在这两种情况中的感觉是不同的。在太空中没有合力作用在人体上，也没有动量流过人体；而在椅子上虽然没有合力作用在人体上，但有动量流过人体，因而人能感觉到动量的流动。其实，我们能感觉到的不是力，而是动量流。如果不引入动量流的概念，学生就会对一些常见的力学现象感到疑惑。
下面看KPK对失重现象的分析：
图a中这个人想了三个办法都没有摆脱体重这一负担，总是感觉到动量通过引力场流入他的全身，又从他的身体导出，流回接触点（大地或横杆）。下面就站立的人为研究对象。先画出站在地面上的人的动量流图（图b），动量从引力场流入人体，再从人体流入大地。
图c是一个人体模型，他由上半身和下半身组成，流过下面的物块的底部的动量流是流过上面的物块的底部的两倍。
图d（见下页）表示自由落体处于失重状态的动量流图，在物体内部没有动量流在流动。这时，动量没有流过这个人体模型，所以，他处于失重状态。
(2)用熵代替热量
熵在热学中扮演着与电荷量在电学中以及动量在力学中相同的角色，熵流在热学中的作用与电流在电学中和动量流在力学中一样重要。KPK从熵开始展开对热学现象的分析。大家都知道，熵是一个难以理解的概念。正因为这个原因，熵在中学物理课程中是一个被回避的概念。在中学物理课程中，即使出现熵这个概念，也只简单地作一介绍，没有把它作为一个中心概念来处理。在KPK中，既没有用克劳修斯的方法来引入熵，也没有用统计的方法来引入熵，而是把熵看成为与热量的日常概念相一致的概念。熵是能量载体，熵可以产生，但不能消失。熵会自动地从高温的地方流到低温的地方。熵流强度=
。温度差是熵流的驱动力。熵流总伴随着能流，热泵(heat pump)能驱动熵和能量的流动。
(3)“流”的思想成为规律和结构
一个闭合的动量流回路
根据上面所给出的KPK课程结构我们很容易知道，对于不同的物理过程（力的过程、电的过程、热的过程等），我们可以根据不同过程中相应的物质型物理量的增加、减少和流动来写出相同形式的表达式。在KPK的力学课程中，有和电学课程中相似的概念，如动量流、动量流路、动量导体和动量绝缘体。在动量导体中，只要有速度差，动量就能从一个物体流到另一个物体，形成动量流。弹簧不但能测出动量流的大小，还能显示动量流的方向。上图用弹簧显示了一个闭合的动量流回路，上、下两个弹簧分别显示了朝不同方向流动的动量流。在传统的物理课程中，只有电学具有这种以物质型物理量的流所形成的结构。
通过KPK，我们发现相同的规律和结构重复出现在电磁学、力学、热学和化学中，也不同程度地出现在光学、声学和电子学中。使用KPK，只要学生掌握了某一分支学科的规律和结构，这些普遍的规律也只需学习一次，学生就可以通过类比将这种规律和结构迁移到其他分支学科中，有利于学生对知识进行类比和迁移。
三、KPK课程的理论支撑
课程改革的目的之一是寻求适切的知识形式，以帮助建构学生适应性发展的心智结构。认知结构的建立需要外在知识结构的内化，其内化过程，又依赖于这种知识结构的组织形态，知识愈结构化，学习效能愈高。知识结构建立在核心概念或重大主题(big idea)基础上。
儿童在进入学校前，拥有两种物理学经验，即“原始动力学”和“外行动力学”。儿童的原始物理学是在家中尝试和学习的结果，例如站在高处扔东西，在地板上踢东西，或推着椅子走，看有什么样的现象发生？这种学习不需运用语言，大部分儿童最初的“物质理论”都是由这种日常的原始物理学所组成。第二种是一般非专业人员所表现出的外行动力学。这些非专业人员是儿童最常接触到的成人，包括其父母亲戚。此外，儿童也通过电子媒体和书籍来学习物理学知识。
进入学校后，学生才逐渐接触“物理学家的动力学”，主要是牛顿力学的各种不同知识。对初学者来说，这种专家的物理学，看起来像个陌生的世界，或者说，这些知识构造了一个陌生的世界，充满了无摩擦的斜坡和滑轮、重力场、质点等。这是一个不同于日常世界的由概念和数学建立起来的超结构。
建构主义要求关注学生的“先前概念”，德国KPK的课程改变了物理知识的体系结构，注重现代物理知识与传统的统一构建，关注学生的日常经验不是建立一种经验课程，关注日常经验绝不是将科学知识生活经验化，而是对学生的日常经验进行科学的重构。物理学的课程改革如同新建家园，若没有舍弃、没有新“家当”，则难以体现“小康和富裕”，要使学生的物理意识和物理水平达到“小康和富裕”，现代物理知识不可或缺。
德国KPK的课程是以物质型量为中心概念，用物质型量的流来构建整个课程结构，完全可以被初学者所接受，克服了传统的物理课程的不足，这样的课程体系值得推行。KPK所包含的物理思想和课程结构若能被我们理解和吸收，对中国的物理课程改革和教学改革将起到积极的推动作用。