教材怎样启发创新思维？

我国高等教育常常被指责为"启发创新不足", 以致多年来培养不出科学大师和杰出的创新人才。把这样的后果完全归罪于高等教育, 我不敢苟同, 曾经写文章辩驳过。不可否认, 高等教育负有一定责任, 教学以灌输知识为主, 照本宣科, 缺乏创新思维的激励与启迪是普遍现象。此外, 许多教材因袭传抄, 人云亦云, 缺乏创意, 也是一个重要的原因。

三年前我收到从法国寄来的B. Cagnac, L. Tchang-Brillet 和J.-C. Pebay-Peyroula 所著的Physique Atomique: Atomes et rayonnement: interactions électromagnétiques (Dunod, 2005)[《原子物理学(上册) 原子与辐射的电磁相互作用》] 一书, 非常高兴。该书的**版的英文译本在20 世纪80 年代初曾由张泽慈和俞雪珍译成中文, 以"凯格纳克和裴贝-裴罗拉著《近代原子物理学(上册) 基本原理》" 为名, 由科学出版社出版。这本书与我们当时的原子物理教材有很大不同,很有特点, 能启发创新思维, 是我们编写《量子频标原理》时的主要参考书之一。第二版多了一位作者L. Tchang-Brillet, 增加了三分之一内容, 不少地方改写了, 几乎是一本新书。当时就想到应该翻译出版, 但由于版权等问题, 一直到2009 年末, 我才开始断断续续进行翻译。

**版的英文译本《近代原子物理学(上册) 基本原理》于1980年由科学出版社出版。

本书**作者B. Cagnac 是法国巴黎第六大学(皮埃尔和玛丽·居里大学) 和巴黎高师(ENS) 教授、法国国家科研中心Kastler-Brossel 研究所的研究员。该中心就设在此两所大学内。这个研究所产生了独特的法国原子物理和光学学派, 出了三位诺贝尔奖得主：1966 年的Kastler(因发明光学射频双共振和光抽运)、1997 年的Cohen-Tannoudji(因在原子的激光冷却与陷俘上的贡献) 和2012 年的S.Haroche(因发明光子的无破坏检测而实现单个量子系统的测量与控制)。Cagnac 和Cohen-Tannoudji 都是Kastler 的学生, Cagnac 在这些领域和精密光谱上也取得了优秀的科研成就。

这个研究所与中国建立了传统友谊。1964 年中法建交后, Kastler **访问了中国。改革开放以后, 1978 年Brossel 和Cohen-Tannoudji 也访问了中国。1983 年Cagnac 也来到中国, 当时该书中译本已经在中国出版, 他很想了解本书在中国的使用情况, 我曾陪同他访问了科学出版社。我与这个研究所的友谊可以追溯到近半个世纪以前。1963 年, 我开始从事光磁共振和量子频标研究, 当时对现在已经习以为常的"光频移" 现象的解释感到困惑, 恰逢Cohen-Tannoudji 在Annales de Physique (1962, 7: 423, 该期只登载了这一篇论文) 上发表了他的博士论文, 对此现象做了全面的实验和理论的描述与解释, 我如获至宝。但论文是法文的, 我完全读不懂, 只能从别人的英文介绍中知道些梗概。我很想读懂全文, 从此开始了我的法语学习, 并开始关心和钦佩他们的工作。1981 年我**次出国访问, 就到了法国。1983~1984年, 我到巴黎做访问学者, 聆听了Cohen-Tannoudji 在法兰斯学院的激光冷却系列讲座, 在Cagnac 小组工作, 并有幸成为巴黎第六大学的访问教授。这段经历对我后来的研究工作和编写《原子的激光冷却与陷俘》帮助很大, 书中也大量引述了他们的工作。

这本教材就是在Cagnac 和他的同事们杰出的研究成果和坚实的科学背景下产生的, 与众不同, 对于当今我国高等教育要重视在教学中激励和启发学生的科学创新思维, 具有重要参考价值。

本书区别于一般原子物理教材的*显著特点, 就在于它鲜明地展示了原子物理学发展演变的历史径迹, 使读者可以从中领会物理思想的产生与演化及一些精彩实验是怎么样提出并实现的, 这对激发创新思维**是重要的。

例如, 书中通过与原子相互作用交换动量引出光子动量的概念时, 作者的处理手法是按照历史线索, 分别讨论了光压实验、康普顿效应、光子吸收发射、穆斯堡尔效应和原子束的光偏转等一系列实验, 直到原子的激光减速与冷却。通过这样一些实验及其分析, 读者就会对光子动量概念产生清晰而又实际的概念。再如, 磁共振是近代物理中的一个重要现象, 有广泛应用。其根源是原子和原子核都具有角动量与磁矩, 但是从单个电子、原子和原子核的角动量和磁矩运动到它们的磁化现象宏观表现、建立描述磁共振的布洛赫方程, 一般读者是很难直接想象的。因此, 他们要么归功于科学家的天才, 要么半信半疑、囫囵吞枣地承认实验结果。本书通过描述爱因斯坦-德哈斯实验、巴尼特实验, 从微观角动量和磁矩到物体的宏观转动与磁化(一般物理书都忽略了这些细节, *近的物理学进展表明, 其实从这里还可以引发许多新思想), 再过渡到磁共振和布洛赫方程就顺理成章了。从这里可以看到, 诺贝尔物理学奖的重大贡献, 不是突然"冒" 出来的, 而是大量为一般学生所不知道的许多小进展积累起来的。这样的历史线索的理解对于启发创新思想、建立创新的信心都是十分必要的。而穿插其中的一些构思巧妙、十分精彩、寻常教材中很少提到的实验, 如证明"光子只能与其自身干涉" 的反向光干涉实验, 测量自由电子g 值"反常" 的实验等, 对启迪创新思维具有*大的促进作用。

本书的第二个显著特点是联系实际。联系实际有两重意思：一是指教材的叙述不过于抽象和理论化, 是从实际问题出发的, 有血有肉; 二是紧密结合物理学前沿进展和实际应用。

这里先说前一点, 我国多数物理教材在描述一些**关键实验时往往基本上只有十分概括的原理叙述, 而忽略了大量"次要" 的细节。其实, 实验的成功固然**要有正确的原理设计, 但实验失败却常常是由于忽视"次要" 的具体细节、没有恰当解决各种干扰因素的影响。本书在讲述实验中比较注意这一点, 叙述比一般教材充分(当然不可能十分详细), 许多地方还给出了数量级概念。例如, 对圆偏振光照射下薄晶片的旋转实验和对测量电子朗德因子g- 2 实验的描述, 都十分细致。对于中国学生这是很重要的, 因为中国学生一般比较缺乏具体的物理想象,容易过于抽象地思考问题, 这其实也限制了他们的实验动手与创新思维能力。至于第二点, 本书中一些基本物理现象凡能用新近精彩实验解释的都尽量用新的, 所以可以说它是比较贴近前沿的。例如, 光子、中子、原子束的干涉实验(都在20 世纪末), 激光减速和冷却原子, 磁共振成像等, 它们在目前一般原子物理或近代物理书中还比较少见。这样可使学生较快地接近当代物理科学前沿, 而不至于面对前沿感觉茫然。应该说, 本书对有些题材的描写还颇为贴近生活, 或采用了特别浅近的手法。例如, 把难度*大的经典光压实验与日常小玩意儿"走马灯" 的旋转相比较; 把一般要用量子力学不确定性原理或傅里叶谱分析来解释的频率测量中的测量不确定性受测量时间限制这个关系用非常简单的电子计数器±1 的计数误差来推导和说明, 等等。这些都是非常有启发和实际意义的, 便于把学生带进实际科研, 尤其是对实验物理工作者来说。对我们中国学生这特别有意思, 因为他们大都不大会用物理原理来观察、解释与处理身边发生的大量物理现象, 并从中获得教益。

物理学是整个自然科学和工程技术的基础, 也是唯物主义哲学的支柱。概念的严密是物理学的特点。我们物理人常说, 学物理一定要"抠概念"。什么是"抠概念", 怎样"抠概念"? 实际上, 这就是从人对物理现象认识的历史角度去了解物理概念提出、发展的实际背景和意义, 了解它的应用条件、范围和局限。这些概念不能凭一个人冥思苦想去"抠", 只能密切结合实际、结合物理学的演化发展来思索,而对物理概念表述的要求则是非常严密和严谨的。

本书的第三个特点正是叙述十分严密, 数学表达比较严谨。这是法国物理学派的一个优点。但也许受法语表达习惯的影响, 对我们中国人来说, 文字表述稍嫌烦琐了些。

这本书另一个好处是对一些需要注意或重要的细节问题用"附注" 的方式来说明, 对一些更为深入的问题则采用"补充" 的办法来加以完善。这样就给一些有余力、需要了解更多的学生留下了空间, 符合教学的"因材施教" 原则。

正是由于这样一些特点和优点, 本书的内容和篇幅都远远超过我国同类教材(实际上完全相似的教材我国没有)。因此, 它一般只能成为讲授和研读原子物理的教师和学生很好的参考书。但对专门从事原子分子物理、光学、波谱学和量子电子学的学生, 它**是一本优秀教材。从启发创新思维角度, 这本书的取材和编写方法也很值得我们中国同行在编写教材时参考。

尽管本书与原书**版已经有很大不同, 几乎成为一本新书, 但终究是原书的"第二版", 不少地方还保持了原样。因此, 在翻译本书时, 原来也想尽量保持30 年前出版的《近代原子物理学》的风格, 名词和人名译法维持照旧。但后来发现, 30 年来物理名词也有了一些变化, 完全"照旧" 似乎有些不合时宜, 而且, 该书有的地方可能英文原本也没有切合原意, 所以就索性自由翻译、不参照原译本。可以说, 这个译本完全是"新译"。不过, 后来部分地与原译本对照了一下, 个别地方觉得原译本更能传达原意的, 就沿袭了原译本。

由于语言所承载的思维习惯不同, 即使是对于科学著作, 两种文字之间完全贴切传神的翻译几乎是不可能的, 同一个词汇的含义不可能完全用另一个词汇代替。翻译实在是一个苦差事, 为了达到"信、达、雅", 理解原意要冥思苦想, 找出适当语词来表达更要反复推敲。不过作为科学著作, 我们**还是要求做到"信", 因此,我们采用的完全是直译的方法, 这样中文表达就难免有点"别扭"。只有少数地方,完全按照原文直译成中文实在难懂意思, 才做些调整, 个别地方在叙述顺序与方法上做了较大变动, 以保证读者能够领会意思(这些地方在原译稿上标出, 经过审校同意后正式采用)。原文的个别印刷错误, 译文做了纠正。

译者的法语水准只能说是"粗通", 对译稿是否十分贴切地传达了原书意思没有充分把握。因此译稿经同样是"粗通" 法语、但有多年原子物理教学经验、自己也编写过原子物理教材的郑乐民教授的初审, 又经法国里昂大学讲授原子物理课程的俞进教授有重点地复审。值得庆幸的是, 本书第二版的作者之一L. Tchang-Brillet(张万愉) 教授是一位华人, 她在上海上学一直到高中二年级, 汉语修养很好,并且熟悉当代汉语物理名词(这也许和她曾把不少中国科技资料译成法语介绍给法国有关)。她在百忙中热情审阅了全部译稿, 对译文做了认真仔细的校对、改正和润饰, 为保证译文质量做出了重要贡献。有了这些权威审校, 我对这本翻译书就放心了。为此, 我对上述几位教授表示由衷的感谢！

本书**作者Cagnac 教授自始至终对本书翻译工作给予了亲切关怀和鼓励,并专门给中国学生读者写了致词。科学出版社编辑对本书出版做了重要贡献。这里一并向他们表示诚挚的谢意！

2010 年10 月

2015 年1 月修订

本文由刘四旦摘编自[法]B.卡尼亚克、张万愉 J-C.裴贝-裴罗拉著、王义遒译《原子物理学》上册中的译者前言。《原子物理学》阐述近代原子物理学的基本原理和重要实验。全书分为上、下两册，上册论述原子和电磁辐射场的相互作用，下册主要内容是建立在量子力学基础上的原子结构。本书在内容取舍和叙述风格上与国内多数同类教材显著不同，独具特色，密切联系应用实际，贴近科研前沿，启发创新思维。

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