周末大家谈—赵凯华先生回顾《新概念物理教程》教改历程
编写新概念物理教程的前期是80年代的中期， 编写之前有些想法，来源于李政道先生搞的CUSPEA考试。这个考试由美国教授出题，中国教授阅卷，以选拔到美国去的研究生。我们在阅卷中有很多感触，主要有两个方面。一个是感觉到我们的大学物理教育有成功之 处，同时也暴露出一些问题。参加考试的大部分是大学三年级的学生，而考题基本上是美国研究生资格考试水平，我们的学生有不少能够以优异的成绩回答这类的考题，尤其是在美国教授看起来对美国学生相当难的一些题目。 所谓相当难就是这里边的数学推演较复杂。暴露出的问题大概这么几个方面。一是美国教授认为比较容易的题目我们的学生答得比较糟，这些题目往往是我们传统的教学中非常欠缺的一部分。我们的教学比较重数学推演，但推演过程中物理图像不够清楚。有些学生答题时，这题目本来可从物理的图像简单地给出答案，但他们却用了长篇数学推导。我们的学生较欠缺物理直观。二是怕联系当前的物理学前沿的一些实际。CUSPEA考试差不多每年都有若干个题联系当年或前几年物理前沿上发生的问题，将这些问题编成考题来考学生。我们学生的困难是不熟悉这些题目的背景。美国学生的情况就不一样，在他们的环境里，哪怕是道听途说，也可能知道一些。我们的学生在课堂上或课本本上都没见识过这类内容，似乎这和本科的教学没有什么关系。
我们的学生的知识面比较窄，兴趣也比较窄。 这个问题一直到现在我还是有感觉的。 前一阵在武汉开中国物理学会的秋季会议。可喜的是做报告和参加会的700多人中有一半以上或者更多是研究生，报告也还有相当的水平。 然而另一方面我的印象是每个研究生只关心他做论文的那个窄方向，其他的东西都不感兴趣。 在书摊上买书选书的时候，只有跟专业有关的书他们才有兴趣，目不斜视。听报告也只听跟他很窄的方向有关的报告，稍微远一点的报告他不愿意听。 我们的学生专业思想特别强，而实际上很难说他将来干什么。即使博士论文做的是某个题目，也未必就一辈子做这个题，你今天做的是夸克，明天可能到华尔街搞股票模型。所以昨天杨福家先生说的学物理的无所谓转行，这个话是大家的共识。我也经常跟学生说，你们搞物理的没有什么学非所用的，过去那套计划分配的东西已经过时了。你学了物理以后将来干任何事情都不算是转行，因为物理给你打好了一个基础。学物理的人不能眼界和知识面非常窄。另外，我们的CUSPEA考生怕实验题。我们的实验训练是比较弱的，且对国际上历史上非常重大的(包括得诺贝尔奖的)物理实验知识很少, 平时也不关心这些事情。从CUSPEA考试中我们感到这些问题，我从那个时候起就产生了一些念头，即我们的教学应在这些方面有比较重大的改进。 这实际上涉及一个教学思想的问题，究竟我们培养的人应该是一种什么样的模式。
CUSPEA每次考题必定出一些定性的或者半定量的问题，做数量级的估计。这是一个成熟的科学家经常要做的事情，而我们的学生从来没有见过、更不知道怎么对付这种题。我在北京大学于1986年到1989年开了一个选修课，叫做“定性与半定量物理学”，以CUSPEA这一方面的考题为基础，以及我自己另外搜集的一些这类的问题，给学生开一个选修课。选此课学生是很热烈的。他们有些是想考CUSPEA的，有些是研究生，他们觉得从来没有听过物理里还有这个东西，有这类方法。 后来在《大学物理》杂志上连载27期，1991年组成一本书出版，即《定性与半定量物理学》。这本书出版到现在十几年了，早已经绝版。早需要再版，但再版的修改工作量很大。我现在正在做这件事，争取明年上半年出版。 我觉得这本书是对我们的教学的一个很重要的补充，弥补过去我们的欠缺。后来我们又觉得不仅仅是开个选修课的问题，而我们的必修课程里应把这样一些精神容纳进去。《定性与半定量物理学》实际上是我们后来编写《新概念物理教程》的思想和素材基础。后来我们编写教材时认为，我国物理教学的优点要肯定，且要保持和发扬， 我们的缺点要克服，这要从美国或者国际上其他国家的教学中吸取营养。
编写《新概念物理教程》的起步是在1991年10月份。那时候叫做普通物理教材建设组会议，这大体相当于现在的课程指导委员会里边的基础物理组。那个时候教材建设组的组长是南京大学的冯致光先生，会上他指着我说：老赵，你应该编一套书，过去你在电磁学和光学方面写了，可是现在这个时代要求编辑一套新的教科书。我虽然有那个想法，但觉得这个工程非常大，一直还没有下决心。听了老冯的话，我自己盘算，假如1991年开始编，我这一生今后的大部分时间就要投入这个工作，这实在不是一件简单的事情。在这个会议上我们组里的中山大学罗蔚茵老师表示， 若编这套书她愿意与我合作。她在力学和热学的教学方面是比较有经验的，而且编有自己的教材。她的力学教材里有些部分很有特色，特别是狭义相对论和广义相对论部分。就在那次会议期间经过酝酿和考虑，决定编这一套书。我提出这套书的名字叫“新概念物理教程”。为什么？那时候有新概念英浯，新概念什么的。我感到物理学的概念在某种意义下就是昨天冯端先生说的那个范式。每个学科在前进的时候形成一些新的范式，物理学的发展需要有很多新的范式，这些将在我们的书里有较多的反映。我自信这也是我之所长。当然这个时代除了在新概念、新范式上有所发展，物理学在各种技术上面的应用也是五花八门的。 但这方面我不太熟悉，我们这本书里反映这方面的内容将会少一点。 这就是取名《新概念物理教程》的由来。
《新概念物理教程》真正动笔是从1992年开始，力学卷1995年出版，差不多用了三年时间。在出版前有个胶印的初稿，1993年我在北大讲过一遍。中间经过修改，正式在高教社出版是1995年。以后的进程大概是这样的，热学卷1998年出版，量子力学卷2001年出版，电磁学卷2003年出版， 光学卷2004年出版。原来我估计用10年，实际上从1992年到2004年用了12年时间才把这五卷完成。电磁学卷基本上是我和陈熙谋老师那本大家很熟悉的书的改写，但讲法有相当变化，特别在对称性的应用方面，讲法和原来很不同。
物理学有经典物理和近代物理之分，我们教材的内容又有基本部分和扩展部分之别。《新概念物理教程》写作之始我们努力于解决现代化问题。我们体会：对于经典物理部分的现代化，要用现代的观点来审各经典概念的提法是否需要调整，各经典定律的相对位置是否发生了变化，据此从新的角度重新考虑教材体系和内容的增删取舍；对于近代物理部分，主要的任务是将其概念和原理普物化的问题。 现在分别叙述如下。
基础物理，或者叫普通物理课，分五大块：力、热、电、光，原(原子物理, 现在有的改成近代物理或量子物理)，前四部分基本上是经典物理，只有第五门课才涉及近代物理。不能说经典物理不重要，应大力删减。没有经典物理作为基础去学近代物理是不行的。没有经典物理的基础，近代物理也很难真正地学懂。不能笼统地说过去教材中的经典物理内容陈旧。很多经典物理内容，如牛顿定律，麦克斯韦方程，一直到现在都很重要。过去的教材的问题只是在这里缺乏一些时代感，影响学生学习的兴趣和激情。我们当时在编写力学卷时，提出用近代的观点来审视经典的概念和原理，重新考虑它们的轻重取舍。
在力学卷里我们突出了对称性和守恒律，充实了相对论。守恒量的概念在近代物理中越来越突出。在相对论里“力”不是一个好物理量，但还可以勉强存在。到了量子力学，力的概念基本上不出现了。可是这个概念大家比较熟悉，尤其在中学里，所以这个概念还是要保留，我们把它的定律相对地降低一点，而把这个守恒量的概念加强。因为守恒量和对称性是直接联系的，所以我们整个这一套书对于对称性这一点是很注意的。在非线性方面我们引进了相图。我们有这么个想法，即使在普通物理的层次，我们也要尽量使用现代在前沿工作的科学家所使用的概念和语言。过去我们讲振动时总是讲位移和时间的图，而不讲相图，而在前沿，特别是非线性科学里最常用的是相图。在普通物理里把“相图”引进来的难度并不大，可是和前沿在语言概念上面接了轨。 我们在书中讲了一些非线性振动和混沌，这些都是过去讲得比较少，或者是不讲的。
在热学卷中过去花较大篇幅讨论各式各样的循环，布置很多习题。那是热机问题，物理课中没有必要讨论那么多。 现在看来重要的是熵，而过去由于“熵”概念的难度比较高，讲得很少，我们的热学书却把熵作为重点。国际上很多物理教育家都认为现在熵的概念很重要，热的第二定律比第一定律还重要，应该更花大力气把热力学第二定律的思想讲得多一些。第一定律不是不重要，而是能量守恒学生比较容易懂，而且在中学就有一些概念基础，而先前熵的概念是比较缺乏的。要加强熵的概念，除了平衡态之外，还要介绍一点远离平衡态的开放的系统，讲最小熵产生原理和耗散结构，这可以联系到生命现象。这些过去在普通物理课里不讲，在统计物理课里也都讲得不多。 我们想了一些办法让一年级的学生理解耗散结构，有人反映书中那一段还是写得比较好懂的，把一个十分现代的思想用一个简单例子解释清楚了。最后关于热寂说问题。“文革”前在苏联的教科书和我们中国的教科书里都讲得很多，可是谁也没说清楚为什么热寂说不对。我在1986年广东的一次热学的会上第一次讲这个问题，我把当时国际上已经有的概念向讲普物课的教师介绍了一下，后来就总结在这本书里面。最近我看到有的新编教材对这个问题解释还是不对的。热寂说不成立的原因关键是两点，一个是宇宙在膨胀， 另一个是因为宇宙是自引力系统，它具有负热容，没有平衡态。这些新概念出现的时候我们正在搞文化大革命，谁也没注意这个事情。所以到20世纪80年代很多书还延续过去的说法，延续得很久。直到现在我觉得还是应该把这个问题说清楚。
电磁学卷里对称性是用得最多的，但有一种对称性未用到，即空间的镜像反演对称。这一次我们大大地加强了这种对称性的应用。在这个反射的对称下矢量区分为极矢量和轴矢量两种，有关电的矢量都是极矢量，有关磁的矢量都是轴矢量。把这个概念在镜像反演中讲了以后，过去需要讲解一两页的内容，只要三四行就够了。教学效率大大提高，观点也大大提高。这个内容20世纪80年代我在《大学物理》杂志上发表过短文，后来才意识到这必须在教材里面有所反映。国内外电磁学的书对轴矢量和极矢量的概念都没有介绍，只有费曼的讲义中讲了。我们写《新概念物理教程》得益于费曼讲义非常非常多，很多光辉的思想是从那里来的。
听普通物理课的基本上是大学一二年级的学生。很多近代物理的成果，讲清楚所需要的理论基础对他们来说太深了。若讲得太肤浅，不如听广播、看报。我们的课程不宜于新闻报道式的东西太多。这是个很困难的问题。我们编《新概念物理教程》的过程中花的精力最大的， 是研究如何把一些近代物理原理的实质用普通物理水平的语言讲出来，而不失之于肤浅或歪曲。
力学卷中我们在牛顿力学里渗透了相对论的观点。讲爱因斯坦电梯里的失重现象，从牛顿的力学角度看这是个非惯性系，因为惯性力跟重力抵消而形成失重；从相对论的观点它是局域惯性系， 没有任何力。这样，我们就比较早地在讲牛顿的力学时把相对论观点渗透进去。过去在普通物理课里不讲广义相对论， 因为在这里讲黎曼空间和微分几何是不可能。我们用等效原理把广义相对论的引力红移等重要概念引进来。实践表明，这是可行的。
热学卷中一个直到现在还有争议的问题，就是要不要把量子统计——费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦的统计——加进去。我有一个强烈的愿望，就觉得普物热学必须把量子统计加进去，为这一件事做了很多努力，写进了热学卷。很多老师认为没必要，一是太难， 二是以后理论物理课里要讲。 问题是我们的课不是光给物理专业开的，在某种情况下课程是对非物理专业的学生开放的。尤其是不光是远一点的学化学的学生，还有很多学电子学的学生，他们后面没有理论物理课，或理论物理课学时很少。所以还是有必要在我们的热学课里加一些量子统计的基本概念。此外我还觉得，这个概念不讲的话，在后边很多重要的物理问题没法让学生正确理解。 譬如金属电子论，过去只讲经典的电子论，其实金属的电子不是经典的，在这里经典电子论是不对的，需要用量子统计的概念才能够正确解释金属导电的问题。 然而量子理论和经典电子论推导出来的公式形式上很相似，只不过对里面的参数理解不同。 像这样一些内容过去只能马马虎虎不讲清楚。 “费米面”在今天任何涉及凝聚态的问题是少不了的概念，非常基本，不应该回避。 在热学卷里我们用定性半定量的方法避免了严格的数学推导，把量子统计的基本精神勾画出来了。
量子物理卷里全是近代物理，普物化的难度特别大。我们受到费曼的启发，用狄拉克符号和矩阵定性半定量地讲量子力学的基本架构，避免了超出学生水平的数学——偏微分方程。有了这个基础，许多前沿问题，如量子频标、核磁共振、EPR粒子对、量子信息、量子计算等，我们多多少少都可以写进去了。
在这十几年里头量子物理部分我花的精力是最大的。任何人都不可能什么都懂，特别是物理前沿发展这么快、范围这么广．我写书的过程里边经常需要学新的东西，要看很多书，要看文献。过去认为写教材不需要查文献，只有搞科研的人查文献。不过我们写这个书的时候我经常要查原始文献，而且很多地方光靠我自己去看还困难，因为那些都是很新的学科。我的办法就是请教，昨天杨福家教授一直说的学问，我这个年龄我的老师辈的已经很难找了，我可以在同辈里边找。更多的我可能要去找我过去的学生，他们现在是某一方面的专家，我就直接向他们请教，这个行当最新的发展是什么，最主要的文献是什么，往往通过这个办法我能够最快地把这一方面的知识理解了、掌握了。所以可以说这十几年写这部分内容的时候，对我来说是一个很艰苦的学习过程。所以我感觉到即使教基础课，仍旧要不断地学习，而且要学习一些前沿。当然角度不同，不是很专的在哪一方面，几乎所有的前沿部分你恐怕都要去触及一下，在一定程度上要掌握。
我们的课程内容有基本部分和扩展的部分，对二者的教学要求是不一样的。基本部分是要学生必须要掌握的内容，不仅要理解，而且要掌握。对于扩展部分我们提出窗口和接口的思想。“窗口”主要是扩大眼界，听听就算了；“接口”是当前所讲的与前沿课题可能的联系。 这些扩展内容学生可以不懂，我们也不企图把学生讲懂，也不可能把学生讲懂，可是还要讲。就是说应该有这么一个概念，这是我是从一位外国教授那里听到的，我也很赞成。那位外国教授认为，有些内容学生可以不懂，但不能不知道。这一点学生很不习惯，老师讲这些内容时，学生马上就要问，这个考不考。我的经验是老师事先声明，下边要介绍的一些内容是不考的。学生一下子就放心了，专心来听，懂多少算多少，兴趣也来了。过去的一种教学思想是课堂上要讲深讲透，要不然你就不要讲。我现在觉得这个想法不全对。有一年我讲力学的时候，学生在调查表上反映，赵老师讲课很引发兴趣，但我不能全懂。三年后，到了他们四年级的时候我们做了一次跟踪的调查。他们反应，说当时听赵老师讲的时候我不懂，可是引起了我极大的兴趣，所以以后几年学后继课的时候，我带着不懂的问题去学，在后继课里面搞懂了。带着问题去学后继课，比带着一张空白纸去学效率要高得多。有些学生说现在要毕业了，有些问题还不懂，今后有机会我还希望把它搞懂。
教学改革主要是转变教学思想。过去按部就班地传授知识，也不能说没有给学生传授一些物理方法。现在可能需要更自觉些。要把学生的兴趣引起来，讲传统的内容也要有时代精神，也可穿插一些史料。 特别是杨振宁先生说的渗透式的教学， 不是每一步都按部就班地来教、每一部分都要给学生教懂，而要留给学生一些内容自己去体会。我这几年的教学风格跟我早年比有较大的变化。过去我上课每一步黑板上推导得很细，希望同学能够记下笔记来；现在有些推导就跳过去了，只给出线索，要求学生课后自己去推。我们要有意识地培养学生自己学习的能力。
最后一个问题， 就是物理学对世界观的影响。有些读者说，我们的这个教本很带有一些哲理的味道，我通篇没有一个地方引用了哲学家的话，实际上却涉及了很多哲学的问题，或者是世界观、自然观的问题。最近我主编了一本书，就是9月份刚出版的《物理学照亮世界》，这是为了世界物理年。书中第一篇是我写的，讲物理学对于科学技术的影响。最后一篇也是我写的，讲物理学的发展如何不断地改变着人们的世界观。 此文有三个部分，一是宇宙观；二是物质观；三是其他的，从经典的，机械的，到对它的超越。我认为不该用“机械的”，而该用“力学的”。“机械唯物论”应该是“力学唯物论”，为什么呢? 它的世界观把一切自然界的现象都要归结为力学现象。这里特别想提一点看法，昨天于渌院士讲了所谓“呈展论”，我把它说成“自发涌现行为”，英文是一个字(emersence)。我的翻译跟昨天于禄翻译的不一样，他是从相变凝聚态讲的，我是从人工智能里面讲的，讲的是人的思维、大脑的功能、神经网络。而搞那些行当的人把它翻译成“突现”，即突然出现，而我把它翻译成自发涌现。这个字怎么定，还可以再研究。不过总的来说，我觉得昨天于渌院士讲得非常有意思，就是还原论和层次论的关系。我在这上述文章里讲的不是凝聚态的例子，而是蚂蚁的觅食行为。蚁群的行为和大脑神经元有非常类似的地方，所以研究脑科学的人喜欢拿蚁群的行为来比拟。
本文内容收录在《木铎金声集：贺赵凯华教授八十华诞》
1.送别郝柏林先生
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