中国近代中学物理教科书中的量子理论

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中国近代中学物理教科书中的量子理论彭征 仲扣庄 《 中华读书报 》（ 2013年05月08日   14 版）

《新时代高中教科书·物理学》，周昌寿主编，商务印书馆1935年出版

    编研一体，学术立社，此则人民教育出版社作为具有出版资质的国家级课程教材研究单位坚守60多年之信念。2010年12月，人教社申请的国家社科基金重大项目——“中国百年教科书整理与研究”终获批准（课题批准号：１０＆ＺＤ０９５），数百名编辑人员与国内相关高校、科研院所的学者共预其事。廓清百年教科书发展之轨迹，探寻近代以来吾国中小学课程、教材演变之规律，功在当下，利泽久远。
    20世纪初是世界物理学发展史上最激动人心的时代，相对论和量子理论的建立打开了一扇崭新的物理学大门。其中，量子理论是如此的复杂和难以理解，它对经典物理学产生了巨大的冲击，使得一位位才华横溢的科学家为其绞尽脑汁，爱因斯坦、波尔、狄拉克等科学家正是在研究量子理论的过程中得到了一次次的诺贝尔奖。然而，尽管在我们的生活中，从半导体元件到激光再到核能的利用，量子理论的应用完全改变了我们的生活，但是时至今日大多数人对它的一些基本原理仍然难以理解。
    翻开近代中国的教育史，早在20世纪初，在西学东渐的影响下，各种科学理论一起涌入了中国，而量子理论作为最新的物理理论也已经慢慢出现在了中学物理教科书中。

出现清末教科书

    1900年，普朗克为了解释黑体辐射中理论与实验的矛盾，提出能量子的观念，揭开了量子物理的面纱。作为一种崭新的观念，量子化的思想还没有得到物理学界的普遍认同，因此也就不会出现在教科书中。但是，与量子理论相关的一些领域，例如光谱分析、阴极射线、X射线等，主要涉及宏观的物理实验且实验结论清楚，因而已经初步得到普遍承认。这些理论和现象作为量子理论建立的基础，随着量子理论逐步得到认可，也开始在物理教科书中出现。
    晚清时期现代科学课程开始进入中国，由清末管学大臣张百熙主持拟定，1902年颁布的《钦定学堂章程》是中国近代由国家颁布的第一个规定学制系统的文件，它对物理教学内容的规定比较粗略，因此在教科书的编写和使用上，人们有较大的自由。我国最初的物理教科书大多数是直接翻译或编译日本、美国等的教科书，也有一部分为国人所编著。因此，国外教科书中关于光谱分析、辐射、阴极射线等与量子理论有关的背景知识，也出现在了中学物理课本中。如光绪三十三年（1907年）在上海等地发售的后藤牧太著《物理学课本》中“第四编 光”有以下教学内容：分光器、斯倍克特尔之种类、辉线变为暗线、辐射线、辐射之强、光度计、透过及吸收、辐射线之发射与吸收之关系。
    X射线是德国物理学家伦琴于1895年发现的，它的发现为科学家打开微观世界的大门提供了一个有力的武器，帮助20世纪初的科学家完成了许多著名的实验。而这本教科书的出版时间距X射线的发现仅仅间隔了12年，这表明当时中学物理教科书的编著者关注物理学的新发现，将揭示量子理论的一些早期研究及时地在教科书中反映出来。而在西学东渐的影响下，我国科学教育工作者在大量的引进国外教科书的过程中，也吸收了这些因素。

民国初期逐步加入

    到了民国时期，普朗克的量子假说得到了肯定，并由爱因斯坦等人做出了进一步的发展，量子理论从解释宏观实验现象的经验公式转到对物质微观结构的研究。早期量子论的一些基本知识，随着量子理论的不断发展，也在物理教科书呈现了逐步增加的趋势。特别是关于原子结构的知识，作为量子理论中的一个重要的分支，在20世纪初期经历了逐渐完善的过程，从阴极射线中发现电子到认识到原子有结构，从简单的仅有正负之分的“枣糕模型”到类似行星的核式结构，这些发展和变化也被教科书的编写者敏锐的发现并呈现出来。
    民国初期教科书大多延续了晚清时期的做法，主要介绍阴极射线和X射线。从1918年起有些教科书增加了电子及原子结构的内容，开始涉及到物质的微观结构。例如，吴传绂（1918）在《新制物理学教本》中阐述：“阴极射线系带有阴电气之微粒子发出于阴极者也。此微粒子曰阴电子。其质量约当轻素二千分之一”“凡物质之原子概由阳粒子与阴电子所成，是曰电子说。”王季烈（1922）在《共和国教科书物理学》中增加了对原子核式结构模型的说明：“物质原子之构造，为一带阳电之微粒居于中，如果实之核，名曰阳核（Nucleus），其周围则为若干带阴电之电子。”
    1921年出版的《汉译密尔根盖尔物理学》则对物质的结构做了更为详细的介绍。在“物质组织之新理论”一段中介绍了原子核式结构模型：电子“均系各等金类以及各种物质构造之成分。” “谓正感电子，实为原子之核。而负感电子，则绕此心疾转耳。据此理想原子殆如一种极小之太阳系。其电子各元与原子之比不过如地球与其轨道直径之比。电子颤动即生光亮与热波。”此书原作者美国实验物理学家密立根（密尔根），由于对光电效应、电子电荷和普朗克常数等实验的研究，获得了1920年的诺贝尔物理奖。密立根作为当时最好的实验物理学家，熟悉物理学研究最前沿的各种理论，因此能够在教科书中及时、准确地反映物理学关于电子和原子理论的新成果。此时距卢瑟福1911年提出原子核式结构模型仅仅过了10年。这本为芝加哥大学预科生编写的教科书，发行不久即为我国学者屠坤华翻译并用于中学教学，影响了我国早期的科学家。据说，数学家陈景润中学时代就在福州英华中学的图书馆借阅并自学了这本书。

壬戌学制教科书中的早期量子理论

    20世纪20年代，关于量子化、原子结构等早期量子理论的一些基本观点已经得到了物理学界的普遍认可。随着一次次诺贝尔奖的到来，玻尔、海森堡、爱因斯坦、薛定谔、狄拉克等人在争论中逐步建立起了较为完整的量子力学。作为量子力学的基础知识，早期量子理论也在中学物理课本中更加完整、系统地呈现了出来。
    1922年北洋政府颁布了《学校系统改革案》，采取“六三三”的学生学习年限，表明中国现代教育制度从效法日本转向了效法美国，被称为壬戌学制。壬戌学制把中学分成两个三年的循环，这就使得学生可以更加深入的进行物理学科的学习。实施壬戌学制后教科书均按照教育部颁布的课程纲要或课程标准进行编撰。1923年的课程纲要仅涉及X射线、阴极光（射）线，1929年的课程标准增加了电子学说，早期量子论则于1932年起进入物理课程中，如物质构造大意等，1932年增加了光电管内容。
    此时期的高中物理教科书在课程内容现代化方面表现突出，有的教科书还自行增加了普朗克的量子说、爱因斯坦的光子说、玻尔的原子理论和最新技术发明等内容，如周昌寿（1931）的《新时代高中教科书 物理学》、沈星五（1934）的《文化高中教本 高中物理》、教育总署编审会（1941）的《高中物理》。特别是周昌寿所编《新时代高中教科书 物理学》中有关量子理论共2章、篇幅达29页之多，在我国中学教科书中甚为罕见。其中在1929年课程标准规定的阴极射线、X射线等内容之外，还增加了“原子之构造”一章，其中的“原子之构造”及相关部分讨论了卢瑟福的α散射实验及其核式结构模型、“阳核之电荷及质量”；“量子论”等部分介绍普朗克能量子假说的实验基础及其内容，并用量子论解释“荧光及磷光”“劳厄斑”等；“光电效应”部分介绍了爱因斯坦的光子说及其应用，如光电池、传真电报、“远视”及有声电影等。
    特别是其“波耳之原子模型”部分内容翔实，介绍了玻尔理论的三个基本假设，用此理论解释氢光谱的各个线系，介绍了“原子内电子之排列”，用以解释X射线的产生机制，并阐述了“电子轨道之概观及各元素原子之构造”。此时距1913年玻尔提出其原子理论仅仅相隔18年!编者坦言，内容“或嫌略深，但为培养高中学生之实力，俾能与大学啣连起见，确非如此不可。”
    回首近代物理教科书，教科书的编写者出于增长学生见识、了解最新的物理学进展、培养学生的思维方法等意图，都或多或少加入早期量子理论的一些内容，使教科书中的内容紧跟着物理学发展的最前沿。周昌寿在教材编辑大意中说道：“物理学于晚近三十年来之进步最速，且极重要。理论方面，如放射性，原子构造，相对性原理及量子论等；应用方面，如无线电，传真电报，远视及有声电影等，均其犖犖大者。此类问题，如欲涉及详细，诚非专书不办，然若言其原理，则高中程度之学生，似亦应得知其概略。否则现势尚不明暸，安能在此新领域中求得发展其天才之机会哉！”
    相比之下，1949年后的物理教科书涉及的内容仍然是早期的量子论，量子力学的一些基本原理，而且是在文革结束以后才逐渐出现在教科书中。1978年对物质波提出了要求，开始涉及量子力学中的统计观点；2000年把不确定关系列为选学内容，学生才首次接触到量子力学的重要原理，此时距海森堡首次提出已经过去了70余年。而作为量子力学中最重要的薛定谔方程和狄拉克方程，则受限于大部分学生的数学能力，始终未曾进入中学物理教科书的舞台。
    将量子物理引入中学教育中，其目的一方面是增加学生的见识、让学生了解物理学最前沿的进展；另一方面，在很多教科书中这部分内容是作为选学内容出现的，对于那些学生在数理方面有天赋的学生来说，量子物理提供了一种全新的思维方法，也能更好地与其之后大学学习衔接。相比较有400年历史的经典牛顿力学，以量子理论为代表的近代物理学也已经经历了百年，整个现代信息社会的建立与量子理论的发展密不可分，同时量子理论对物理学的研究方法乃至哲学思想都产生了重大的影响，而我们的学生依旧在“繁、难、深、旧”的经典物理学体系中痛苦的前行。参看近代教科书中对最新科学研究的不懈追求，是否应该增加量子理论的有关内容以及如何增加，这些都是我们应该认真思考的问题。
    （两位作者系“中国百年教科书整理与研究课题组”成员）