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科研科普两相成,创作教学齐攀峰 ——张景中的科普人生

文章来源:科普创作 作者: 彭翕成 发布时间:2019-03-28 15:22

       张景中是我国著名的数学家、数学教育家,同时也是一位科普作家,曾担任中国科普作家协会理事长。张景中从学生时代(二十世纪四五十年代)就开始在报纸杂志上零散地发表科普文章,在二十世纪八九十年代达到一个创作高峰,至今共出版科普图书二十余部。
       张景中自小喜欢读科普作品。法布尔的书让他看到了一个新奇有趣的世界,伊林的作品让他知道了许多平凡的事物却有着不平凡的故事和道理。科普启发人思考,激励人探索,使人产生研究和创新的愿望。因为喜爱科普,从而敬仰科学家和科普作家,所以张景中从小立志,若有一天能出书,也要写这样好的科普书。就这样,张景中开启了他的科普人生。
       科研科普相辅相成
       习近平主席指出,科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼。这将科普的价值、地位提高到前所未有的高度。
       理论上,没有谁说科普不重要,但实际上有不少人认为科研比科普难,科研比科普高。许多院校和科技单位在统计成绩时只考虑论文专著,科普作品被打入另册或不予考虑。甚至有人说,科学家搞科普是“不务正业”,是科研干不下去了走旁门左道。
       张景中很不赞成这种说法。他认为科研和科普都姓科,两者相辅相成,缺一不可。科普工作能促使科研工作者对相关科学内容作更多的思考,想得更清楚、明白。随着科普创作实践的不断深入、丰富,科研工作也会有更充分的理解,更开阔的思路,两者形成一种良性的循环互动。科学家主要从事科研工作,但科普也是一种责任担当。社会为科学家提供了科研条件, 那么科学家就有责任向大家说明研究工作的进展以及研究工作的意义。
正因为张景中科研成果突出,同时注意科研与科普的结合,所以才写出了一系列的原创科普作品。
       譬如很多科普文章写尺规作图,都是从数学史中摘取素材,因此写出来的大同小异。而张景中却注意到了美国著名几何学家佩多教授公开征解的锈规问题(固定大小的圆规作图问题),将之圆满解决后,相关的学术论文刊登在英文版的《几何学报》上,同时也写进了科普书《数学家的眼光》中。尺规作图的研究史里几乎没有出现过中国人的名字,张景中的科普不炒冷饭,而是给数学史续写了新的篇章。
       用机械的方法解决千变万化的几何问题,曾是历史上一些卓越的数学家的美好梦想。现在,这个梦想已成为现实。成功来之不易,是许多数学家多年努力的成果,其中以吴文俊先生为代表的当代中国数学家的工作起了决定性作用。如何向大众介绍这一前沿成果?这并不容易。而张景中却在《计算机怎样解几何题》中用生动的语言娓娓道来,将例证法、搜索法、吴方法、面积法等讲得清清楚楚,普通的中学生读后,都能对几何定理机器证明有个大致了解。
       在课堂上,数学老师反复强调:不能通过测量有限个三角形的内角和是180度来确定所有三角形的内角和都是180度。但例证法的研究却否定了这一点,甚至可以在测量有限个三角形的内角和接近180度(误差满足一定条件)时,就下肯定的结论。有误差的计算竟然能获得准确的结果,这种与常识“相悖”的科研进展,其研究成果还是老模式,既写成学术论文在《中国科学》这样的高层次期刊发表,又写成通俗易懂的科普给中学生看。若干年后,基于这一想法,张景中团队开辟了“零误差计算”的新的研究方向。例如,基于这一思想建立的因式分解新算法,对于两个变元的情形,解题效率是现有方法的上千倍。这个方向的研究还在发展中。如果读者对“有误差的计算可能获得准确结果”表示怀疑,不仅可以细看文章中的解释,还能进一步查看更严谨的学术论文。这样,张景中就把读者一步步引向了科学的前沿。
       正是由于科学研究的深入,使得张景中的科普绝不同于一般的科普读物,它不是简单的材料收集和整理,而是一个站在科学前沿的学者的真知灼见。其视角独特、见解深刻、引人深思、令人叫绝,广受读者好评。因此有评论认为,张景中的科普作品是中国数学科普的一面旗帜。
       科普教学融为一体
       传统的科普作为课外读物出现,大多选取一些趣味故事,希望借此扩展学生的知识面,激发学生的学习兴趣。而这些趣味故事可能与课堂上学的内容有较远的差距,两者关联甚微。若将数学科普和课堂内的知识结合,不但能让学生喜欢上数学,还能切实提高学生的成绩。这也是家长最关心的。
由于张景中非常关心中小学数学教学,因此很自然地将数学科普和数学教育融为一体了。
       数学教育有很多世界公认的难点,如初等数学里的几何和三角,高等数学里面的微积分,都比较难学。为了攻克这些难点,很多老师以及数学教育的专家前赴后继,做了不少的研究,进行了广泛的教学实践。实在太难就“删繁就简”,少学或者不学。张景中则是迎难而上,创建教育数学流派,希望改造数学使之更适于教学和学习。在几何中,他建立了面积法体系,结束了几何无定法的历史(见《几何新方法和新体系》);在三角中,他改变了正弦的定义,使其很早(初一阶段)就能被学习者掌握,而不用等到学习了三角形相似(初三阶段)之后(见《一线串通的初等数学》);在微积分中,他更是大胆创新,勇于挑战权威,建立不用极限的微积分,先是在《数学家的眼光》中增补了一章,后又写成两本科普书《不用极限的微积分》《直来直去的微积分》。
       张景中在不断修改完善微积分的科普(他的合作者林群院士也是如此)。他认为,全世界每年有数以千万计的人在学习微积分,其中有相当部分为学不好微积分而苦恼。如果实行微积分教学的改革,可以大大减少微积分教学的时间,保守估计能减少1/3,也就是说如果现在学一年半,教学改革后一年就行了,而且学生掌握得更好。因此微积分教学改革是一件很有价值的事情。
       写科普固然辛苦,推广科普更难,特别是张景中这种原创性强,在诸多方面与传统观念“格格不入”的科普。
       张景中非常希望他的科普作品能发挥更大的作用。科普作品,以“普”为贵。科普作品中的内容若能进入基础教育阶段的教材,被社会认可为青少年普遍要学的知识,就“普”得不能再“普”了。当然,一旦成为教材,科普书也就失去了自己作为科普的意义,只是作为历史记录而存在。这是张景中的希望,也是多年努力的目标。
       在中国的中小学教材上出现什么内容,甚至以何种面貌出现,都有一定的规则。打破这个规则,实在太难了。张景中利用其影响力,组织了由多位北大、清华、中科大、北航的院士、教授和知名中学教师等组成强大的作者队伍,精心编写了湘教版高中数学教材。这套教材在教育部审定评比中颇受好评,但由于一些惯性思维,张景中的很多想法还是被删掉了。他希望写出科普作品的风格,写成学生可以在教师指导下自己阅读的书,写成学生愿意在毕业之后保存参考的书,这样写也有助于缓解教师力量不足的困难。他认为教材在语言上要适度口语化,不板着面孔讲数学,尽量用贴近学生生活和感情的、通俗明白的语言来讲明数学内容最精华的内核,避免故弄玄虚吓唬人。
       用大白话讲数学,而且要讲得清楚明白,很不容易。如果对数学了解较少,只能照书上的话说,越雷池一步就要犯错误;只有对数学了解深刻了,才可以用自己的语言,用大众化的语言讲授。这就是一位数学家、一位科普作家在写数学教材时的优势。
       虽然湘教版数学教材的科普风格最终有所删减,但还是吸引了不少懂数学的人。中国台湾地区的九章出版社果断引进版权,在台湾地区出版繁体字版。将大陆正在使用的基础教育中学教材引进台湾地区,这在两岸文化交流史上尚属首次。
       在现阶段,科普变成教材,几乎是不可能的。但还是有不少一线教师被张景中的数学思想吸引,加入数学教育实践中来。例如,广州市海珠实验中学的一个实验班不直接使用统编的数学教材,而是将张景中的科普读物《一线串通的初等数学》与人教版数学教材上的知识点进行整合,形成一种新的体系结构。长达三年的实践表明,使用了调整后的教材体系结构,学生探索和解题的能力明显提升,尤其是解决综合题的能力大大增强,升学成绩也明显好于其他班。
       风格形式多种多样
       科研贵在创新,科普也要创新。风格的创新、语言的创新、表达方式的创新、体制的创新,科普不在创新上下功夫是不行的。
       张景中不但在内容上创新,在形式上也创新。例如,《数学哲学》中一些类似散文诗的句子,充满辩证色彩、哲学意味,让人爱不释手,这与古龙用诗歌语言写小说一样,属开先河之举措。这些哲学反思让我们看到,数学家的眼光是抽象的、辩证的、精确的、透彻的,能看出一般人根本看不出、想不到的东西。
       最近这些年,随着计算机的普及,科普不再是简单的纸质书籍,形式更加多样化,譬如视频、动画等。这方面国外领先我们很多,国内起步较晚。张景中曾与李毓佩筹划创作科普动画片《数学王子》和《数学荒岛历险记》。2012年年底,张景中又和王鹏远合作出版《少年数学实验》,可谓在科普载体上下足了功夫。
       《少年数学实验》的设计以计算机支持的数学实验为特色,为初中学生设计了内容丰富的数学活动,借以培养他们的动手实践能力,发展其个性品质与创新精神,并促进不同的学生在数学上得到不同的发展。这些内容也可以作为供广大教师参考的有价值的教学案例。像《少年数学实验》这样既可以阅读,又能利用免费电脑软件,通过动手实验学习数学的读物,在国内并不多见。最近几年,张景中团队又组织开发了网络画板,只要能上网(http://www.netpad.net.cn/),就能做出各种各样的几何图形、函数曲线,甚至是让计算机帮我们自动解题。




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