民國時期戴運軌編著《普通物理學》初探

呼努斯圖 段海龍 馮立昇

戴運軌，字伸甫，1897年生于浙江奉化，是民國時期杰出的物理學家、教育家。1918年考取浙江省官費生，留學日本東京高等師范學校，1927年畢業(yè)于日本京都帝國大學物理系。畢業(yè)后回國，先后擔任北平師范大學、中央大學、金陵大學物理系教授，1940年起兼任四川大學物理系教授。1946年，他奉教育部命令到臺灣接收日據(jù)臺北帝國大學(后更名為“國立臺灣大學”)，之后出任該校教務(wù)長兼代理校長，同年8月兼物理系系主任。1956年協(xié)助梅貽琦籌建新竹“清華大學”，并創(chuàng)建了該校原子科學研究所。1958年參與籌建臺灣地區(qū)“中央大學”，1962年創(chuàng)建了該校地球物理研究所，并任所長。1968年“中央大學”成立理學院，戴運軌出任院長。1973年自“中央大學”退休后，受聘于私立“中國文化學院”，任教授兼理學部主任、物理系名譽主任?！爸袊幕瘜W院”改名“中國文化大學”后，任研究教授。1982年4月4日在臺北逝世。戴運軌是中國物理學會最早的會員之一，一生發(fā)表論文約50篇，著作10種。為中國物理學教育，也為中國臺灣地區(qū)的高等學校建設(shè)及物理學的發(fā)展，做出了卓越的貢獻。

戴運軌編寫的大學教科書《普通物理學》對中國近代高等院校物理學教育產(chǎn)生了積極影響。關(guān)于戴運軌本人的研究，目前已有相關(guān)成果[1—2]，而對于戴運軌編著的《普通物理學》一書，學界尚缺乏系統(tǒng)深入的探析。本文擬對該書內(nèi)容進行詳細分析，并與薩本棟《普通物理學》進行比較，從而了解民國時期大學普通物理學教材的情況，這對研究民國高等學校物理學教育有著重要的意義。

一 戴運軌編著《普通物理學》背景

20世紀30年代，開明書店邀請戴運軌等人編著中學教材[3]，他編寫的高中物理教科書受到使用者的廣泛好評，與林語堂主編的高中英語教科書及張其昀主編的高中地理教科書，成為當時全國通用的三大課本，對中學教育起到了很好的促進作用[4]。

民國時期，我國高校使用的教科書大都是外文教材。普通物理學教材中，達夫(Duff)編寫的教科書風靡一時，被譯作漢語多次印刷發(fā)行。也有高校嘗試獨立編寫中文教科書，但普遍存在“學術(shù)名詞不統(tǒng)一”“內(nèi)容混雜”及“缺乏系統(tǒng)性和規(guī)劃性”等明顯的缺點[5]。科學社團編寫的教材在“新穎性”和“科普性”方面見長，但仍存在以上缺點。20世紀30年代初，編著中文大學教材引起社會各界關(guān)注，其中以蔡元培為代表[6]，他曾在多種場合建議高校教師要積極編寫中文教材。

在出版商和教育界的共同努力下，中文教材的編寫卓有成效。1933年，清華大學物理學教授薩本棟(1902—1949)編寫了《普通物理學》(上、下)和《普通物理學實驗》，這是中國最早正式出版的中文大學物理教科書，在中國物理學教育史上具有劃時代的意義。但到抗戰(zhàn)時期，商務(wù)印書館發(fā)行的薩本棟的《普通物理學》價格奇高，超出一般學生的購買能力；同時學生外文水平下降，外文教材對于大學高年級學生或可勉強應(yīng)對，但初入大學者使用起來非常吃力。因此，出一本“價廉物美”的普通物理學教材，成為當務(wù)之急。

1941年，戴運軌憑借多年的物理學教學經(jīng)驗，著成《普通物理學》[7]。因資金緊張，該書未能及時出版，直到1943年在成都普益圖書公司熊集生的資助下才正式出版。出版前，普益圖書公司編輯所程綬伯親自校對，印刷廠李興初監(jiān)督排印。該書還由戴運軌同學田壽生(浙江省立寧波中學教員)校讀數(shù)次[7]。1943年4月和11月，成都新華印刷所先后出版發(fā)行了《普通物理學》上、下冊。

二 《普通物理學》內(nèi)容分析

1.主要內(nèi)容和編寫方法

戴運軌《普通物理學》全書六篇共40章，上、下兩冊的正文內(nèi)容分別為383、392頁。上冊包含力、熱、聲，下冊有電磁、光及近代物理學。

從內(nèi)容上看，《普通物理學》覆蓋了經(jīng)典物理學的力、熱、聲、電磁、光及現(xiàn)代物理學的量子論、原子構(gòu)造、相對論等全部知識點，基本包括了大學一年級理工科學生需要的物理知識。“力學”部分從質(zhì)點力學開始，逐步展開，到萬有引力結(jié)束。物體的運動內(nèi)容置于第一章“質(zhì)點的運動”中，講述了運動的相關(guān)物理量及其之間的關(guān)系。第四章剛體力學主要涉及力的平衡問題。第二編“力學的一般物性”介紹了固體的彈性、振動，液體的壓強，及氣體的壓強等知識。第三編熱學包含溫度、熱量、物態(tài)變化、熱力學定律等。第四編首先介紹“波”的性質(zhì)和規(guī)律，然后引出“聲”的介紹，最后歸納總結(jié)物體的振動。

下冊中第五篇電磁學，從靜電到電流、從磁場到電磁感應(yīng)，系統(tǒng)講述了電磁學理論。第六篇光學，除包含光的本性、光的折射和反射、光的干涉和衍射、光譜等內(nèi)容外，第九章“量子論概說”、第十章“原子構(gòu)造”和第十一章“相對性原理”也在此篇中。

在編寫過程中，編者不僅考慮了主要讀者，也為擴大受眾做了調(diào)整。該書主要面向“未受高等數(shù)學訓練者，理工農(nóng)醫(yī)各學院一年級學生”；但也提示“若將附有星標和方括號的部分省去，亦可供技藝專校和高中甲組學生的教本或參考書”[7]。

書中各節(jié)內(nèi)容緊密結(jié)合國情。如在聲學中不僅介紹了“西洋音階”，還講到了“中國音階”。與現(xiàn)代教科書相比，本書內(nèi)容更為精練、不拖沓，過渡語句少。這就要求教師教授學生時，必須對各個知識點融會貫通，才能使教學過程流暢。

書中內(nèi)容選擇重點為“科學上的發(fā)見(現(xiàn))和應(yīng)用”，認為“研究物理學，可得領(lǐng)悟科學方法的良機”[7]。著者希望在此目的之下，以簡明方式敘述主題的根本原理，使學生不但能理解，且學會科學方法，并可熟練運用。教材編排，根據(jù)“啟發(fā)式教授法”，即由觀察入手，由觀察結(jié)果推到普遍化關(guān)系，最后再舉若干相關(guān)事例，讓學生與日常生活相印證。此法受德國教育家赫爾巴特(J. F. Herbart)的五段教學法啟發(fā)，即預(yù)備、提示、比較和對照(聯(lián)合)、普通化(綜合)、應(yīng)用。書中注重從觀察入手，與生活實際相結(jié)合，且注意循序漸進，如“當導入新物理量的概念，必先說明導入的必要，決不突然提出”；如力學中，從牛頓三個定律說起，“反復(fù)引證并加以解釋”。靜電學從電纜線的概念出發(fā)。使用數(shù)學，但不偏重數(shù)學。指出“物理學以對于自然現(xiàn)象之觀察及實驗為基礎(chǔ)”[7]。

此外，本書還有多個附錄。上冊有“度量衡換算表”“普通關(guān)系及常數(shù)”兩則，下冊有“從1到99的倒數(shù)表”“物理學常量”“從1到1000的對數(shù)表”“自然正弦和正切”“希臘字母表”等。書中圖文并茂，每章之后配有“問題和習題”，供學生練習；并提示教學中須有“示教實驗”(演示實驗)和“學生實驗”。

2.與薩本棟《普通物理學》比較

前已述及，在戴運軌《普通物理學》之前，薩本棟于1933年出版了第一部中文版《普通物理學》。作為首部中文教材，該書在國內(nèi)產(chǎn)生了重要影響，前后重版多達十幾次，加之20世紀40年代初被教育部定為“大學用書”，在國內(nèi)流行20年之久，幾乎完全占據(jù)了當時本土大學的課堂([5]，頁128)。

就使用影響方面，戴運軌的《普通物理學》(以下簡稱“戴版”)要弱于薩本棟的《普通物理學》(以下簡稱“薩版”)。但對于書本身的內(nèi)容和質(zhì)量而言，兩者各有千秋；社會評論，見仁見智。

戴版和薩版兩書覆蓋的知識面基本相同，但在內(nèi)容的具體編排順序，差異較為明顯。兩書都按照力、聲、熱、電磁、光劃分篇章，薩版順序為力、聲、熱、電、光，戴本順序為力、熱、聲、電、光，即二書熱學和聲學順序不同。另外，戴版力學分為兩篇。二者雖然涵蓋內(nèi)容相同，但具體安排區(qū)別很大。表1以力學為例，做了對比。

表1.戴運軌與薩本棟《普通物理學》力學內(nèi)容安排表

從表1可以看出，薩版力學一編20章，戴版力學兩篇共9章，二者內(nèi)容編排大相徑庭。如薩版第一章“杠桿及力矩定律”內(nèi)容，在戴版被融入第四章“剛體力學”中。薩版第二章“力之合成及其分解”在戴版中以一節(jié)內(nèi)容形式出現(xiàn)。薩版第三章“剛體之靜力學”在戴版第四章中。薩版第九章“剛體轉(zhuǎn)動”置于戴版第四章中。薩版第十五章“能量與功率”置于戴版第二章中，等等，諸如此類。區(qū)別最大的是薩版力學中最后一章“波動”，在戴版中被劃到第二篇“波動和聲學”中。也就是說，薩版認為波動屬于力學范疇，但戴版認為“波動”與“聲學”的關(guān)系更近。“自由落體”“圓周運動”“單位與因次”及“摩擦”在薩版中單獨成章(第五章、第七章、第八章、第十三章)，但在戴版的目錄中沒有顯示出來。此外，薩版章節(jié)劃分較細，但并不是一一對應(yīng)于戴版的相關(guān)章節(jié)中。可以看出兩書的整個編排思路完全不同。薩本“工科”思維凸顯，有“以項目帶問題”的味道，而戴版則更注重物理學自身的邏輯關(guān)系，便于學生理解，更加適用于教學。

兩書也有內(nèi)容設(shè)置相似之處，如薩版第十一章“萬有引力及地球之運動”與戴版第五章“萬有引力”基本對應(yīng)，薩版第十二章“周期運動及擺子”與戴版第三章“周期運動”對應(yīng)，薩版第十四章“彈性體力學”與戴版第二篇第一章“固體的彈性”對應(yīng)，薩版第十六章“流體之靜力學”、第十七章“流體動力學”和戴版中第二篇第二章“液體的性質(zhì)”基本對應(yīng)，等等。

3.兩書對知識點的闡述差異

在具體知識點闡述方面，兩書各具特色。本小節(jié)將以力學中“開普勒定律”“萬有引力”和光學中“光的本性”“以太”為例，比較二者異同。

3.1 對“開普勒定律”和“萬有引力定律”的論述

“萬有引力”是經(jīng)典力學中的重要定律。在引進該定律時，二者都以“開普勒定律”導入。薩版在引出開普勒三定律之前，簡述了伽利略(Galileo)、哥白尼(Copernicus)及第谷(Tycho Brahe)的工作，尤其突出開普勒(Kepler)三定律對于解釋“日心說”及作為“日心說”基礎(chǔ)的重要地位。戴版則直接列出開普勒三定律。

在表述方面，戴版與薩版亦不相同。對于開普勒第一定律，薩版為“各行星系以太陽為一焦點而繞之作大小不同之橢圓形軌道”，戴版則為“各行星運動于以太陽為焦點的橢圓上”；開普勒第二定律，薩版和戴版分別表述為：

連行星與太陽之向徑(radius vector)，其所掃過之面積，均與所經(jīng)歷之時間成正比。(薩版)

由太陽引至行星的支線即所謂向徑(radius vector)，在等時間內(nèi)，通過等面積。即行星由A至B(第129圖)所需的時間若等于行星由C至D所需的時間，即面積SAB和SCD相等。(戴版)

可以看出，戴版中“第一定律”中未指出各行星運行在不同的橢圓軌道上，“第二定律”中“等時間通過等面積”的表述顯然不及薩版的“掃過面積與時間成正比”更具有普遍意義。就這兩點來看，戴版不及薩版表述準確。戴版優(yōu)于薩版地方在于，戴版有圖說明，使“定律”內(nèi)容更為直觀。這是戴版一個比較突出的特色。此外，在語言運用方面，1933年出版的薩版多用“之”字，十年后1943年出版的戴版則多用“的”。從一個側(cè)面也反映了十年間中國漢語的變遷情況。

在之后萬有引力定律的引出時，薩版使用文字陳述：

根據(jù)此三定律，Newton(1642—1727)乃示明若假設(shè)每行星與太陽間互有吸引力，且此引力與二者之距離之平方成反比，而與二者之質(zhì)量之乘積成正比時，則各行星之運動可以計得。

但之后并沒有緊接著給出公式F∝Mm/R2，而是在兩節(jié)后的“引力常數(shù)”小節(jié)中才提出。

戴版則不同：

Newton根據(jù)此三定律，在1687年發(fā)見(現(xiàn))萬有引力定律。行星的軌道雖為橢圓，但因其與圓極相近似，故若設(shè)行星的質(zhì)量為m，軌道的半徑為r，角速度為ω，則作用于行星的向心力F為F=mrω2=mr(2π/T)2

由Kepler的第三定律則知T2=Cr3

故F=4π2m/Cr2

此為太陽作用于行星的引力，即和行星的質(zhì)量成正比，和距離的平方成反比。但因太陽的引力又和太陽的質(zhì)量M成正比，故太陽和行星之間的引力和m與M成正比，和r的平方成反比，設(shè)其比例常數(shù)為G，則：F=GmM/r2

可以看出，戴版注重圖表的使用及公式的推導，薩版語言表述更加準確。

3.2 以“光的本性”“以太”為例

兩書對“光的本性”“以太”的表述方法各不相同。戴版對光的性質(zhì)和以太的表述為：

(1)光為波長不過短也不過長的(波長和頻率成反比)的電磁波。

(2)解釋真空中的光的傳播現(xiàn)象時假定一個物質(zhì)以外介質(zhì)——以太。認為以太可視為物理空間的名詞，不是單獨存在的特殊介質(zhì)。

薩版對光的性質(zhì)和以太的表述為：

(1)電磁波與光波本性相同，其異點僅在于二者之波長。吾人所謂光波，根據(jù)Maxwell之學說及Hertz之試驗結(jié)果，實與熱波及電波等完全相似，其性質(zhì)均為電磁的。

(2)以太的定義依然發(fā)生了近乎根本性的改變，暗物質(zhì)的語言從某種程度上延續(xù)了以太的某種特質(zhì)，但依然不可否認的是，民國時期中外科學家們心心念念的以太，其實并不存在。

兩書均設(shè)立一節(jié)專門內(nèi)容討論光的本性。但戴版直接認定光就是一種電磁波，光的傳播介質(zhì)以太僅僅是一個物理空間的名詞，不是單獨存在的特殊介質(zhì)。并利用量子假說分析光電流形成現(xiàn)象，圓滿解釋了物理學中的光電效應(yīng)。薩版在“光之電磁學說”和“光源與光波之本性”兩節(jié)內(nèi)容中均簡單談到了光為電磁波，但對其介紹的不夠深入系統(tǒng)。談到狹義相對論時避開了以太的存在，僅通過第一近似式，對速度不大的物體進行了計算，并得到了準確的結(jié)果。明確提出光波傳播中不存在以太介質(zhì)。

整體來看，戴版章節(jié)安排更接近現(xiàn)在教科書，如第一篇先將“力”和“運動”獨立成章，放在其他內(nèi)容之前。薩版則以杠桿開局，“項目”為先，然后才講“力的合成及其分解”。薩版長于文字表述，較少使用數(shù)學語言，少有插圖；戴版更注重圖表和公式的使用，物理學內(nèi)部的邏輯性更強，更具系統(tǒng)性。

三 戴運軌《普通物理學》的影響

戴運軌《普通物理學》剛一面世，就得到了好評。不僅應(yīng)用于金陵大學各系有關(guān)課程教學中，還被多所其他高校采用[8]。上冊出版剛半年時，《科學世界》就刊登了中國科學社李曉舫的一則書評，認為該書編排科學合理，符合教育規(guī)律，尤其“邏輯的系統(tǒng)化”是該書最大的優(yōu)點。教材編寫目標之一，“就是讓學生通過研究物理學而領(lǐng)悟科學方法，不但理解根本原理，且得熟練科學方法，而知自動運用，是乃從事科學教育者應(yīng)具之羅針”[9]，該教材顯然是做到了。

中國科學社劉朝陽教授是知名的物理學家、天文學家，曾先后在在北平研究院、中山大學、貴陽師范學院及國立同濟大學從事物理學的研究和教學工作，他以自己多年的大學普通物理學教學經(jīng)驗認為，此書一方面很好地與中學物理做了銜接，一方面與中國社會結(jié)合的很好；對于發(fā)展迅猛的現(xiàn)代物理學也給與了足夠的關(guān)注[10]。

從著者工作經(jīng)歷及該書出版時間來看，《普通物理學》有可能被金陵大學、臺灣大學及軍校使用。另外，書中多數(shù)插圖是由著者弟弟戴運輸(金陵兵工廠工程師)繪成[7]，《普通物理學》也很可能被推薦給工廠的工程師們使用，產(chǎn)生了一定的影響。

四 結(jié)語

民國時期，在社會各界倡議編寫中文教材的呼聲中，戴運軌編寫了《普通物理學》。戴版《普通物理學》不僅充實了中文大學教材，客觀上緩解了當時薩版高價難求的困境，還為民國普通物理學教科書提供了不同于部定薩版的范本，為之后教科書的編寫提供了更為豐富的可借鑒樣本。

與薩版相比，戴運軌的《普通物理學》在語言表述方面稍遜一籌，但它長于使用數(shù)學工具，善于推導，借助插圖，使要表達的定律、公式更加直觀，并將數(shù)學知識滲入到物理學內(nèi)容中。從這一點上看，戴版更接近于現(xiàn)在的物理教科書。

民國期間，共有三部中文普通物理學教科書產(chǎn)生了重要影響。除上述論及的兩部之外，嚴濟慈編著的《普通物理學》由南京正中書局1947年出版。在時間上，戴運軌的《普通物理學》承前啟后。盡管戴運軌的《普通物理學》在民國期間的影響不及薩本棟的，但該書仍在一些高等院校使用，產(chǎn)生了一定影響。該書為民國高等教育中物理學教學做出了積極的貢獻，理應(yīng)在民國大學教科書中占有重要的一席之地。