静心探索重要的基础科学问题不求“短平快”70后物理学家翁红明******
翁红明在讲解电子运输理论。
田春璐摄
人物简介：
翁红明，1977年出生，现为中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室研究员、博士生导师。主要致力于凝聚态物理计算方法和程序的开发以及新奇量子现象的计算研究，成果入选2015年度中国科学十大进展、英国物理学会《物理世界》2015年度十大突破、美国物理学会《物理评论》系列期刊创刊125周年纪念文集等。
在中科院物理研究所（以下简称“物理所”）的年轻人里，研究员翁红明是小有名气的一位。就在刚刚过去的2022年，他因在数学物理学领域的杰出贡献，获得第四届“科学探索奖”。
在国际计算凝聚态物理研究领域，翁红明成果颇丰。其中最为人称道的，是他和同事们合作首次在固体中观测到外尔费米子和三重简并费米子的准粒子。这是国际上物理学研究的重要科学突破，对拓扑电子学和量子计算机等颠覆性技术的诞生具有非常重要的意义。
自由思考、厚积薄发，真正对人类文明有所贡献
1928年，英国物理学家保罗·狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年，德国科学家赫尔曼·外尔指出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子，即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷，却不具有质量，因而具有确定的手性（指一个物体不能与其镜像相重合，如我们的双手，左手与右手互成镜像，但不能重合）。
但是80多年过去了，科学家们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子。直到2015年1月初，中科院物理所方忠研究员带领的研究组与普林斯顿大学研究小组合作，从理论上预言了在以砷化钽为代表的一批材料中存在着外尔费米子。此后，这个理论预言经过实验得到了进一步验证。
在研究过程中，翁红明发挥了至关重要的作用。他从发表于1965年的一篇实验文献中受到启发，并通过第一性原理计算，初步认定砷化钽晶体等同结构家族材料可能是无需进行调控的、本征的外尔半金属。这类材料能够合成，没有磁性，没有中心对称，是实验制备、检测都非常便捷的绝佳材料。
翁红明说：“这一发现的难度在于，从众多材料中找到合适的对象犹如大海捞针，必须对外尔费米子和材料物理特性都有相当认识才行。”
在外尔费米子被发现的一年后，翁红明和同事们又进一步“预言”：在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态。
2017年6月，这个新预言被实验证实，三重简并费米子被首次观测到。这是物理所科研团队继拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔费米子之后，在拓扑物态研究领域取得的又一次重要突破，引起国际物理学界广泛关注。
成绩源于多年的深耕积累。翁红明很享受在物理所工作的经历：“这无关荣誉，我找到了更感兴趣、更加深入的研究领域和方向。”
自由思考、厚积薄发，一直是翁红明喜欢的学术氛围。他所追求的不是多发表文章，而是能攀登科学高峰，真正对人类文明有所贡献。
科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够的
作为理论物理学家，翁红明专攻量子材料的计算和设计。
物理学通常分成两大类，即理论物理和实验物理。理论物理通过理论推导和公式推算得出的结论被称为“预言”，“预言”必须通过实验验证才能成为国际公认的科学事实。
在翁红明看来，他接连获得的几次重大发现，都离不开与同事们的通力合作。这，也是他做科研一直特别重视的一点。
“理论预言、样品制备和实验观测，这三个环节缺一个都不行。”翁红明说，“在当今科学领域细分程度非常高的情况下，科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够的。当有重要任务目标时，我们几个小组紧密合作，在理论、样品、实验等环节实现了环环相扣、无缝对接。”
在许多人的想象中，理论物理学家的工作，就是每天独自埋头在稿纸堆里计算推演，然后坐着冥思苦想、灵光乍现。
但翁红明认为，计算推演的确要做，思考分析也不可少，但和同行们的交流也非常重要。他每天上班的第一件事就是查看和了解国际上最新的科研进展，然后分析、思考、计算，再把自己的想法跟同事们交流。“很多时候，我的一些想法，或者说突然的一些灵感，其实都是在思考、交流和工作过程当中产生的。”
“发现三重简并费米子”这一成果，就源于翁红明和石友国、钱天两位同事一次喝咖啡时的思想碰撞。
物理所的咖啡厅在学术界享有盛誉，不但因为咖啡好喝，也因为常有科研人员汇聚在此畅聊科学、各抒己见，聊着聊着，灵感经常“火花四射”。
和大家一样，翁红明、石友国和钱天工作之余也喜欢在咖啡厅一聚。翁红明有什么新想法会第一时间告诉他俩；石友国和钱天在实验过程中有什么新发现或疑惑，也会第一时间反馈给翁红明。
“闲聊中就能交换信息，我们的交流是完全敞开的，毫无保留地让大家知道彼此做了什么。”翁红明说。
翁红明告诉记者，在科研道路上，自己非常珍视的成功秘诀有两个，一个是注意总结和积累，另一个就是跟别人多交流。
“目前我努力发展基于大数据和人工智能的凝聚态物质科学研究，其实也是基于这两点考虑，因为所有人的知识积累都体现在这些数据当中。”翁红明说。
做研究应该抓住一些更新奇、更本质的问题
1977年，翁红明出生在江苏泰兴一户普通人家。他的父母都是农民，家里还有一个姐姐。
初中开始，翁红明第一次接触到物理，从此便沉迷其中。“物理让我对周围的世界有了更深入的了解和认识。”翁红明说。
兴趣是最好的老师。对物理的热爱，指引着翁红明叩开了物理科学的大门。
1996年，翁红明参加高考。在填报志愿时，他毫不犹豫地将所有的志愿都填上了物理。最终，他如愿被南京大学物理系录取。
南京大学的物理系在凝聚态物理领域积淀很深。翁红明在这一领域进行相关知识的学习与研究，一学就是9年，直到博士毕业。毕业后，他去了日本的东北大学金属材料研究所做博士后研究，主要研究各种材料的导电性质。
到日本一年半后，翁红明萌生了转换研究方向的想法。
“我想要转到计算方法和程序的发展上，这是凝聚态物理领域中一个最基础也是最具有核心竞争力的方向。”翁红明说，“如果想要在这个领域有长远发展，就要在这个方向上有一定的积累。”在他看来，静下心来探索重要的基础科学问题，要比做一些“短平快”研究更有意义。
想归想，但真正下定决心，翁红明也经过了一番纠结。
他坦言：“当转到一个更基础的方向，也意味着你在未来的几年甚至是更长的时间里都需要耐得住坐冷板凳。所以必须做好思想准备，去做一些积累性的工作。”
2008年，翁红明的人生又有了一次重大转折。
那一年，物理研究所研究员、博士生导师方忠到日本访问交流，翁红明跟他进行了深入的交谈和讨论。
翁红明告诉记者：“他跟我介绍了当时做的一项很有意思的工作。虽然我那时并没有很深刻的理解，却受到很大的启发——做研究应该抓住一些更新奇、更本质的问题。”
在方忠的影响下，2010年，翁红明决定回到国内，入职物理研究所，成为方忠团队的一名成员。
翁红明说：“每个人在一生当中可能会跟很多人交往交谈，但在人生重要转折时刻能够给你启发的却不多。能有这样的机遇去跟方忠老师交流并受到启发，我觉得这是非常宝贵和幸运的。”
在新的一年里，翁红明说自己有很多研究工作要做，尤其是如何在拓扑电子学器件研究方面取得突破，促使拓扑电子态理论变成可落地应用的技术。而这，需要跟器件和应用等方向的研究人员进行交流和讨论。
翁红明相信，拓扑时代的黎明时分正在临近。（记者 吴月辉）
数字教科书：教育转型发展的必选项******
【世界教育之窗】
作者：牛楠森（中国教育科学研究院基础教育研究所副研究员）
新一轮科技革命和产业变革深入发展，全球经济越来越呈现数字化特征，因而世界各国都把数字化作为经济发展重点，覆盖经济社会发展全领域。教育作为影响国家当下和未来政治经济社会全方位发展的重要因素，更是数字化转型发展的关键领域。新冠肺炎疫情的发展，也使得线上线下混合学习成为全球教育不得不采用的新形态。可以说，顺应经济数字发展要求，满足学生不受时空限制的大规模学习需求，教育数字化转型已成关乎世界各国教育生存发展的必选项。
数字化教材的开发与使用是教育数字化转型的撬动因素之一。数字化教材，即以数字形态存在、可装载于数字终端阅读、可动态更新内容、可及时记录交互轨迹的新型学习材料。数字教材是国家教材的新类型，既有教材的一般属性，即它是关联教与学的核心纽带，是国家教育方针的落实载体，也有信息技术产品的一般属性，即开放性、个性化、交互性等。因而，数字化教材被视为撬动课堂教学改革及教育改革的重要支点，是教育数字化转型的重要抓手。世界各国基于各自国情基础和需要，积极探索数字教科书的应用、推广、师资培训、使用效果和评价指标，以构建本国的数字教科书使用体系，保障数字教科书的科学有效使用。
政府是数字教科书的主要推动者
数字教科书不同于一般的数字教育资源，隶属于教科书系列，事关“培养什么人，为谁培养人”的问题。因此，世界各国多由政府直接或间接通过专项计划的形式来推广本国数字教科书的使用。
韩国是世界上较早推行数字教科书且已有成效的国家之一。这同韩国政府二十年来的持续推行密不可分。早在2002—2006年，韩国政府便开始探索建立数字教科书模型。2007年，韩国教育部宣布实施中长期“数字教科书商业推广计划（2007—2011）”，开始进行数字教科书试点，测试数字教科书应用于课堂教学的有效性。2011年，韩国教育部宣布“促进智慧教育的行动计划”，主要任务便是开发和应用数字教科书。2013年，韩国宣布“数字教科书开发和调整计划”，正式启用数字教科书教学，课堂上数字教科书与纸质教科书并行使用。2016年，韩国教育部公布“基于2015年修订课程方案的国家指定/授权中小学数字教科书分类（提案）”，开发易于实施、以学习者为中心、多媒体分级的数字教科书。2018年，数字教科书逐步在普通学校全面推广和应用。根据韩国教育研究信息院2021年发布的教育白皮书，从2014年到2021年，韩国全境使用数字教科书的中小学由163所增长到10755所。
法国政府较为重视在农村地区推行数字教科书，以提高农村地区教育质量和全国的教育公平水平。2009年，法国政府拨发专项资金用于支持农村地区的教育信息化发展，即“数字农村学校项目”主要用于农村的数字化基础设施建设。同年，法国政府推行了一项数字教科书试点计划，向来自12个学区的69所初中的一、二年级学生提供数字教科书，包括法语、历史、地理、数学、物理、化学等学科。该项目于2016年5月结束，累计为15000多名学生和1500多名教师提供了数字教科书。2016年，法国教育部又联合投资总署实施“创新的数字学校和农村计划”，用于支持农村地区小学的教育数字化创新发展，进一步完善农村地区学校的带宽等信息化基础设施建设。法国教育部下属的教学项目、教师专业发展和数字发展办公室负责数字教科书推广相关工作，如开发在线平台、组织教师培训并提供多学科课程教育资源。
美国的数字教科书推广也是政府行为，但由州政府先发起，联邦政府支持肯定，再颁布全国计划。美国第一个数字教科书项目，是时任加利福尼亚州州长阿诺德·施瓦辛格于2009年提出的“免费数字教科书计划”，同年，加州法案通过允许K-12公立学区为学生提供数字教科书的规定，允许地方购买达到国家规定的幼儿园和1—8年级数字教科书，以及达到州政府标准的9—12年级数字教科书。2012年10月，时任美国教育部部长阿恩·邓肯呼吁全国学校尽快采用数字教科书。随后，美国教育部与联邦通讯委员会颁布《数字教科书指导手册》，构建了数字教科书建设的系统框架，用于指导全美的数字教科书事业发展。但美国政府并未全权领导和推动数字教科书事宜，2001年成立的美国国家教育技术总监协会是主要的执行推动者，该协会以推动全美教科书电子化为使命，并同美国各州和地方政府形成长效合作机制，发布《美国数字化教科书发展报告》，提供相关的数字教科书资源和软件，引领和支持各州的数字教科书发展。
数字教科书有效运行需要持续投入
数字教科书的数字属性，对国家信息化水平、校园和家庭信息化条件、终端设备等均提出了要求。同时，信息技术发展迅速，基础设施更新换代率极高，进一步抬高了数字教科书的使用成本。面对这个客观现实，各国的应对策略不同，但均持多元路径、积极投入的态度。
法国在“数字教育战略”规划下，为加强学生数字能力、促进教师专业发展和激发教学创新，在学校的数字化基础设施和设备上投入了大量资金，2013—2017年便投入了约23亿欧元，为中小学师生配备高水平的数字化和网络数字设备。
德国2019年正式启动“中小学数字化协议”项目，计划此后五年每年投入5亿欧元用于学校信息化平台建设。2020年，德国在向欧盟提交的《国家恢复和复原力计划》申请中，明确设置了专项资金支持“教育数字化”计划，用于教师数字教育资源和数字技能的数字设备支出，以及开发德国数字教育平台。
韩国科技部发布《2021年数字新政行动计划》，将资助128亿韩元为“教科书试点项目”完善硬件设施，为累计270000间中小学教室安装高性能Wi-Fi，提供约80000台平板电脑。此外，为丰富数字教科书内容，韩国也在积极推进完善《促进远程教育框架法》的立法工作，并修订《教育用著作权作品指南》以扩大中小学教育用著作权作品范围。
数字教科书进入学校的两种路径
不同国家的数字教科书开发模式不同，也会影响数字教科书进入学校的方式。
在韩国，数字教科书是由教育部主导开发与部分授权相结合。根据课程和学习阶段，数字教科书有不同的授权和批准系统，基于“2015年修订课程方案”，小学三、四年级的社会研究和科学科目由国家指定开发，初中一年级的社会研究和科学科目由私人出版商开发、政府部门验收授权后投入使用。因而，在经历了国家主导开发或授权审查后的数字教科书，可以直接推行至学校。当然，这种推行并非是全面铺开，而是试点制逐步推行。2007年，在数字教科书推行的初始阶段，韩国教育部选择了小学五、六年级的部分科目，首期选了20个试点学校，后扩大到100所。至2020年，韩国教育部的报告表明，小学三、四年级、初中一年级的社会研究、科学、英语科目，小学五、六年级和初中一到三年级的社会研究、科学和英语，以及高中三年的英语科目，都应用了国家授权的数字教科书。换言之，除了小学低段的一、二年级，整个基础教育阶段其余年级的部分学科已经应用数字教科书。
在美国，各州政府会参考美国国家教育技术总监协会提供的数字教科书采购指南，组织相关部门对出版商开发的数字教科书进行审核，通过后投入学校使用。以加利福尼亚州为例，教学质量委员会作为州教育部门的咨询机构，负责监管数字教科书评审、建议和任命专家审查小组成员，小组成员一般包括教师、管理人员等教学评审专家，以及专门负责内容审查的专家。教学质量委员会在参考专家审查意见的基础上，为州政府提交数字教科书审查报告。与此同时，教学质量委员会还会收集整理公众对数字教科书的审阅和评论，并撰写研究报告。州政府综合这两份报告，并召开三次公开听证会，充分考虑民众意见后，发布教科书采购清单，供所在州和地区的学校参考。
数字教科书对学生的多元成效
从理论上来说，数字教科书可以通过互动性和多媒体功能，帮助学生更好掌握相关知识，也可以增强学生的信息素养，帮助他们适应数字化社会等。换言之，只有对学生发展真正起到独特而不可替代的作用，才是数字教科书存在和发展的根本依据。
韩国学者使用个案研究、访谈观察等实证研究方法来探究数字教科书对学生的影响。他们发现，在课堂上使用数字教科书的学生在学业成绩、解决问题能力方面要高于使用纸质教科书的学生，数字教科书也有助于提升学生的学习态度、兴趣、动机和自学能力，对学生学习动机的影响要高于对学生成绩的影响。具体来说，随着学生使用数字教科书的时间和频率的增加，学生将获得多方面提升：一是自主学习能力提高，如学生能为自己制定计划，并按照计划进行，同时，设定优先级并首先做重要的事情；二是创新与创造能力显著提高，学生能运用创新思维和方法解决问题等；三是信息素养有所提升，如学生可以收集学习所需信息、用收集到的信息弥补知识空缺。此外，研究发现，教师对数字教科书使用的热情越高，学生的信息素养能力也越高，但与学生的自主学习能力、创新创造能力之间并无显著相关。
关于“数字教科书的使用能够显著提升学生学习动机”这一结论，在美国和英国也得到证实。美国学者通过为处于成绩上游、中游和下游的小学一年级学生提供数字化书籍，再采用问卷调查和一对一访谈的方式，发现使用数字教科书提高了学生学习动机水平。英国学者对11—12岁的小学生进行分组实验研究发现，相较在课堂教学中使用纸质教科书的对照组，使用数字教科书学生的小组成绩和个人成绩更高，学习态度也更积极，学习动机水平更高。
多路径提升教师数字教科书教学能力
数字教科书并非传统纸质教科书的数字化，它是一种新型的教学载体，对教师的学科知识、知识跨度，信息素养、教学整合能力都提出了更高要求，对其所习惯的传统教学方式也提出了挑战。数字教科书的推广过程，也是教师教学能力的转型过程，所谓老路走不到新目的地，因而各国纷纷采取积极策略提高教师的数字教科书教学能力。
美国国家教育技术总监协会提出，各州和地区必须为教师提供专业的信息化培训课程，内容涉及资源使用培训、同伴辅导、持续的专业学习等；培训目的在于让教师有能力选择符合课程标准、支持所有学生使用的数字教科书，持续提高教师信息化素养。
为提升教师数字化水平和技能，法国采取了培训与认证两种路径并行的方式。在项目培训方面，既有专门的数字化培训项目，如法国的“教育数字领地”计划将教师培训作为关键措施之一，根据教师个体需求、背景和专业知识水平，将数字化技术作为培训主题；也有一般类的教师专业发展培训中的“信息化”专题，自愿选择该专题的教师比例从2013年的39.8%增加到2018年的50.2%。在资格认证方面，2007年，法国教育部以教育法令的形式颁布了中小学教师专业能力标准，将信息与通信能力纳入教师十大必备专业能力，只有获得国家规定的计算机与网络二级认证证书，才有机会获得教师资格证。
韩国多措并举提升教师数字化教学能力。首先，制定专门的数字教科书培训计划，派遣指导顾问入校提供现场培训。其次，学校自主建设校内数字教科书学习社群，在学习社群里，教师自愿贡献优秀案例并进行经验交流，以学习共同体的方式提升数字教科书应用能力。另外，2021年，支持教师信息通信技术能力提升的在线平台ITDA交付使用，为教师提供了更丰富的数字教科书资源，更为开放的交流平台。
（本文系国家社科基金教育学重点课题“新时代五育融合实践路径与评价改革研究”）
《光明日报》（ 2023年01月05日 14版）
