如果您是教师、家长、教育家……如果您有时面对孩子的提问无言以对……

在课堂、在家中、在活动中心，孩子们问道：“哪些是废弃物？”“水是一种黏合剂吗？”“如何实现水资源的优化？”“如何给机器人的行为编程？”“机器人是如何给动物生态学家提供研究线索的？“为什么动物要迁徙？”……

通过本书，深知其中奥妙的学者将帮助您对孩子们好奇的“轰炸式”提问做出回答！

“做中学问不倒”这套书结合了科学家和教育者的智慧，以分享知识和经验为主旨，力求使您获得或加深对科学文化知识的了解。

从太阳到细胞、从水循环到可再生能源、从人类起源到纳米世界，对从学前班幼童到中学生而言，本套书摘取的科学概念构成了他们在科学领域探索时必不可少的“行囊”。

本书为该套书之“地球”一册，内容包括：纳米世界，废弃物，建筑材料和可持续发展，机器人，追寻动物迁徙的足迹。

技术领域／1

纳米世界／4

废弃物／25

建筑材料和可持续发展／37

数字世界／55

机器人／58

追寻动物迁徙的足迹／75

术语表／96

译后记／108

坚固的世界

大象和老鼠都是灰色的，但大象并不是一只大老鼠。如果我们把老鼠放大50倍，可以得到一只和大象差不多大的动物，但是这个动物却无法站立。这表明，材料和物体的力学性质(使用建筑学的术语就是“结构”)很大程度上取决于他们的大小。用来描述这种力学性质的词汇非常多。我们可以说一种材料或一种物体是“坚固的”、“牢固的”、“刚性的”、“坚硬的”，或者相反，“脆弱的”、“柔软的”等等。这种形容词都是比较模糊的。比如“脆弱的”这个词，经常被看做是“不坚固的”同义词，而“坚硬的”经常被用做“坚固的”同义词。而实际上，这些同义词的含义不尽相同。

首先来区分强度和刚度。强度是材料或结构经受压力或变形的能力，而刚度则是受外力作用的材料或结构抵抗变形的能力。这是两个完全不同的属性。烧制过的陶器很坚硬却不坚固，而用来攀登的绳索不坚硬(在下跌过程中它能够拉伸超过50％)却很坚固。我们如何根据材料的化学属性和物体的大小来确定它们的刚度和强度呢？为了避免混淆，必须预先设定前提条件。例如，我们试图比较玻璃纤维和尼龙纤维的属性，但因为二者的直径不同，是没有可比性的。如果我们只满足于思考作用力、拉伸和断裂之间的关系，也可能无法得出正确的结论。从本质上来说，一根粗纤维比细纤维更难变形。为了避免这种影响，最佳的方法是计算相对大小。与其直接考虑力的大小，不如考虑每平方米纤维切面上所受的力。这种单位面积上受到的力被称为“应力”。同样的道理，我们也考虑拉伸的总长度，计算拉伸前后长度的比例(一般以百分比表示)。这就是“变形”。应力和变形之间的比例是测量物质材料刚度的一种方法，也就是“杨氏模量”。

在微观层面上，刚度是原子间化学键的直接反应。材料中的原子数量多且连接紧密，这就是一种刚性材料。钻石，一种碳元素组成的结晶体(人们可以用钻石生火取暖)，就是最好的例子。这些碳原子键非常牢固，因为所有的原子共同使用它们的外层电子，这就是共价键。相反，石蜡却很柔软，因为石蜡分子只受范德瓦尔斯力作用，每个原子扭曲变形为电子云。由于刚度是原子和分子间作用力的直接反应，与物体的大小没有直接关系，生日蜡烛和宗教仪式上使用的大蜡烛，它们的杨氏模量是一样的。

强度就不同了。第一感觉是：强度也是由组成物质的原子或分子间的数量和作用力决定的。在测量中可能出现某些瑕疵，由于是“纳米级”(以纳米为单位)的，不容易被发现，这里或那里漏了个原子，或者原子数量过多，位置被其他原子固定了。放大了看，就是一个小窟窿、一条裂缝或者表面的一道伤痕。玻璃是一个很好的例子，它应该非常坚固，但事实并非如此。普通玻璃中的硅原子和氧原子十分稳定，但是，我们做强度试验时，可以在显微镜下观察到玻璃表面的划痕。这就是玻璃碎裂的原因。瑕疵越大，越容易发生破裂情况。这就是为什么玻璃很坚硬，但十分易碎。从某种特殊角度来看，强度不是材料物质内部属性的反映，仅是一种昂贵的测量物体瑕疵的方法。让我们回到纳米世界吧，因为准确地说，物体越小，含有大的瑕疵的可能性就越小，也就更加坚固，就是这么简单！长期以来，人们一直认为玻璃纤维越细越坚固，但对此的认识受限于技术水平的发展。随着纳米材料的出现，将会出现难以置信的高强度的材料。最典型的例子是碳纳米管(NTC)。顾名思义，这是一根直径2纳米的管子，管壁由一层碳原子组成，比如六角形晶体石墨层(由碳原子组成的另一物质，之前我们已经提到过钻石)。一个纳米管可以看成是由原子堆积起来的石磨层。位于内部的碳原子化学键比我们已知的其他材料更加坚固。因此碳纳米管的抗拉强度将在很长时间内保持世界纪录。

由于纳米管的直径只有2纳米，缺陷率非常低，事实上这是众所周知最坚固的物质。但这还不是全部，碳原子很容易重新分配电子，改变化学键的几何形状。这种能力使石磨层可以包裹住结构同样紧密的材料，使纳米管在受到强烈的挤压、弯曲时仍然保持其刚度，内部结构也不会遭到破坏。

纳米纤维也能激发起人们的想象力，其中最前沿的就是太空电梯。与其每次消耗大量的航空燃料来发射火箭或者宇宙飞船，为什么不建造一座连接地表和地球轨道卫星的电梯呢？这是一个很棒的想法，问题是，除了纳米管，目前没有已知的物质能够在如此长的距离内承受得住自身的重量。而且还必须制造出如此之长的纳米管，这与现实还是有较大的差距。无论如何，纳米管已经能帮助实现很多其他方面的梦想。如在法国波尔多的保罗一帕斯卡研究中心，人们制造出了能吸收能量的纤维，这种纤维是制作防弹衣的最好材料。纳米材料提供了许多其他的可能性。在金属领域，通过压缩纳米粒子，可以在室温下得到超级坚硬的金属，其中包括超强耐用的剪刀和威力强大的武器。每个纳米粒子之间的边界都是使之变形的障碍。在陶瓷领域，则可以在低温条件下(-1000℃)制作塑料陶瓷。每个纳米粒子被周围的粒子包围，就像在潮湿沙土中的一粒沙子。

P17-19

十年来，每年出版的《科学的种子》图书像自然界中的种子一样随风播撒。1996年，在法国科学院的支持下，诺贝尔物理奖得主乔治·夏帕克(Georges Charpak)倡导在法国小学开展名为“动手做”(在中国叫“做中学”——译者注)的实践活动，《科学的种子》系列丛书因此问世。该丛书面向科学爱好者、学生家长和中小学教师推出，丛书的每一册都由才华横溢的科学家撰写，分为十几个章节，涉及丰富多样的科学主题。丛书的编写还得到了许多在职教师的大力协助，他们并非专业科研人员，却对科学知识充满了好奇，在品味到科学的乐趣之后，愿意将科学知识传授给自己的学生们。

有不少家长坚信，在“科学”一词面前，自己只能裹足不前。孩子用天真的眼睛打探身外的世界，他们想在家中重温课堂上的实验，与生俱来的好奇心驱使他们提出一个又一个问题，家长们却往往无言以对。希望在孩子成长的道路上，《科学的种子》丛书能帮助家长学会与孩子分享科学的乐趣。

为庆祝《科学的种子》的第十个生日，我们推出了特别的丛书——《问不倒》。事实上，自2006年以来，法国的学前班、小学和初中的教育实践都要遵循一个名为《公共基础知识与能力大纲》的官方文件，该文件规定了法国中、小学校在七大领域中应该传授给孩子们的知识。因此，这并不是传统意义上的教学大纲，而是一个核心，学校具体的课程设置、教师的教学方法和家长的辅导都围绕这个核心展开。《公共基础知识与能力大纲》的原则已经体现在很多欧洲国家的教育体系中，在此，我们无意对其合理与否做出详细的判断。

《公共基础知识与能力大纲》共涉及七种能力，基础数学与科技知识是其中的第三种能力。本丛书关注与数学密不可分的自然科学，我们将重点放在观察和实验上，因为观察和实验体现了自然科学的特色。《公共基础知识与能力大纲》明确借鉴了“动手做”项目的教学理念，在提问、操作和实验中，让孩子们体会到科学的乐趣，他们的好奇心、批判精神和创造力得到发展。面对种种自然现象和科技产物，孩子们的想象力、表达、论证和写作能力得到锻炼，思想由此形成。

全法国的孩子们究竟要具备哪些科技知识？我们真心希望，作为知识国度的一个组成部分，科学和它的孪生姐妹——技术，能像文学、艺术、音乐和其他众多人类实践一样，成为这个国度里最美丽的风景。当然，这个角落包含着丰富的知识，孩子们要知道……孩子们要了解……通过不断知道和了解的学习过程，初中毕业的青少年对于身外的世界有了合理的表述。这片领地中还蕴藏着巨大的财富：通过观察、提问、分辨，学会推理因果，了解可见与不可见，过去、现在和未来……孩子各种能力的发展使他们获益匪浅。对21世纪的地球公民来说，这些能力比以往任何时候都要不可或缺。当然，人类的能力并非是科学赋予的，科学只是启发了孩子的心智，而科学实践又使得他们的能力得以发展，尤其是在孩童和少年时代，因为这个阶段孩子脑部结构和认知功能的形成将影响其终生。

本丛书借鉴《公共基础知识与能力大纲》中主要的科学主题和编写脉络，围绕着宇宙的结构、地球、物质转变、生物、光、能量、人类及其对生态系统的影响、科技产品、数字处理和自动化程序等主题，选取《科学的种子》丛书的精华文章，并做了必要的信息更新。根据以上主题，丛书分为九大部分，每一部分选取若干文章，各部分都有对相关主题的介绍。丛书将让孩子们在成长的过程中，对科学从惊讶到理解。我们将解释如何通过课堂、家庭、日常生活和博物馆中的观察和实验，使孩子们逐渐接受某些复杂的科学概念。我们愿意帮助家长和老师们去衡量，对这些科学主题的了解在孩子们思想形成中起到了怎样的宝贵作用。

从幼儿园到小学，再到初中四年的学习生活是一段很长的道路。从蹒跚学步的幼儿园宝宝到初中毕业的少年，未来向他们打开，发展思想、了解世界的很多机会或许被抓住，也时常被错过。本丛书编写的目的在于帮助孩子们度过他们成长过程中的这些关键时期。

自2000年以来，由五十多个最发达国家组成的、总部设在巴黎的经济合作与发展组织每3年会对15岁的青少年进行PISA测试。该测试主要面向其成员国，也会涉及其他一些愿意参加测试的国家。测试内容包括三个方面：阅读能力、数学能力和科学能力。与法国的初中、高中会考不同，该测试的目的并非通过习题来检测学生掌握的知识，而是考察他们如何运用在学校学到的知识去理解日常生活中遇到的情况，如何面对复杂的实践做出反应。2006年的测试结果说明，在科学领域，法国青少年的能力正好处于平均水平，这个情况本身已经不值得骄傲，更何况其结果差距悬殊。有些青少年表现优秀，他们可能成为令人艳羡的科学方向的学生，然而也有很多青少年面对提问无言以对。值得注意的是，这些孩子们在四年前小学毕业，当时“动手做”活动刚刚开始在校园开展，而四年初中阶段大量的科技教育也不曾帮助他们在测试中取得成功。

法国社会学家克里斯蒂安·鲍德洛(Christian Baudelot)在其新作《共和国精英主义》(2009年出版)中详细分析了PISA测试的结果：测试成绩优秀的青少年将拥有和其他人截然不同的命运。法国因为前者获得了科学力量，他们将成为诺贝尔奖得主、优秀的科研人员、工程师，在飞机、火车和医药制造领域的技术力量。至于后者，小学做课堂实验时，他们的眼睛还闪烁着好奇的目光，但初中阶段的教育并没有使得科学得到理解、技术被赋予价值，到了15岁时，他们已经失去了拥抱未来的力量。

然而，这并不是致命的，因为PISA测试成果分析指出，在科学、数学和法语方面，一个绝对具有说服力的事实是：一个国家的低分学生(测试失败)越少，该国在测试中表现优秀的青少年就越多，加拿大和荷兰便是如此。也就是说，关注学习困难的孩子们不仅能使他们进步，也会让涌现优秀青少年的基数增加。可见，法国所选择的，尤其是初中阶段推行的面向精英的精英式教学，并非培养大量精英的最好选择，而其他学生付出的代价对他们而言是悲剧性的。他们学习失败，因为这个失败，在很长时间里，他们的自信心受挫，甚至完全失去自信。

十多年来，“动手做”实践在法国和其他国家中小学的开展让我们学到了关键的一课：着眼于观察、提问、投入等实践的科学教育，帮助老师、家长，甚至那些被想当然认为是失败者的孩子本人看到了自身的价值。

作为文化知识的一个神秘领域，科学，通过适当的教学法，向那些出生并不优越，并非来自物质丰裕、教养优秀的家庭的孩子们敞开了大门，就如同加斯帕·蒙热(Gaspard Monge)在法国大革命中所理解到的那样。

希望在《公共基础知识与能力大纲》中不断发芽的科学的种子能让每个家庭的孩子分享这份宝贵的财富……

皮埃尔·雷纳(Pierre Lena)，伊夫·凯雷(Yves Quere)

法国科学院院士

贝阿特里丝·萨勒维亚(Beatrice Salviat)

法国科学院教育培训代表团成员

还记得儿时书架上那套《十万个为什么》吗？精致挺括的封面、鲜艳明快的插图、言简意赅的文字，深入浅出的说理，在一问一答中，上至天文、下至地理的科普知识如同磁铁般将读者吸引到了神奇莫测的科学世界里。

2009年末，得知上海科学技术文献出版社将引进法国科学院“动手做”项目科普读物《科学的种子》十年精华版，并冠名以《问不倒》丛书出版的消息，作为译者的我们心中浮出一个疑问：在中国，影响深远的《十万个为什么》已被重版再版多次，出版社为何还要引进类似的丛书呢？

随着翻译的深入，我们的疑问和顾虑被一一打消。摆在面前的这套“舶来品”虽然将读者定位为法国中小学生，但其翻译工作并没有最初想象中那么简单。该书对科学概念的解释不满足于笼统的阐述，对新兴科技知识的传递也不是点到即止，而是运用直白明了的语言，借助实际可行的实验，辅以形象生动的插图，力图将每一个知识点由浅入深地讲解到位。如果说，中国版《十万个为什么》是儿童认识自然世界的敲门砖，让小朋友们从推开的门缝中瞥见了科学知识的光芒，‘那么法国版《问不倒》丛书就为青少年竖起了一块指路牌，引导和鼓励他们在风景无限的科学道路上做出更深入的探索。

于是，在中国版《十万个为什么》问世近半个世纪之后，法国版“十万个为什么”终于有幸和中国读者见面了。作为《问不倒》丛书“母体”的《科学的种子》十年精华版共有近500页，分为九大章节。要在几个月时间内，独立完成这样一本大部头的翻译，几乎是不可能完成的任务。因此，经过与出版社的协商，浙江工商大学外国语学院法语系年轻的教师团队合力承担了该书的翻译任务，并将翻译任务分配如下：《前言》、《术语表》由俞佳乐翻译；《宇宙的结构》、《数字世界》由韦群翻译；《地球》由张帆翻译；《物质》、《生物》由施程辉翻译；《光》、《能》由赵济鸿翻译，《人类》、《技术领域》由楼敏洁翻译。译稿完成后，由出版方根据各章节内容相关度，分为五册图书出版。

为在翻译过程中努力做到理解的准确和表述的通达，译者们利用寒假期间埋首几案，翻开尘封已久的初高中物理化学课本，查阅许多相关科学知识，最终高效及时地完成了译稿。这次翻译的经历可谓苦乐相随，书中涉及大量较为生僻的专有名词，譬如熵、节理、光行差、架构设计、古登堡一里克特定律等等，找出对应的中文术语已费时费力，要能准确解释其概念更非易事。然而，翻译的快乐也来源于此。对我们而言，阅读和翻译本书的过程如同一次奇妙的科学之旅，带我们翱翔于五彩斑斓的微观和宏观世界，去发现或者再发现那些熟悉而又陌生的科学知识。这一切让我们感觉似乎又回到了中学时代，在那时，诸如此类的科学知识并不是课堂教学的重点，埋头苦读的我们往往忽略了科学探索精神的积累和培养。这或许正是至今，我们依然不能回答钱学森之问“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才”的原因之一。

我们衷心希望，《问不倒》丛书能在读者心中又一次播撒下科学的种子，我们热情邀请祖国的希望来到知识的王国嬉戏玩耍，放松心情来体验科学的无穷乐趣和神秘魅力。科学的发展是没有国界的，这套丛书带给我们的将是全新的视角和多样化的研究方法，孩子们将从中获益匪浅。

如今，《问不倒》丛书已顺利付梓，但我们内心仍充满了忐忑。丛书涉及多个学科领域，虽经译者多方查证参考，但由于所涉领域与译者的知识领域相去甚远，在对专业术语词汇的把握上难免有所不足，由于文化上的差异，原文修辞手法等表达也会有别于中文的习惯。因此，我们的译文难免有所不足，乃至存在谬误之处，敬请专家和读者不吝指正。

2010年7月于浙江工商大学

“做中学”项目是全世界科学家在世界范围内的一个联合行动，是科学家本着对未来负责任的一种自觉行动。该项目实际上是一些诺贝尔奖获得者以他们的经历和体验，来探讨怎样去学习科学及如何能够更好地学习科学的方法。“中央电视台·东方之子”在采访我时，我曾经说过，“科学家就是长大的孩子，他永远存在那种好奇心、那种进取心去探索问题”。“做中学”就是能使我们的孩子将来有科学精神，能够有实事求是的精神；是为中国准备20年以后合格的公民，为中国21世纪培养合格的人才。

——韦钰院士谈“做中学”