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数学文化与数学素养  

2012-04-07 06:57:28|  分类: 数学空间 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自shengge《数学文化与数学素养》

数学文化与数学素养

李大潜

(复旦大学教授,中国科学院院士,教育部高等学校教学与统计学教学指导委员会主任委员) 

    要谈数学文化,首先就碰到“什么是文化”这个问题,与此相关的还有“文化”、“文明”这两个经常在口头或书面混用的词究竟有没有区别或究竟有何区别这样一些问题。这些问题不弄清楚,立论难免会有偏颇。但这种咬文嚼字的工作,却不是我们数学家的强项,逻辑思维再好,也是愈想愈不明白的。无奈之下,只好去查字典。正好手头有一本辞海,那儿在“文化”这一条目中写着:“广义指人类在社会实践过程中所获得的物质、精神的生产能力和创造的物质、精神财富的总和。狭义指精神生产能力和精神产品,包括一切社会意识形态:自然科学、技术科学、社会意识形态。”无论是广义的还是狭义的,看了以后都有些不得要领。再看“文明”这一个条目,写得到相当干脆,说“犹言文化。如:物质文明;精神文明”。这就为我们在一定条件下将文化与文明这两个字眼不斤斤计较它们可能有的区别而加以混用开了绿灯。但到底什么是“文化”呢?问题还是没有解决。于是接着查英汉大辞典。其中对“Culture”的中译为“文化,文明;教养,修养;陶冶,教育”,而对“Civilization”之中译则为“文明;(特定地区、国家和时期的)文化、社会和生活方式;开化,教化(过程)”。这进一步说明了文化与文明这两个字语至少在不少情况下的确可以混用,而具体到底用哪一个,要根据现在约定俗成的语言习惯,也会夹杂着用者个人不同的品味。至于“文化”的含义,综合这两个大辞典上的说法,我觉得在精神及意识形态的层面上,够得上称为文化,特别是够得上称为先进文化,应该在下面的两个方面均有所体现:一是在深化人类对世界的认识或推动人类对世界的改造方面,在推动人类物质文明和精神文明的发展中,起过或(和)起着积极的作用,甚至具有某种里程碑意义的。二是在这一历史进程中,通过长期的积累与沉淀,自觉不自觉地转化为人类的素质与教养,使人们在精神与品格上得到升华的。人类在认识世界与改造世界的过程中,也自然会加深认识并不断改造着自己,向更高更完善的境界前进。因此,这两方面既有区别,又密切联系,总起来就组成了人类文明的进程,构成了人类文明的发展史,也形成了现今意义上的文化。

    正是基于这样一个总的认识,下面将主要就三个方面的内容发表一些不成熟的看法,供大家参考,并欢迎批评指正。

    一、数学是一种先进的文化

    先谈谈对数学这门学科的看法和认识。

    数学是什么?按照恩格斯的说法,数学是研究现实世界中的数量关系和空间形式的科学。这是对数学的一个概括、中肯而又相对来说易于为公众了解和接受的说法。尽管从恩格斯到现在,数学的内涵已经大大拓展了,人们对现实世界中数量关系和空间形式的认识和理解也

已今非昔比、大大深化和发展了,但恩格斯的说法应该说仍然有效,没有必要从根本上加以改变。

    长期以来,在人们认识世界和改造世界的过程中,对数学的重要性及其作用逐渐形成了自己的认识和看法,而且这种认识和看法随着时代的进步也在不断发展。现在概括起来,大概有下面这么几条:

    1.数学是一类知识

    从小时候识数开始,经小学、中学到大学,数学都是必修的重要课程。数学作为人类必不可少的一类知识,地位已经牢固地确立。和科举时代只学四书五经相比,时代毕竟是大大地前进了。

    2.数学是一种语言

数学是一种科学的语言。伽利略就曾说过:“宇宙这本书是用数学语言写成的……除非你首先学懂了它的语言……这本书是无法读懂的。”数学这种科学的语言,如果运用得当,是十分精确的,这是数学这门学科的特点。同时,这种语言又是世界通用的。加减乘除,乘方开方,指数对数,微分积分,常数等,这些数学语言和符号一开始虽然可能五花八门、各有千秋,但早已统一为一个固定的样式,世界各地通用。正因为如此,尽管不怎么精通外文,往往还是可以凭着文中的记号及公式把外文书籍或论文中有关的数学结论猜个八九不离十。数学是一种精确的科学语言这一点,应该容易成为人们的共识。

   3.数学是一个工具

    数学是一个有力的工具,在人们的日常生活及生产中随时随地发挥着重要的作用,已经是一个不争的事实。在现代,数学作为四化建设的重要武器,在很多重要的领域中更起着关键性、甚至决定性作用,这一点也愈来愈清楚地为人们所认识。

    4.数学是一个基础

    数学是各门科学的基础。不仅在自然科学、技术科学中,而且在经济科学、管理科学,甚至人文、社会科学中,为了准确和定量地考虑问题,得到有充分根据的规律性认识,数学都成了必备的重要基础。现在,很多科学(特别是很多自然科学)中的数学化趋势,有的己初见端倪,也已是呼之欲出。

    5.数学是一门科学

    数学不仅具有上述那些服务性的功能,而且特色鲜明,自成体系,本身是一门重要的科学。按照恩格斯的说法,自然科学是以研究物质的某一运动形态为特征的,而数学则不然,它是忽略了物质的具体形态和属性,纯粹从数量关系和空间形式的角度来研究现实世界的。数学和物理、化学、天文、地学、生物等自然科学不属于同一个层次,不是自然科学的一种,而是和研究思维规律的哲学类似,具有超于具体科学之上、普遍适用的特征。现在的数学科学已构成包括纯粹数学及应用数学内涵的众多分支学科和许多新兴交叉学科的庞大的科学体系。好多学校的数学系改名为数学科学学院,反映了这一个现状和趋势。

    6.数学是一门技术

    过去一支笔、一张纸就能搞定的数学,竟然可以成为一门技术,似乎是匪夷所思。但是,数学的思想和方法与计算技术的结合的确已经形成了技术,而且是一种关键性的、可实现的技术,称为“数学技术”。它本质上是数学的内容物化为计算机的软件及硬件,成为技术的一个重要组成部分和关键,从而也可以转化为先进的生产力。“高技术本质上是一种数学技术”的观点现已为愈来愈多的人们所认同。

    7.数学是一种文化

    数学是一种先进的文化,是人类文明的重要基础。它的产生和发展伴随着人类文明的进程,并在其中起着重要的推动作用,占有举足轻重的地位。

    远在古希腊时代,著名的毕达哥拉斯学派的信条就是“万物皆数’’(这儿的数指的是整数),他们是通过数来理解整个世界的。在数学史上,古希腊的数学是一个极为辉煌的时期,整个古希腊的文明是与其相伴并以其为基础的。在古希腊,一个不懂得数学的人不算一个有文化、上档次的人,是被人轻视,难以进入大雅之堂的。柏拉图在雅典学院的门口大书“不懂几何学的人不得入内”,就充分体现了这一点。在当时,懂不懂数学是身份、品位和文明的象征,数学是作为一种高雅的文化得到人们的尊重的。这正像在俄国过去的沙龙中,人们是以说法语为荣的。在俄国的上层社会,懂不懂法语成了有没有文化上不上档次的一个标志。托尔斯泰的《战争与和平》中有着大段大段直接用法文写出的对话,就是一个明证。文艺复兴是在中世纪的黑暗统治之后力图恢复古希腊的文明及传统,所以称为文艺复兴。这个传统一直延续下来,应该说,在西方,数学作为一种文化、作为一种文明的象征受到尊重,是有悠久历史的。

    在我们国家,情形有很大的不同。在过去,一个人懂得诗词歌赋,会得琴棋书画,甚至会写一点儿八股文,就被尊为文人,就被认为有文化、有知识、有品味,科举的大门为他们敞开,升官晋爵的机遇也主要向他们提供。而懂得数学,好的,大体上被视为一个能工巧匠:

不好的,甚至视为另类,视为一个不食人间烟火的怪物,恐怕很少会有人把这和文化沾边、觉得有什么文化的。这种情况现在有了一些转变,但要在内心深处承认数学是一种文化,而且是在推动历史进步、人类文明发展方面起重要作用的文化,是人类文明重要的支柱;要在内心深处认为对数学必须大力弘扬,必须努力创造条件使数学在我国更快的发展,为人类的文明做出更大的贡献;要在内心深处承认自己的数学根底不够不是一个可以炫耀的资本,而是一个严重的缺憾,是一个拦路的障碍,不仅自己要努力学好数学,而且要鼓励、推动下一代学好数学、用好数学,凡此等等,无疑还需要作很多细致深入的工作,也还需要假以时日。

    鉴于对数学是一种先进的文化这一点,现在认识到的人还不多,在我们国家也似乎一直没有引起足够的重视,有必要多作一些说明。其实,只需看下面几个例子,就足以看到:数学在人类文明的进程中一直起着积极的推动作用,是人类文明的一个重要支柱。

    (1)记数与进位。  数学开始于数数。原始人大约只能区分1与多,碰到3就觉得多了,三人为“众”大概就是这样来的。后来有了十进制(在巴比伦是六十进制,在古代法国是二十进制,但基本点是相同的),用1,2,3,4,5,6,7,8,9和0这十个数字,再加上逢十进一,就可以表示世界上任何一个数字。这是现在的人们从小就知道的事实,似乎是天经地义的。然而,这却是数学给人类文明带来的一个不可磨灭的巨大贡献。没有了它,稍微大一些的数字就会使人晕头转向,更谈不上庞大的天文数字或是极其微小的数字了,现今金融行业或科学试验中种种复杂或高精度的数学运算根本不可能进行,我们还能有如此高度发达的文明社会吗?

    (2)零。在人们的常识中,似乎O与l,2,3,4,5,6,7,8,9一样是同时出现并处于同等地位的,但是零的出现与使用,却要晚得多,它的作用也颇为特殊。中国是最早提出零这个概念的国家,在运算中出现零的地方,留下一个空格来表示,这就不至于引起混淆,而用“0”这一个符号来表示零,则是印度人的贡献。这是东方文明的一个划时代的成果。在欧洲,一直到文艺复兴初期,还不知道、不承认这一点,并将“O”作为异教的符号而一律加排斥和打击。因此,直到那个时期,欧洲人很少能顺利地进行乘除法,更不用说开方运算了。我们常说祖冲对圆周率精确计算到小数点后第七位,领先于欧洲近千年。其实,祖冲之计算圆周率的方法本质上还是公元前2世纪多阿基米德提出的割圆术,在方法上并不比欧洲人领先。说祖冲之的结果领先欧洲近千年,本质上应该是中国人比欧洲早近千年使用了零这个符号,从而更早掌握了乘除法及开方的艺术。零的出现和使用,无疑是数学对人类文明的一个石破天惊的巨大贡献。

    (3)欧几里得几何。人们生活着的世界究竟是什么样子的?究竟具有怎样的空间形式?这是人类在认识世界与改造世界时所不可回避的大问题。公元前3世纪古希腊的欧几里得集当时几何知识的大成所著的“几何原本”,是后来称为欧几里得几何的经典,一直沿用至今,其中不少内容已经成为人们的常识,并且为人类的基本生活及生产活动提供了可靠的依据。没有它,不可能有古代的金字塔和万里长城,也不可能有现代的摩天大楼和三峡工程。几何学这一历史悠久的数学分支,深刻影响着人类文明的进程,至今仍在发挥着不可替代的重要作用。

    (4)对数。将任何一个正数用某一个给定正数的指数幂来表示,这个指数幂就称为这个正数以此给定正数为底的对数。这一个看起来是“概念的游戏”,可以将任何两个正数的乘除运算化为相应指数幂(对数)的加减运算,实现了由乘除到加减这一个惊人的转换,使人们从大量繁复的乘除运算中解放了出来,无疑是对生产力的一次巨大解放和推动。和其他的数学发现不一样,对数的发明事先似乎并无任何征兆,仿佛一下子突然降临到人间,然而,它是以计算实践的迫切需要为强烈背景的。正如对数的创始者纳皮尔(J.Napier)所说:“要实际应用数学,我看最大的障碍就是处理数字的相乘、相除,或且求取二次或三次方根……因此我开始思考,有没有什么方法可以去除这些障碍”。正因为这样,对数这一发明一开始就得到普遍的欢迎和广泛的应用,又一次显示了数学文化的威力。

    (5)解析几何与微积分。解析几何与微积分作为现代数学登上历史舞台的突出标志,是人类文明的重要瑰宝。正如恩格斯所说,有了它们,“才能使自然科学有可能用数学来不仅仅表明状态,而且也表明过程,即运动。”它们的发明,是受到产业革命需要的强烈推动的,尽管当时理论上还很不成熟,甚至有相当大的混乱(特别对微积分是如此),但由于所得的结果总是对的,仍然得到普遍的采用并迅速得以推广,至于其严格理论基础的建立则是后来的事了。这说明数学一旦显示了了它在人类认识世界和改造世界中的巨大的作用,就必然会作为一种数学文化显示出巨大的生命力,推动着人类的进步,改写着人类的历史。

    这样的例子可以说不胜枚举,但就从这些例子已足以看出:数学过去是、现在是、将来也将是一种先进的文化,它带领着、推动着、影响着人类的文明进程,深刻地改变着世界的面貌,也改变着人类本身的思维能力和认识水平,改变着人类的本身。人类充分享受着数学文化的恩惠,但往往浑然不觉,习以为常,对数学文化重要性缺乏自觉的认识,因而不可能不从消极方面影响到自身的成长及人类社会进一步走向更高级的文明,这是值得认真反思并引起足够重视的。古人说:“天不生件尼,万古长如夜。”如果没有数学,没有数学的进步,

人们可能还生活在中世纪的黑暗中,过着“长如夜”的生活,我们有什么理由不尊重数学文化,不重视数学文比引领和熏陶作用呢?

二、自觉接受数学文化的熏陶,努力增进自身的数学教养

    从小学到中学,从中学到大学,从大学到研究生阶段,人们都在学习数学。那么,为什么要学习数学,或静说学习数学的目的究竟何在呢?答案似乎很简单:学习数学,不就是要获得数学知识,要学得一大堆重要的致学概念、定理、公式和结论,懂得各种各样的数学方去和手段吗?这种单纯以学习知识为目的的观点,将教争仅仅看成是知识的传授,是很片面的,也是很有害的。至于现在中小学的数学教育中,将完整的数学知识体系手分割为若干互不联系的支离破碎的知识点,孤立地进行讲授,甚至还按照考试大纲的要求,在教学中决定这些知识点的取舍或轻重,更是误人子弟,流毒非浅,等面下之了。

    1.学习数学学科的目的

    无论是对中小学还是对大学,无论是对理工科还是对文科,无论是对青少年还是对成人,应该努力达到如下三个方面的要求:

    (1)通过学习数学,对数学这个学科有一个基本正确的认识和理解,对数学的重要性,对数学在推进人类社会物质文明与精神文明发展方面的重要作用,对数学是一种先进的文化,包括对数学带来的美感,有一个基本的认同和体会。因而对数学有一种仰慕和敬重,有一种向往和热爱,有一种亲和力。如果觉得数学纸上谈兵,毫无用处,觉得数学高不可攀,难以理解,觉得数学枯燥无味,甚至面目可憎,对其敬而远之,退避三舍,这样的数学教与学,无疑是失败的。

    (2)通过学习数学,特别是通过数学严格的训练,能逐步领会到数学的精神实质和思想方法,在潜移默化中积累起一些优良的素质,造就自己的数学教养,不仅变得更加聪明起来,而且对今后一生的发展都会起着重要的积极作用。这一点,特别体现了数学教育本身就是一种素质教育。忽略了这一点,就失去了数学教育的灵魂。

    (3)通过学习数学,不仅积累数学的知识和方法,掌握必要的工具和技巧,而且提高了将数学有效地用于解决现实世界中种种实际问题的自觉性和主动性,并具备一定的能力,今后能够和他人合作或想到和他人合作,运用数学思想和工具来解决自己在工作中碰到的一些关键问题。在这方面,要求在一定的程度上熟练掌握关键的数学知识和方法,也要求用数学来解决实际问题的意识和能力,并要求将二者结合起来。

    如果达到了上面这三方面的要求,数学的教与学应该说才是真正完满地实现了自己的任务,否则,就是不完全的、有缺憾的,甚至是不成功的。当然对不同的情况,这三方面的要求应有不同的侧重。例如对文科的学生,学习数学的目的应更多放在对数学文化的认同与理

解方面,而对数学知识及方法之掌握要求与熟练程度,不应列为重点。而对理工科的学生,在熟练掌握并灵活运用数学知识与方法方面就应有更高的要求,但对数学文化的理解及数学教养的加强,仍应高度重视。

    2.数学素质与数学教养的问题

    强调这一点,是和将数学的教学仅仅看成是知识的传授这种观点相对立的,也是体现素质教育精神的。

    如果将数学教学仅仅看成是知识的传授(特别是那种照本宣科式的传授),那么即使包罗了再多的定理和公式,可能仍免不了沦为一堆僵死的教条,难以发挥作用;而掌握可数学的思想方法和精神实质,就可以由不多的几个公式演绎出千变万化的生动结论,显示出无穷无尽的威力。许多在实际工作中成功地应用了数学并取得相当突出成绩的数学系毕业生都有这样的体会:在工作中真正需要用到的具体数学分支学科,具体的数学定理、公式和结论,其实并不很多,学校里学过的一大堆数学知识很多都似乎没有派上什么用处,有的甚至已经淡忘,但所受的数学训练,所领会的数学思想和精神,却无时无刻不在发挥着积极的作用,成为取得成功的最重要的因素。因此,如果就事论事,仅仅将数学作为知识来学习,而忽略了数学思想对学生的熏陶以及学生数学素质的提高,就失去了数学课程最本质的特点和要求,失去了开设数学课程的意义。

    实际上,通过严格的数学训练,可以使学生具备一些特有的素质。这些素质是其他课程的学习和其他方面的实践所无法替代或难以达到的,而且,即使所学的数学知识已经淡忘,这些素质作为一个人的数学教养仍不会消失,将始终发挥积极的作用。初步归纳一下,这些素质有:

    (1)使学生树立明确的数量观念,“胸中有数”,会认真注意事物的数量方面及其变化规律。

    (2)提高学生的逻辑思维能力,使他们思路清晰,条理分明,能有条不紊地处理头绪纷繁的各项工作。

    (3)培养学生的抽象思维能力,面对错综复杂的现象,能抓住主要矛盾,突出事物的本质,有效地解决问题。

    (4)数学上的推导要求每一个正负号、每一个小数点都不能含糊敷衍,有助于培养学生认真细致、一丝不苟的作风和习惯。

    (5)数学上追求的是最有用(广泛)的结论、最低的条件(代价)以及最简明的证明,可以使学生形成精益求精的风格。

    (6)使学生知道数学概念、方法和理论的产生和发展的渊源和过程,提高他们运用数学知识处理现实世界中各种复杂问题的意识、信念和能力。

    (7)可以增强学生拼搏精神和应变能力,能通过不断分析矛盾,从困难局面中理出头绪,最终解决问题。

    (8)调动学生的探索精神和创造力,使他们更加灵活和主动,逐步显露出自己的聪明才智。

    (9)使学生具有某种数学上的直觉和想象力,包括几何直观能力,能够根据所面对的问题的本质或特点,估计到可能的结论,为实际的需要提供借鉴。

    数学知识的传授,如果不满足于填鸭式的灌注,而是更多地针对数学这门学科的特点,采取启发、诱导的方式,就可以使学生在学习知识的过程中,逐步地由不自觉到自觉地将这些方面的素质耳濡目染,身体力行,铭刻于心,形成习惯,变成他们的数学教养,终生受用不尽。

三、关于开展数学文化教学的一些建议

    如前所述,数学的教学不能仅仅看成是知识的传授,而应该使学生在学习知识、培养能力和提高素质诸方面笥得到教益,兼顾数学文化和数学教养方面的要求。但是,无论是弘扬数学文化,还是增进数学教养,都应该是也只能是学生在学习数学的过程中实现的,是必须以认真学习数学知识、严格加强数学训练作为载体来完成的。我们不应该将弘扬数学文化作为数学课堂教学以外的东西,想力设法从外面加进来,相反,应该认识到这是数学课程教学的内在要求和有机组成。结合数学的课堂教学,特别是主干数学课程的数学教学,在讲授数学知识的同时,将有关数学的重要发现与发明,摆到当时的历史环境中来分析,并结合现今的发展及应用,揭示它们在数学文化层面上的意义及作用,因势利导,顺水推舟,而达到画龙点睛的效果,使学生在润物细无声之情境中得到深刻的启示。这样,日积月累,潜移默化,就能达到应有的效果。

    现在,数学文化的主题已开始引起了大家的注意,一些有关数学文化的教学活动也逐步开展了起来,这无疑是数学教学改革的一个进步,值得进一步提倡。但是,除了对文科类学生的数学课程主要就应该是数学文化课以外,在已有的数学课程之外,单独开设数学文化课程,恐怕只能是在现有数学课程中数学文化内涵薄弱、亟待改革而尚未认真改革的现状之下无可奈何的一种做法,应该说是一种权宜之计,是在承认数学文化重要性的前提下,作为“补丁”外加到原有的数学教学体系中去的。这种做法,只能算是一种初级阶段的表现,要进入高级阶段,一定要使数学文化的思想融化到现有的数学课程中去。只有这样,才能更有效地弘扬数学文化,使学生更自觉地接受数学文化的熏陶,养成良好的数学教养。

    正是基于这样一个定位,数学文化课程更要注意贯彻少而精的原则,不能贪大求全,片面追求自成体系,使篇幅愈来愈大、内容愈加愈多、教材愈编愈厚。否则,就要走向烦琐哲学,不仅达不到应有的效果,反而会损坏了数学文化的基本精神,走向自己的反面。为此,一定要扣紧数学文化这一主题,不要将这一类课程变成数学史,变成高级科普,变成趣味数学,或者变成数学哲学之类的东西。虽然,在阐明数学作为一种先进的文化时,不可避免地会涉及一些数学的历史,需要对数学知识作一些必要补充,也可能会辅以若干趣味的成分或观念的阐发,但这不能代替数学文化的内涵,不能冲淡阐明数学的精神实质和思想方法、阐明数学在人类认识世界与改造世界中的关键作用这一主旨。同时,要抓住最有代表性、最有启发性的内容来展开,切忌轻重不分,面面俱到,更不要在一些枝节内容和问题上用数学文化的放大镜拼命挖掘什么“微言大义”,把数学文化的内容变成一个大杂烩。要弘扬数学文化,内容不必多,但要精,只要抓住一些数学在人类认识世界与改造世界中起过或(和)起着关键性、甚至决定性的作用,深刻影响着人类文明进程的内容来充分阐述,学生就一定能举一反三,触类旁通,真正为数学文明所折服,提倡数学文化的目的也就达到了。从这个意义上说,开设若干次有关数学文化的讲座,每次一个主题,或相应地要求学生阅读有关的材料,比摆开阵势系统地讲授一门数学文化的课程,可能更少受到束缚,也会更有效果。这正是我们在高等教育出版社支持下编辑“数学文化小丛书”的目的,也切望大家对这套小丛书大力支持,并踊跃提供书稿。  

摘自《中国大学教学》2008-10

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