数学的文化价值37908.docx
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1、皇后与女仆从数学史看数学的文化价值引言:从数学的公公众形象象谈起.大家可可能已听听说教育育部在课课程改革革过程中中做过的的一项调调查,这这项调查查涉及中中学生对对各门课课程的态态度.调调查结果果显示,中学生生对数学学课的态态度概而而言之是是:又爱爱又恨,意思是是又喜欢欢又讨厌厌,或者者是有的的喜欢,有的讨讨厌.中中央电视视台在配配合20002年年国际数数学家大大会而制制作数学学传播节节目时所所作的公公众问答答也反映映,数学学在大多多数公众众的心目目中是一一堆数字字和公式式,抽象象、深奥奥甚至神神秘,对对数学的的应用价价值也不不甚了了了。数学的这种种公众形形象从发发展现代代教育与与科学的的角度看
2、看是堪忧忧的.数数学是一一门基础础学科, 数学学教育是是基础教教育.对对于现代代化社会会而言,数学素素质应该该是公民民所必须须具备的的一种基基本素质质.为了了切实地地将我国国的教育育提高到到现代的的先进的的水准,使人们们树立起起正确的的数学价价值观,具有十十分重要要的意义义. 当前正在推推进的基基础教育育改革十十分重视视这一点点,采取了了一系列列措施,其中包包括加强强数学史史和数学学文化的的教育。教教育部新新近制订订颁布的的普通通高中数数学课程程标准(实验)(简称标标准)前言部部分“二.课程的的基本理理念”第8条就是是“体现数数学的文文化价值值”,其中中指出:数学是是人类文文化的重重要组成成部
3、分。数数学课程程应适当当反映数数学的历历史、应应用和发发展趋势势,数学学对推动动社会发发展的作作用,数数学的社社会需求求,社会会发展对对数学发发展的推推动作用用,数学学科学的的思想体体系,数数学的美美学价值值,数学学家的创创新精神神。数学课程应应帮助学学生了解解数学在在人类文文明发展展中的作作用,逐逐步形成成正确的的数学观观。为此此,高中中数学课课程提倡倡体现数数学的文文化价值值,并在在适当的的内容中中提出对对“数学文文化”的学习习要求,设设立“数学史史选讲”等专题题。也就是说新新课标要要求培养养学生的的正确的的数学观观和数学学价值观观,特别别要了解解数学文文化价值值.学生生只有了了解数学学的
4、价值值,才能能自觉学学习数学学.至于于数学史史,在帮帮助学生生了解数数学的文文化价值值方面它它能发挥挥重要而而且无可可替代的的作用,就就这一点点而言,标标准提提出在高高中开设设数学史史选修课课程是非非常正确确的.下面我主要要就从数数学史与与数学文文化相结结合的视视角来谈谈谈数学学的文化化价值. (1)数学学为人类类提供精精密思维维的模式式 数学是基础础学科,是是关于数数量关系系和空间间形式的的科学,即即关于数数与形的的学问,而而数与形形可以说说无所不不在,这这就是为为什么数数学正空空前广泛泛地向几几乎一切切人类知知识和活活动领域域渗透,对对此我们们稍后会会有更多多的讨论论.现在我我要强调调的是
5、,除除了数学学知识的的直接广广泛的应应用,数数学对于于人类社社会还有有一个重重要的文文化功能能,就是是培养发发展人的的思维能能力特别别是精密密思维能能力。一个人不管管将来从从事何种种职业,思思维能力力都可说说是无形形的财富富,而这这种能力力的培养养又不是是一朝一一夕之功功,必须须有长时时期的磨磨练。数数学, 正像人人们常说说的那样样,是训训练思维维的体操操。那么么什么是是数学思思维或精精密思维维呢?数数学思维维包括很很多方面面。我想想概括地地和通俗俗地说,数数学思维维最基本本的两大大方面应应该是“证”和“算”,“证证”就是逻逻辑推理理与演绎绎证明;“算”就是算算法构造造与计算算,二者者对人类类
6、精密思思维的发发展都不不可或缺缺。对“算”大家可可能比较较容易感感受。我我们在生生活或工工作中遇遇到问题题常常会会说需要要“算一算算”,数学学家则更更是追求求解决问问题的一一般模式式或者说说一般算算法。从从简单的的三角形形面积算算法到描描述各种种自然和和社会现现象的复复杂的方方程的解解算,定定量化的的方法已已经渗透透到各行行各业。这这里主要要说一说说“证”。从几几条不言言自明的的公理出出发,通通过逻辑辑的链条条,推导导出成百百上千条条定理。这这种演绎绎论证的的思维模模式是古古希腊欧欧几里得得的几几何原本本(图1)首先先开创树树立的,其其影响所所及远远远超出了了数学乃乃至科学学的领域域,对人人类
7、社会会的进步步和发展展有不可可估量的的作用。举一个文科科学生可可能感兴兴趣的例例子。法法国大革革命形成成两部基基础文献献人权权宣言和和法国国宪法,是是资产阶阶级民主主革命思思想的结结晶。人人权宣言言开宗宗明义说说:n“组成国民民议会的的法国人人民的代代表们,决定定把自然然的、不不可剥夺夺的和神神圣的人人权阐明明于庄严严的宣言言之中,以以便公民们们今后以以简单而而无可争争辩的原原则为根根据的那那些要求求能经常常针对着着宪法与与全体幸幸福之维维护。” (图2)而后来(117911年)公布的的法国国宪法又又将人人权宣言言置于于篇首作作为整部部宪法的的出发点点。无独独有偶,美美国独立立战争所所产生的的
8、独立立宣言开开头也说说(图3):n“我们认为为下述真真理乃是是不言而而喻的:人人生生而平等等,造物物主赋予予他们若若干固有有而不可可让与的的权利,其其中包括括生存权权、自由由权以及及谋求幸幸福之权权。” 把大家认为为“简单而而无可争争辩的原原则”和“不言而而喻的真真理”作为出出发点,按按照数学学的语言言这就是是从公理理出发。显显然,领领导法国国大革命命和美国国独立战战争的思思想家、政政治家们们都接受受了欧几几里得数数学思维维的影响响。另外外,有记记载说美美国南北北战争时时期的总总统林肯肯“相信思思维能力力像肌肉肉一样也也可以通通过严格格的锻炼炼而得到到加强”为此此他想方方设法搞搞到了一一本欧几
9、几里得的的原本本并下下决心亲亲自证明明其中的的一些定定理,118600年他还还自豪地地报告说说他已基基本掌握握了原原本的的前六卷卷”。上述例子是是很有代代表性的的,说明明了数学学公理化化思维、逻逻辑论证证思维对对人类文文化和社社会进步步的影响响。(二)数学学是其它它科学的的工具和和语言关于这一点点,很多数数学家和和非数学学家都作作过精辟辟的论述述,所以请请允许我我在这里里先来一一点引经经据典。德德国大数数学家、号号称“数学王王子”的高斯斯(图4)有句句名言:“数学是是科学的的皇后”这句话话几乎可可以说家家喻户晓晓,但许许多人可可能不知知道,高高斯跟这这句话一一起说了了一段话话,高斯斯这段原原话
10、的意意思可以以概括为为两句话话,“数学是是科学的的皇后,数数学也是是科学的的女仆。”两句话,“数学是是科学的的皇后,数数学也是是科学的的女仆.”我理理解,前前一句话话突出数数学是精精密思维维的典范范,后一一句则强强调数学学为其它它科学服服务,是是其它科科学的工工具.非常形形象和恰恰当地反反映了数数学的价价值和作作用.(二)数学学是其它它科学的的工具和和语言(续续)高斯是数学学家, 我们再再看看一一些非数数学家的的观点。德德国哲学学家康德德曾经这这样说道道: “我坚决决认为,任任何一门门自然科科学,只只有当它它数学化化之后,才才能称得得上是真真正的科科学。”无产阶级革革命家马马克思也也说过:“一
11、种科科学只有有在成功功地运用用数学时时,才算算达到了了真正完完善的地地步。”(二)数学学是其它它科学的的工具和和语言科学史上有有大量的的例子可可以印证证高斯和和马克思思等的观观点。在在20世纪纪初相对对论的创创立过程程中,数数学就建建有奇功功。19907年年,德国国数学家家闵可夫夫斯基(H. Minkowski,18641909)提出“闵可夫斯基空间”,为爱因斯坦狭义相对论提供了合适的数学模型。有了闵可夫斯基时空模型后,爱因斯坦(图5)又进一步研究引力场理论以建立广义相对论。1912年年夏他已已经概括括出新的的引力理理论的基基本物理理原理,但但为了实实现广义义相对论论的目标标,还必必须寻求求理
12、论的的数学结结构,一一个很重重要的要要求是使使引力定定律在一一定的坐坐标变换换下保持持不变(即所谓谓协变)。爱因因斯坦为为此徘徊徊徬徨了了3年时间间,最后后在他的的大学同同学数学学家格罗罗斯曼(M. Grossman)介绍下学习掌握了意大利数学家勒维-奇维塔等在黎曼几何基础上发展起来的绝对微分学,亦即爱因斯坦后来所称的张量分析,并很快发现这正是建立广义相对论引力理论的合适的数学工具。在1915年11月25日发表的一篇论文中,爱因斯坦终于导出广义协变的引力方程爱因斯坦指指出,“由于这这组方程程,广义义相对论论作为一一种逻辑辑结构终终于大功功告成。”广义相对论这幢大厦现在可以盖上金顶了, 而这个金
13、顶依靠的恰恰是数学。 后来,在回回顾这段段历史时时,爱因因斯坦坦坦率地承承认了他他过去轻轻视数学学是一个个极大的的错误,他他反省道道:“在几年年独立的的科学研研究之后后,我才才逐渐明明白了在在科学探探索的过过程中,通通向更深深入的道道路是同同最精密密的数学学方法联联系在一一起的。”这是爱因斯坦自己的话。是作为一个科学家的深切体会。 根据爱因斯斯坦的引引力场方方程从数数学上推推导出来来的结论论,有一一些后来来被实验验证实了了,例如如光线在在引力场场中的弯弯曲行为为(图6 ,19119年一一次日全全食过程程中观察察到的星星光弯曲曲曾轰动动世界)。按照照爱因斯斯坦理论论空间是是弯曲的的,刚提提到的方
14、方程中的的未知量量是度规规张量,空空间的形形式是靠靠这个张张量来描描述的,一一旦知道道了空间间的物质质分布,从从理论上上就可解解出这些些度规张张量,这这个空间间的形式式也就知知道了。 按照微分几几何学,一一般情况况下解出出的空间间曲率是是不等于于零的,曲曲率不等等于零表表示空间间有弯曲曲,但是是空间弯弯曲的理理论在爱爱因斯坦坦以前数数学家们们就已经经创造出出来了,那那就是在在19世纪纪初叶高高斯和俄俄国数学学家罗巴巴切夫斯斯基、匈匈牙利数数学家波波约等人人创立并并经黎曼曼等人发发展的非非欧几何何学。高高斯曾称称这种几几何为“星空几几何”,罗巴巴切夫斯斯基也坚坚信自己己发现的的新几何何总有一一天
15、“可以像像别的物物理规律律一样用用实验来来检验”,爱因因斯坦的的广义相相对论恰恰恰揭示示了非欧欧几何的的现实意意义,成成为历史史上数学学应用最最精彩的的例子之之一。爱因斯坦的的广义相相对论后后来有有有了很大大的发展展,这些些发展大大都也与与数学密密切相关关,可以以说是物物理学家家和数学学家共同同努力的的结果。最最突出的的如英国国剑桥大大学应用用数学系系霍金教教授,霍霍金用数数学方法法严格证证明了爱爱因斯坦坦方程中中奇点的的存在性性,并据据而发展展宇宙大大爆炸理理论和黑黑洞学说说,这些些理论深深刻地影影响着人人类的时时空观和和宇宙观观,在社社会公众众中引起起了极大大的兴趣趣。霍金金于20002年
16、年国际数数学家大大会期间间在中国国北京、杭杭州等地地做通俗俗报告讲讲解他的的宇宙理理论(图7),可可以说在在当时公公众中引引起了一一场不小小的数学学热。 (三)数学学是推动动生产发发展、影影响人类类物质生生活方式式的杠杆杆数学从它萌萌芽之日日起,就就表现出出与人类类物质生生产活动动的紧密密联系。数数学对人人类生产产的影响响, 最突出出地反映映在它与与历次产产业革命命的关系系上。人人类历史史上迄今今发生的的三次产产业革命命, 其其主体技技术都与与数学新新理论、新新方法的的应用有有直接或或间接的的关联。这这里仅以以第二次次产业革革命为例例。 第二次产业业革命的的主体技技术之一一是无线线电通讯讯,然
17、而而可以说说没有数数学就没没有无线线电通讯讯,那是是因为无无线电通通讯的物物理载体体电磁波波的存在在,最初初并不是是通过实实验或观观察,而而是基于于严密的的数学方方法作出出的预言言,具体体地说是是依据所所谓麦克克斯韦方方程推导导而得的的结果。 1864年年,英国国物理学学家、数数学家麦麦克斯韦韦(图8)发表表了一篇篇有划时时代意义义的电磁磁学论文文,这是是他在经经历了无无数次的的失败后后,用纯纯数学的的方法对对自法拉拉弟、安安培以来来的电磁磁理论的的成功总结,他在在其中将将全部电电磁现象象规律归归结表述述为两组组方程,即即麦克斯斯韦方程程(图9),并并根据对对这两组组方程的的推导结结果大胆胆地
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