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数学基础知识和基本技能(数学是一切学科的基础)(1)

数学与应用数学

数学与应用数学(Mathematics and Applied Mathematics)是一个学科专业,该专业培养掌握数学科学的基本理论与基本方法,具备运用数学知识、使用计算机解决实际问题的能力,受到科学研究的初步训练。

数学应用和数学的历史可说一样长。古代结绳记数、丈量土地、分配财产导致算术、代数、几何的相继产生,我国最著名的数学典籍《九章算术》就是246个实际应用问题的汇集,注重实际问题,是中国古代数学的优良传统。

一个伟大的数学学派曾在古希腊出现。他们追求精神上的创造,研究纯粹的、抽象的数学,从公理出发,运用逻辑的演绎推理,形成严密的学术体系。一个杰出的代表是欧几里得的《几何原本》。通篇是定义、定理、证明、推论,至于有什么用,他们是不管的。它体现了体力与脑力劳动分工之后,科学发展的新阶段:创造了纯粹而严密的科学体系,却远离了现实生活。

从此以后,数学就从两个方向发展着。一方面是纯粹数学。例如哥德巴赫猜想、费马大定理等世界名题,成为世人关注的焦点,一旦有所突破,可被视为人类思想史上的大事。至于非欧几何、拓扑学、抽象群论等等,虽说开始时看不到和实际的直接关系,但是只要是好的数学知识,往往在若干年后会发现有实际应用。陈省身20世纪40年代研究的纤维丛理论,到了20世纪70年代,竟成为物理学上由杨振宁等发现的规范场的数学工具,这种世界的统一性,令人不可思议。

另一方面,应用数学在不断地迅猛发展。现实世界毕竟是数学发展的源泉。从17世纪以来,社会发展和生产需要一直是数学发展的主要推动力。牛顿从物理学需要发明了微积分,反过来,第谷布拉赫(Tycho Brahe)用数学方法发现了海王星;蒸汽机推动了运动学和热力学的发展,促使数学分析学走向新的高峰;电磁学的基本规律是用微分方程写的。时至20世纪,喷气机和航天器的制造和导航,CT扫描的医疗设备,组织大规模战争的运筹方案,本质上都是数学技术。

在现代,数学不仅作为一个解决问题的工具,而且已成为时代文化的一个重要组成部分,一些数学概念、语言已渗透到日常生活中去,一些数学原理已成为人们必备知识,如面积、体积、对称、百分数、平均数、比例、角度等成为社会生活中常见名词;像人口增长率、生产统计图、股票趋势图等不断出现在报刊、电视等大众信息传播媒介中;而像储蓄、债券、保险、面积、体积计算(估算)、购物决策等成为人们难以回避的现实问题。那么未来的公民——的学生,必须具备一个解决实际应用问题的数学素养,这一切都呼唤应用问题呈现于数学教育教学过程中。

中国古代数学一向有实用的传统,数学教学中重视数学应用也并非新问题。在小学里,数学应用问题是教学的重点和难点,从未有人持异议。到了初中,学了平面几何,数学品味趋于抽象,逻辑推理不断加强,数学应用渐有淡出之势。不过,数学应用并未绝迹,诸如浓度问题、行程问题等仍有出现,平行四边形与铁栅门的关系等也总要提及。只是被某种错误观念的误导,大家不太重视罢了。

一到高中,情况变得越发严重。数学一直是中学的主干课程,为什么要学那么多的数学?一般认为,数学是“能力筛子”、“思想的体操”,无非是“升学需要”、“思想健身”而已。至于有什么用,对不起,不必问。由于大跃进年代,文革时期“过火地”联系实际,破坏了数学知识的系统性,一旦拨乱反正,便专注于纯粹数学的要求。一个时期以来,主张数学应用被称为“实用主义”、“短视行为”,似乎数学离现实生活越远越好。“掐头去尾烧中段”式的纯数学推理成为唯一的选择。因此,关于数学应用问题的设计与教学成为迫在眉睫的任务。

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