



数学作为一种文化,对全体社会成员有着潜移默化的作用。尽管数学在现代社会中的应用是广泛的,但却不易为大众所察觉。当人们惊叹原子弹的巨大威力时,却很难知道和真正理解它所依赖的质能公式 ——E = mc 2 ;当人们接受CT扫描仪的检查和诊断时,很少有人理解它背后的数学原理——拉东变换;当人们在尽情享受动画片带来的娱乐体验时,很少联想这些动画制作背后的数学方法——微积分的无穷逼近原理。数学是无声的音乐,数学是无色的图画。当今社会的科技进步对人们的数学能力提出了很高的要求。早在1980年,美国学者桑德斯进行了一项调查,他询问了代表美国全经济领域100种职业的从业者,发现62%的职业要求从业者必须具备基本的算术知识,65%的职业还需要从业者掌握统计知识。如果人们没有基本的数学知识,就根本读不懂《纽约时报》头版中93%的文章。
越来越多的人日益感受到数学的重要性,但是通过学校教育之外的途径学到的数学知识是很有限的,数学的思维方式更是远远没有被多数人所掌握。为此,在20世纪80年代,国际数学教育学会以“大众数学”为题开展了系列讨论,并发表了名为《大众数学》( Mathematics for All )的报告集。从此,“大众数学”的口号迅速传播并形成了全球性的运动,对各国的数学教育改革都产生了实质性的影响。“大众数学”倡导:人人都学有用的数学,人人掌握必需的数学,不同的人学习不同的数学。它使数学告别了“精英”时代,成为大众文化的一部分。
1984年,美国国家研究委员会在《进一步繁荣美国数学》中提出:“在现今这个技术发达的社会里,扫除‘数学盲’的任务已经替代了昔日扫除文盲的任务,而成为当今教育的主要目标。”自20世纪90年代,美国为了提高基础教育的质量,发起了大规模的教育改革运动,即“标准化改革”,但至今收效甚微。由于美国各州基础教育仍自成体系,质量参差不齐。此外,美国学生在历次大型数学国际测量评价中(如TIMSS、PISA)成绩平平,这促使美国开始思考并借鉴先进国家的数学教育经验。
2010年,美国颁布了新课标CCSS(Common Core State Standard,共同核心国家标准),这是美国K-12(幼儿园到高中毕业的12年级)的统一标准。从此,美国的教育不再是各州各自为政,教学内容有了统一的标准。CCSS宣称,制定统一标准的目的是“为所有的美国学生升入大学和未来的职业生涯做好准备”。在数学方面,CCSS要求学生尝试以数学方式思考现实世界中的问题,强调培养学生的批判性思维、解决问题和分析能力三大核心素养。
我国的义务教育数学课程标准(2022版)也强调:数学在形成人的理性思维、科学精神和促进个人智力发展中发挥着不可替代的作用。数学素养是现代社会每一个公民应当具备的基本素养。义务教育阶段的数学课程以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,落实立德树人根本任务,致力于实现义务教育阶段的培养目标,使得人人都能获得良好的数学教育,不同的人在数学上得到不同的发展,逐步形成适应终身发展需要的核心素养。而数学课程的核心素养主要包括以下三个方面:会用数学的眼光观察现实世界;会用数学的思维思考现实世界;会用数学的语言表达现实世界。
的确,学校教育如何推进数学的普及工作是长期困扰人们的事情,其中面临的根本问题是如何正确处理好“数学科学”与“作为教育的数学”的关系。教育的实践表明,数学教育中只注重数学知识的教育是不行的,也是行不通的。20世纪50年代,美国开展了一场声势浩大的“新数学运动”课程改革,起因是苏联在1957年发射第一颗人造卫星,美国感受到自己在理科教育特别是数学教育方面的落后,于是美国人开始反思并进行改革。随后美国成立了一个“学校数学研究小组”,其主要成员是美国一些著名大学的数学教授,大力推进数学教育并编纂从幼儿园到大学预科的全套教材,开展广泛的数学教育改革实验。“新数学运动”历时十年之久,最后以失败告终。究其原因,在于改革太激进,把中小学数学教材写得太精炼、太抽象、太现代化,在教材中过早地引入许多抽象、现代的数学概念和知识,忽视了中小学生的认知水平。
当时,著名的数学史家、数学教育家莫里斯·克莱因对“新数学运动”进行了尖锐的批判:“数学家花了几千年时间才理解无理数,而我们竟贸然给中学生讲戴德金分割。数学家花了300年才理解复数,而我们竟马上教给学生复数是一个有序实数对。数学家花了约1000年才理解负数,现在我们却只能说负数是一个有序自然数对……从古埃及人和巴比伦人开始直到韦达和笛卡儿,没有一个数学家能意识到字母可用来代表一类数,但现在却可以通过简单的集合思想马上产生了集合这个概念。”
无独有偶,在20世纪80年代,苏联也进行了类似的中学数学教育改革,改革的重要内容就是在中学数学中引入集合论思想。例如,向量的概念在一般教科书上都会被定义为“有向线段”这种直观的解释,但改革后的教材却这样描述:“由不重合的两点( A , B )确定的向量(平移)是一种空间变换,在此变换下,每个点 M 都映射到一点 M 1 ,使得射线 MM 1 与 AB 同向,且距离| MM 1 |与| AB |相等。”庞特里亚金认为:“这些堆砌的文字令人费解,更主要的是毫无用处。这是什么?胡闹吗?还是无意间的荒唐之举?”在众多反对声中,苏联教育部门最终认定当时的中学数学教学大纲不符合要求,要及时纠正现存的问题。
这些批评是尖锐的,当然也是很有道理的。莫里斯·克莱因说:“历史上数学家所遇到的困难,正是学生也会遇到的学习障碍,因而数学史是数学教学的指南。”在数学教育过程中适当地插入数学历史,让学生理解数学知识在历史上的来龙去脉,体验数学知识的创造和发现过程,对培养学生的探究和发现能力都是非常有益的。
美国数学家、数学教育家波利亚提到以下事实:只有1%的学生会需要研究数学,29%的学生将来会使用数学。因此,学校教育不仅仅是数学知识的教育,更要重视数学思想方法、数学精神的培养和普及。日本数学教育家米山国藏认为:“我搞了多年的数学教育,发现学生在初中、高中等学到的数学知识,因毕业进入社会后几乎没有什么机会应用而通常在出校门后不到一两年就很快忘掉了。然而,不管他们从事什么工作,唯有深深地铭刻于头脑中的数学精神、数学的思维方法、研究方法、推理方法和着眼点等(若培养了这方面的素质的话),却随时随地发挥着作用,使他们受益终身。”由此他认为:“无论是对于科学工作者、技术人员,还是数学教育工作者,最重要的就是数学的精神、思想和方法,而数学知识只是第二位的。”美国著名的诺贝尔物理学奖得主费曼曾举了一个他学数学的例子:
小时候,费曼的父亲告诉他,任何一个圆的周长与直径的比值都是一样的。于是,这个叫作π的数字就成了费曼心中“一个美妙的数字,一个很深奥的数字”。从此,他就到处寻找这个π。有一天,他在一本书上看到了振荡电路的频率计算公式:
。于是,他的问题来了:这里有个π,但是圆在哪儿呢?之后,他猜想可能是因为线圈是圆的,可是后来,他又发现方形线圈的频率计算公式中也有π……他通过“到处寻找”,手算π值,思考电势能的公式,等等,不断地进行探寻和研究,拼命想了解这个神奇的数字,也不断体验到了探究过程中发现的乐趣。
今天的学生,没有不知道π的,但在绝大多数学生的心中,这只是一个在计算圆的周长或面积时用到的定值罢了。而很少有学生思考为什么大量的公式中都有π,用什么方法计算π,能否找到π中的数字规律等问题。如果没有这样的数学探究,学生的数学方法、思维和数学精神就难以培养。
复旦大学的李大潜院士认为
,数学教育的根本目的是要让学生明白:数学知识的来龙去脉;数学的精神实质与思想方法;数学的人文内涵。因此,数学教育肩负着数学知识、数学思想方法以及数学理性精神的传承与传播,这也是撰写本书的初衷和目的。我们希望能够用大众都能理解的语言来了解数学,达到传播和普及数学的效果。伟大的数学家盖尔范德(Gelfand,1913—2009)曾举过一个经典的例子:
人们觉得他们无法理解数学,其实关键在于你是怎样向他们解释数学知识的。如果你问一位醉汉,2/3和3/5哪个大?他肯定答不上来。但是如果你换一种问法:三个人分两瓶伏特加,和五个人分三瓶伏特加,哪一个方案更好?他会毫不犹豫地告诉你,当然是三个人分两瓶伏特加更好。
在数学文化的普及和传播方面,2010年4月国内第一本《数学文化》杂志出版,其目的就是弘扬数学文化,推动数学教育。中国数学会每年都会组织召开“全国数学文化论坛”。近年来,国内有越来越多的数学名家加入普及数学文化的行列中去。例如,已故的中国科学院院士杨叔子在担任华中科技大学校长期间,率先倡导在理工科高校要加强大学生文化素质教育,他指出:“数学是文化,是人类文明的重要基础;数学是科学,是哲理思维,蕴涵着深刻而丰富的人文文化。学习数学,既要提高数学素质、提高科学素质,又要提高思维品质、提高人文素质。”“一个国家、一个民族,没有科学技术,就是落后,一打就垮;然而,一个国家、一个民族,没有人文精神,就会异化,不打自垮。”而我国的著名数学家、曾任武汉大学校长的齐民友先生在《数学与文化》中也说:“历史已经证明,而且将继续证明,一种没有相当发达的数学的文化是注定要衰落的,一个不掌握数学作为一种文化的民族也是注定要衰落的。”此外,中国科学院张景中院士、李大潜院士、汤涛院士、周向宇院士、南开大学的顾沛教授、浙江大学的蔡天新教授等人对推动我国数学文化的普及和传播都做出了积极的贡献。
在国际上,数学文化的传播也越来越受到重视。许多著名的数学科普书籍、杂志、网站、电影、纪录片等,都在世界范围内、不同层面上传播着数学。在联合国教科文组织(UNESCO)网页上写道:“数学科学,对于提高全球认识和加强教育,对于应对人工智能、气候变化、能源和可持续发展等领域的挑战,以及对改善发达世界和发展中世界的生活质量至关重要。”联合国教科文组织于2019年11月26日第四十届大会上宣布:每年的3月14日为“国际数学日”。在许多国家和地区,3月14日被确定为圆周率日,这一天从著名数字(常数π)常用的近似值3.14而来。但随着影响力的增大,它得到了国际数学联盟和联合国教科文组织的认可。这一天也是爱因斯坦的诞辰日,是马克思、霍金逝世的日子,具有非凡的意义。
根据国际数学日(The International Day of Mathematics,IDM)官方网站
提供的信息,每年的国际数学日都会发布不同的主题:
2020年第一次国际数学日的主题是“数学无处不在”(Mathematics is Everywhere),它扩大了“圆周率日”的范围,涵盖了数学领域的各个方面。在这一天,世界各地举办了各式各样的庆祝活动。
2021年国际数学日的主题为“数学让世界更美好”(Mathematics for a Better World)。2022年国际数学日的主题是“万物皆数”(Mathematics Unites)。
2023年国际数学日的主题是“给每个人的数学”(Mathematics for Everyone),就像联合国教科文组织官方新闻通讯稿中所说:“我相信数学应该适合每个人,因为我们所有人都有数学能力,只是程度不同而已。此外,我们必须让每个人都享受数学的奇迹。数学只适合有天赋的人和天才的观念必须改变。”
2024年国际数学日的主题是“游于数”(Playing with Math)。官方海报也“装满”快乐,包含6个来自数学世界的经典游戏,人们熟悉的“数独”“一笔画”都在其中。
2025年国际数学日的主题是“数学、艺术与创意”(Mathematics,Art,and Creativity),即庆祝数学发现和艺术中的创造力。在艺术中,使用数学为新思想、美丽和迷人的创作打开了大门。