数学学科专业发展战略研究报告
(数学与统计学教学指导委员会)
1998年教育部颁布新的本科专业目录中,数学学科包括"数学与应用数学"、"信息与计算科学"两个专业.
"数学学科专业发展战略研究"是教高司[2004]43号文《关于批准理工科各教学指导委员会研究课题立项并核拨经费的通知》中批准立项的58项研究课题中的一项,序号为1.立项后,课题组就数学学科专业发展战略研究制作了问卷调查表,对全国所有的专业点发出调查问卷(回收203份,其中重点院校51份),并陆续召开小型座谈会调查研究,又先后三次召开教学指导委员会工作会议进行研讨,形成本报告.
一、数学学科及数学教育的地位和作用
1.数学学科的地位和作用
数学在人类文明的进步和发展中一直发挥着重要的作用.过去,人们习惯把科学分为自然科学、社会科学两大类,数、理、化、天、地、生都归属于自然科学.但是,现在科学家更倾向于把自然科学界定为以研究物质的某一运动形态为特征的科学,如物理学、化学、生物学.数学是忽略了物质的具体运动形态和属性,纯粹从数量关系和空间形式的角度来研究现实世界的,具有超越具体科学和普遍适用的特征,具有公共基础的地位,与理、化、生等学科不属于同一层次,因此不是自然科学的一种.把科学分为自然科学、社会科学和数学科学三大类,这种观点更为学术界所认可.
恩格斯曾说过:"数学在化学中的应用是线性方程组,而在生物学中的应用是零".但是,在当今高科技时代,自然科学和社会科学的各领域的研究进入到更深的层次和更广的范畴,在这些研究中数学的运用往往是实质性的,数学与自然科学和社会科学的关系从来没有像今天这样密切.许多一度被认为没有应用价值的抽象的数学概念与理论,出人意料地找到了它们的原型和应用.恩格斯所描述的状况早已成为历史.我们略举若干侧面,表明数学的渗透和应用.
——数学的许多高深理论与方法正广泛深入地渗透到自然科学的各个领域中去.美国自然科学基金会最近指出:当代自然科学的研究正在日益呈现出数学化的趋势.
——无论是电子计算机的发明还是它的广泛使用都是以数学为基础的.在电子计算机的发明史上,里程碑式的人物图林和冯·诺依曼都是数学家,而在当今计算机的重大应用中也无不包含着数学.因而,美国国家研究委员会在一份报告中把数学与能源、材料等并列为必须优先发展的基础研究领域.
——信息技术已被广泛地应用于方方面面,高科技往往在本质上是一种数学技术.事实上,从医学上的CT技术到印刷排版的自动化,从飞行器的模拟设计到指纹的识别,从石油地震勘探的数据处理到信息安全技术等等,在形形色色的技术背后,数学都扮演着十分重要的角色,常常成为解决问题的关键.
——数学已经广泛地深入到社会科学的各个领域.例如,用数学模型研究宏观经济与微观经济,用数学手段进行社会和市场调查与预测,用数学理论进行风险分析和指导金融投资,在许多国家已被广泛采用,在我国也开始受到重视.在经济与金融的理论研究上,数学的地位更加特殊.在诺贝尔经济学奖的获得者当中,数学家或有研究数学的经历的经济学家占了一半以上.
——美国前几年职业排行榜的250种职业中,数学家(指各行业中从事数学建模、仿真等应用的数学家)名列第五位,前四位分别是网站经理、保险精算师、电脑系统分析师、软件工程师,他们也都需要有很强的数学背景.
总之,数学在当代科技、文化、社会、经济和国防等诸多领域中的特殊地位是不可忽视的.发展数学科学,是推进我国科学研究和技术发展,保障我国在各个重要领域中可持续发展的战略需要.
2.数学教育的地位和作用
数学是人类社会进步的产物,也是推动社会发展的动力之一.数学与人类文明、与人类文化有着密切的关系.数学在人类文明的进步和发展中,一直在文化层面上发挥着重要的作用.
数学不仅是一种重要的"工具"或"方法",也是一种思维模式,即"数学方式的理性思维";数学不仅是一门科学,也是一种文化,即"数学文化";数学不仅是一些知识,也是一种素质,即"数学素质".数学训练在提高人的推理能力、抽象能力、分析能力和创造能力上,是其他训练难以替代的.
数学素质是人的文化素质的一个重要方面.古希腊的上流社会中,懂数学是有文化的象征;没有相当数学底蕴的人,在上层人士中是受歧视的.数学的思想、精神、方法,从数学角度看问题的着眼点、处理问题的条理性、思考问题的严密性,对人的综合素质的提高都有不可或缺的作用.较高的数学修养,无论在古代还是在现代,无论对科技工作者还是企业管理者,无论对各行业的工作人员还是政府公务员,都是十分有益的."胸中有数"中的"数",不仅包含事物的数量方面,还应包含数学的思想、精神、方法等方面.所以,数学教育是提高整个中华民族国民素质的重要环节.
随着知识经济时代和信息时代的到来,数学更是"无处不在,无所不用".各个领域中许多研究对象的数量化趋势愈发加强,数学结构的联系愈发重要,再加上计算机的普及和应用,给我们一个现实的启示:每一个想成为有较高文化素质的现代人,都应当具备较高的数学素质,因此,数学教育对所有专业的大学生来说,都必不可少.
我们认为,数学教育将从以下五个方面对大学生发挥作用:
——掌握必要的数学工具,用来处理和解决本学科中普遍存在的数量化问题与逻辑推理问题.
——了解数学文化,提高数学素质,将使人终生受益.
——培养"数学方式的理性思维",如抽象思维、逻辑思维等,会潜移默化地在人们日后的工作中起作用.
——培养全面的审美情操,体会到数学是与史诗、音乐、造型并列的美学中心构架.
——为学生的终身学习打基础,做准备.
因此,对大学生的数学教育,是所有专业教育和文化教育中非常基础和非常重要的一个方面.从而,发展和改革数学教育,是培养和造就一大批具有创新精神和创新能力人才的至关重要的一个措施.
数学学科专业的教育,是专门培养数学及相关领域人才的教育,更加具有基础的地位和作用.
现实生活中,面对新世纪高科技领域的竞争,对数学人才的需求也与日俱增.数学类专业毕业生的去向开始从传统的高等院校、科研院所,扩展到信息、软件、经济、金融、保险、管理等行业;经济建设主战场对于各层次、多方面的数学人才的需求日显迫切;对一般劳动者的数学素养,也提出了较高的要求.社会公众与用人单位对数学与数学人才的作用和价值的认识在短短的十余年里已有很大提高,数学学科专业毕业生的就业状况与招生的生源状况正在逐步改善,数学学科专业的教育满怀信心地进入了新的世纪.
二、数学学科专业教学改革应有的特点
数学学科专业教学改革除了具有各学科教学改革的共性外,还有自己的特性,这是因为数学学科有自己的特点.以下五个方面的问题虽然是所有学科的教育教学改革都要涉及的问题,但在这些问题上,数学教育特殊性,尤其值得认真思考和妥善把握.
1.数学教学中理论联系实际的问题
数学来源于人类实践,但从实践中抽象出来以后,又有它相对的独立性和稳定性.特别是当它发展到一定程度以后,数学内部提出了大量重要的纯数学问题,在相当大的程度上吸引了数学家的兴趣.推动数学的发展,除了实践及其他学科和技术的需要这种来自外部的动力外,还有来自数学内部的巨大动力.数学工作者常常通过对数学内部提出的问题的研究,发展和完善数学理论,这些理论又通过不同途径应用于实践.例如,对欧几里得平行线公设的讨论持续了两千年,虽然许多数学家在试图证明这一公设的努力中失败了,但它最终导致了意义重大的非欧几何的诞生.对数学学科理论联系实际的理解不能简单化.数学问题的形式化表述有时让人觉得难以预测其应用前景,但数学理论可能联系的"实际",有时会远远超出人们的想象,甚至常常是数学理论出现时尚未出现的"实际".古希腊的圆锥曲线理论后来被应用于开普勒的行星运动三定律,黎曼几何理论后来被应用于爱因斯坦的广义相对论,陈省身的纤维丛理论后来被应用于杨振宁的规范场理论,都大大推动了世界科学技术的发展.
因此,数学教学中要注意理论联系实际,特别要注意数学建模的重要性,但不能处处都强调机械地联系当时生产、生活中的实际;在可能的情况下讲清楚数学概念内部的联系、数学理论的科学意义、数学与其他学科的联系,以及学习数学时自觉培养"应用意识"的重要性,倒是目前教学中普遍欠缺的.
2.数学教学内容现代化的问题
数学学科专业基础课内容现代化的问题,是从1958年"教育革命"以来就有争议的问题.数学的基本理论,不像电子元件从电子管、晶体管到集成电路那样可以"更新换代"或"弃旧换新";数学的教学只能在已有知识的基础上去讲新知识.有人用下面的比喻来说明这一点:"其他学科的创新常常是一代人推倒前一代人的大厦,建立起新的理论体系;而数学,却总是后人在前人所盖的大楼上,加盖一层新楼."我们不可能在没有初等函数知识的条件下去讲微积分,也不可能在没有函数概念的条件下去讲泛函.在数学基础课教学内容的现代化问题上,我们应该看到数学的特殊性,尊重人的认识规律,不赶时髦.曾经有人指责"在现代大学还在讲17世纪的微积分",这是荒唐的!其实,在经济学课程中使用简单的微积分是"现代化",为什么在数学课程中讲授微积分这样重要的必备的基础就是"老化"呢?
我们认为,数学学科专业的教学内容的确应当现代化,但那是指课程体系总体而言,不是要求每门课的每一部分都现代化.数学基础课应当在内容上、观点上、语言上乃至符号上为
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