數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)史在大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培育中的作用

肖倩 張曉媛 張文良 唐杰

科學(xué)素養(yǎng)是指人們對科學(xué)知識、 科學(xué)研究過程和方法、科學(xué)技術(shù)對社會和個人所產(chǎn)生影響的了解程度，以及尊重科學(xué)、遵循客觀規(guī)律、弘揚(yáng)科學(xué)精神的態(tài)度。公民的科學(xué)素養(yǎng)是決定一個國家綜合國力的主要因素之一，大學(xué)生是國家建設(shè)的中堅(jiān)力量，其科學(xué)素養(yǎng)高低對我國的發(fā)展至關(guān)重要。大學(xué)數(shù)學(xué)具有高度抽象性和應(yīng)用廣泛性的特點(diǎn)，它不僅是開發(fā)心智和學(xué)習(xí)各種專業(yè)知識的重要工具，也是進(jìn)行科學(xué)研究的重要工具，可以培養(yǎng)和鍛煉大學(xué)生的邏輯思維能力、分析解決問題能力和科學(xué)表達(dá)能力等。通過教學(xué)實(shí)踐，我們認(rèn)為數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)史教學(xué)對培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有特別重要的作用。

一、大學(xué)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于強(qiáng)化對大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)

數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課是近年來大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革中誕生的一門新興課程，開設(shè)的時間還不長，卻引起了老師和學(xué)生們廣泛的關(guān)注。它最早在上世紀(jì)80年代末期美國的一些大學(xué)出現(xiàn)，被叫做“數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室”，重點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)的一系列實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入數(shù)學(xué)課程。 我國高校大約在上世紀(jì)90年代中期開始開設(shè)這門課程，目前大多數(shù)高校已經(jīng)開設(shè)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)學(xué)對于當(dāng)代科學(xué)甚至整個人類社會的深遠(yuǎn)影響和推動作用日益顯著。數(shù)學(xué)已經(jīng)成為各類科學(xué)研究的必要工具，數(shù)學(xué)方法、數(shù)學(xué)計(jì)算，已經(jīng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣成為科學(xué)研究中不可缺少、行之有效的手段。現(xiàn)代數(shù)學(xué)已經(jīng)滲透到了自然科學(xué)、經(jīng)濟(jì)金融、電力工程、管理科學(xué)乃至人文社會科學(xué)所包括的所有學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域中，從宇宙飛船的研究到家用電器的制造、從國際金融市場到市場營銷管理，通過建立數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用數(shù)學(xué)的理論和研究方法，并結(jié)合計(jì)算機(jī)程序來解決實(shí)際問題，已經(jīng)成為人們逐漸接受的模式。這種借助數(shù)學(xué)理論知識并應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件程序來進(jìn)行研究進(jìn)而解決實(shí)際問題的模式，也說明了現(xiàn)實(shí)對科技人才的數(shù)學(xué)素質(zhì)和數(shù)學(xué)能力已經(jīng)提出了更高的要求。

然而，一直以來傳統(tǒng)數(shù)學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段變化微乎其微，沒有體現(xiàn)出這門科學(xué)在科技領(lǐng)域和現(xiàn)實(shí)生活中所起到的重要作用，更沒有充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)來改進(jìn)教學(xué)過程。這就出現(xiàn)了中科院院士李大潛先生曾經(jīng)指出的：“一方面數(shù)學(xué)很有用； 另一方面，學(xué)生學(xué)了數(shù)學(xué)以后卻不會用?！?/p>

首先，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)這門課程改變了數(shù)學(xué)教學(xué)由教師單向傳輸知識的這一傳統(tǒng)模式，并且加強(qiáng)了學(xué)生在教學(xué)過程中的參與。一方面，學(xué)生的主觀能動性在做實(shí)驗(yàn)的過程中得到了充分的體現(xiàn)和發(fā)揮；另一方面，有趣的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘{(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的積極性， 引導(dǎo)他們主動地利用數(shù)學(xué)知識去解決相關(guān)的實(shí)際問題。在實(shí)驗(yàn)過程中，不但可以培養(yǎng)學(xué)生們踏實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的一般方法，還可以培養(yǎng)學(xué)生不畏艱難、勇于探索的科學(xué)精神，讓他們在和同學(xué)們的團(tuán)結(jié)協(xié)作中，感受成功的快樂。因此，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)大學(xué)生的合作交流能力和創(chuàng)新意識。

其次，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生切實(shí)經(jīng)歷應(yīng)用數(shù)學(xué)知識和數(shù)學(xué)方法解決相關(guān)實(shí)際問題的全過程。通過使用計(jì)算機(jī)，借助數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不僅僅是套用公式定理和親手計(jì)算的結(jié)論，還體現(xiàn)出學(xué)生對數(shù)學(xué)原理、數(shù)學(xué)方法、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)操作和軟件運(yùn)用等多方面內(nèi)容的掌握程度和應(yīng)用能力。因此，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于提高大學(xué)生在實(shí)際工作中的綜合應(yīng)用能力。

再次， 數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)必須借助計(jì)算機(jī)操作和數(shù)學(xué)軟件的使用，將先進(jìn)的技術(shù)工具引入教學(xué)過程中，不僅起到輔助教學(xué)的作用，而且是解決實(shí)驗(yàn)中問題的主要途徑。因此，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)大學(xué)生掌握先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具，能夠促進(jìn)數(shù)學(xué)教學(xué)手段現(xiàn)代化。

二、數(shù)學(xué)史教學(xué)有助于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)意識和科學(xué)精神

大學(xué)生的科學(xué)意識和科學(xué)精神，是在對科學(xué)及科學(xué)發(fā)展過程了解的基礎(chǔ)上形成的。通過數(shù)學(xué)史的教學(xué)，可以使學(xué)生理解并掌握數(shù)學(xué)思維的方法和藝術(shù)。數(shù)學(xué)是通過嚴(yán)密的邏輯推理來證明對象內(nèi)部的規(guī)律，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)語言來準(zhǔn)確對其進(jìn)行描述的一門自然科學(xué)。數(shù)學(xué)的這一學(xué)科特點(diǎn)能使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐漸學(xué)會對抽象問題進(jìn)行分析、概括、歸納、類比、總結(jié)的思維方法，并在這一過程中培養(yǎng)勤奮學(xué)習(xí)、刻苦鉆研、求實(shí)創(chuàng)新等嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

科學(xué)史中無數(shù)鮮活的事例雄辯地證明了這一點(diǎn)。 比如，海王星的發(fā)現(xiàn)。它是在某些已知的，但還不完全清楚的物理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)純數(shù)學(xué)的方法，經(jīng)過演算猜想出來的，這是數(shù)學(xué)想像力理論飛躍的結(jié)果， 并且通過以后的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。1781年，英國著名的天文學(xué)家赫歇耳，利用天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星。19世紀(jì)， 人們在觀測時發(fā)現(xiàn)天王星的運(yùn)行總是偏離預(yù)先計(jì)算好的軌道。這是為什么呢？數(shù)學(xué)家貝塞爾和一些天文學(xué)家大膽猜想， 在天王星的外側(cè)還存在一顆行星，由于這顆行星的吸引力，才影響了天王星的正常運(yùn)行。1843年，英國劍橋大學(xué)22歲的學(xué)生亞當(dāng)斯，利用各種數(shù)學(xué)工具，根據(jù)力學(xué)原理，通過10個月的細(xì)心推算，終于確定了這顆未知行星的具體位置。1846年， 法國巴黎天文臺青年數(shù)學(xué)家勒維列計(jì)算出了這顆新行星的運(yùn)行軌道。于是他寫信給在柏林天文臺工作的擁有詳細(xì)星圖的加勒。加勒接到信，當(dāng)天晚上就按照勒維列指定的位置觀察， 果然找到一顆以前從未見過的星。后來經(jīng)過24小時的連續(xù)觀察，他發(fā)現(xiàn)這顆星在恒星之間移動著，的確是一顆行星。天文學(xué)家們經(jīng)過一段時間的討論，公認(rèn)它便是太陽系的第八大行星， 并根據(jù)希臘的神話故事，把它命名為海王星。這種例子在數(shù)學(xué)史中屢見不鮮。如愛因斯坦廣義相對論的建立， 實(shí)際上是在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前完成的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)與用數(shù)學(xué)方法預(yù)測的理論完全一致。再比如量子力學(xué)的產(chǎn)生，哈雷彗星、電磁波、正電子的發(fā)現(xiàn)，也都是先通過數(shù)學(xué)思維方法，邏輯推理得出結(jié)淪，然后才被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的。可見，數(shù)學(xué)方法和推理對于科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。類似的故事對于培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、崇尚科學(xué)的品質(zhì)，對于學(xué)生科學(xué)價值觀的形成以及科學(xué)精神的培養(yǎng)起著不可低估的作用。

提升公民的科學(xué)素養(yǎng)不僅能夠促進(jìn)我們國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且能夠培養(yǎng)公民樹立科學(xué)的價值觀和科學(xué)思維方法。所以，我們必須重視公民科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，通過運(yùn)用正確的教學(xué)方式使更多的大學(xué)生熱愛科學(xué)，崇尚科學(xué)，一個崇尚科學(xué)的民族才具有競爭力，才會充滿生機(jī)和活力。

作者簡介：肖倩（1984-），女，河北保定人，河北金融學(xué)院講師。