謝祥云
(五邑大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院,廣東 江門(mén) 529020)
代數(shù)學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了文字?jǐn)⑹鲭A段、簡(jiǎn)化文字階段、符號(hào)代數(shù)階段與結(jié)構(gòu)代數(shù)四個(gè)階段. 眾所周知,1830年左右,在挪威數(shù)學(xué)家阿貝爾(ABEL N H,1802—1829)工作的基礎(chǔ)上,法國(guó)數(shù)學(xué)家伽羅華(GALOIS E,1811—1832)在對(duì)代數(shù)方程根式解的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)代數(shù)方程所有根在方程中的對(duì)稱(chēng)性,他在刻畫(huà)這種對(duì)稱(chēng)性的變換集合和方程的根與系數(shù)構(gòu)成的數(shù)域的擴(kuò)張之間建立起了某種關(guān)聯(lián),徹底解決了5次及5次以上方程的根不能用它們的系數(shù)通過(guò)加、減、乘、除、乘方、開(kāi)方運(yùn)算表達(dá)的難題. 伽羅華的工作沉寂了半個(gè)多世紀(jì)以后,經(jīng)愛(ài)爾蘭數(shù)學(xué)家哈密爾頓(HAMIITON W R,1805—1865)、高斯的學(xué)生庫(kù)默爾(KUMMER E,1810—1893)以及德國(guó)數(shù)學(xué)家諾特(NOETHER A E,1882—1935)為代表的一大批數(shù)學(xué)家持續(xù)推動(dòng),代數(shù)學(xué)發(fā)展成現(xiàn)代以群論為基礎(chǔ)的抽象代數(shù)學(xué),從此步入結(jié)構(gòu)代數(shù)階段. 抽象代數(shù)學(xué)從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在只有一百多年的歷史,故稱(chēng)近世代數(shù)學(xué). 我們從這段歷史可以看出抽象代數(shù)學(xué)知識(shí)體系的產(chǎn)生從一開(kāi)始就不是空中樓閣,而是為了解決數(shù)學(xué)自身問(wèn)題才發(fā)展起來(lái)的,但是在這一百多年的發(fā)展中,人們發(fā)現(xiàn)抽象代數(shù)學(xué)已經(jīng)和其他學(xué)科的發(fā)展密不可分了[1-8]. 一百多年來(lái),伽羅華思想被逐步抽象化、結(jié)構(gòu)化以及多方位延伸,產(chǎn)生了很多抽象代數(shù)分支,如環(huán)、域、模和代數(shù)等. 近世代數(shù)學(xué)的高度抽象性決定了它不是一門(mén)容易學(xué)的科目,只能在大學(xué)高年級(jí)開(kāi)設(shè). 近世代數(shù)學(xué)的重要性決定了這門(mén)課程在大學(xué)數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)(特別是師范類(lèi)專(zhuān)業(yè))作為必修課開(kāi)設(shè).
本文在分析我國(guó)現(xiàn)階段近世代數(shù)課程教學(xué)的基礎(chǔ)上,就地方高校近世代數(shù)本碩一體化教材建設(shè)談?wù)勔恍┛捶?
根據(jù)百度數(shù)據(jù),截至 2019年 6月 15日,全國(guó)高等學(xué)校共計(jì)2 956所,其中公辦本科院校 817所,民辦本科院校 417所. 除軍事院校外,根據(jù)教育部大的分類(lèi),這些本科高校分為教育部直屬高校、各部委與地方共建的高校和地方高校. 同為本科高校,高校之間辦學(xué)水平和辦學(xué)質(zhì)量差異很大,這給我們組織近世代數(shù)課程教學(xué)提出了很大挑戰(zhàn):如何因材施教?如何選擇適合自己學(xué)生的教材或教學(xué)參考書(shū)?
要完成好大學(xué)高年級(jí)專(zhuān)業(yè)課教學(xué)與研究生基礎(chǔ)課教學(xué),需要從當(dāng)前教師隊(duì)伍、生源素質(zhì)、人才培養(yǎng)方案、教材建設(shè)等方面綜合考慮.
1)教師隊(duì)伍現(xiàn)狀與團(tuán)隊(duì)建設(shè). 隨著高等教育的快速發(fā)展,盡管師資隊(duì)伍現(xiàn)狀和 1990年前已不能同日而語(yǔ),但是高校代數(shù)學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)在新形勢(shì)下仍然非常艱巨. 目前,有數(shù)學(xué)一級(jí)博士點(diǎn)高校的代數(shù)學(xué)教學(xué)基本有一個(gè)較強(qiáng)的教學(xué)團(tuán)隊(duì);有數(shù)學(xué)一級(jí)碩士點(diǎn)的高?;居卸?jí)學(xué)科代數(shù)學(xué)及相關(guān)學(xué)科博士或碩士學(xué)位教師若干;一般本科高校絕大多數(shù)都有具有代數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士研究生學(xué)歷的教師. 但是,要改變沒(méi)有從事過(guò)近世代數(shù)學(xué)術(shù)訓(xùn)練過(guò)程就直接從事近世代數(shù)教學(xué)的現(xiàn)狀需要一個(gè)過(guò)程,要形成一個(gè)代數(shù)學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)更有諸多困難.
2)生源質(zhì)量和學(xué)生就業(yè). 地方本科高校數(shù)學(xué)類(lèi)學(xué)生一般高考成績(jī)排位在前10%到前50%,有碩士點(diǎn)的高校在前20%. 在大眾教育的今天,地方高校學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)總體在下降,抽象思維能力偏弱.在地方高校,能開(kāi)設(shè)近世代數(shù)的本科專(zhuān)業(yè)只有數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)且絕大多數(shù)在數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)(師范)專(zhuān)業(yè),這類(lèi)學(xué)生的畢業(yè)去向主要是初級(jí)中學(xué)和教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu). 數(shù)學(xué)學(xué)術(shù)型碩士畢業(yè)生,15%左右繼續(xù)攻讀博士學(xué)位,70%的到中學(xué)任教,剩下15%到職業(yè)技術(shù)學(xué)院或其他行業(yè).
3)人才培養(yǎng)方案的設(shè)置和教學(xué)安排. 一般地方高校數(shù)學(xué)學(xué)院(包括數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院、大數(shù)據(jù)學(xué)院、數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院、理學(xué)院等)均開(kāi)設(shè)數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)、信息與計(jì)算科學(xué)專(zhuān)業(yè)以及和數(shù)學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè),如統(tǒng)計(jì)學(xué)專(zhuān)業(yè)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專(zhuān)業(yè)、精算學(xué)專(zhuān)業(yè)、金融學(xué)專(zhuān)業(yè)等. 在數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)中,離散數(shù)學(xué)類(lèi)課程一般開(kāi)設(shè)高等代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、近世代數(shù),如果是師范類(lèi)專(zhuān)業(yè),離散數(shù)學(xué)和組合數(shù)學(xué)開(kāi)設(shè)一門(mén)居多,都開(kāi)的不多,另外還開(kāi)設(shè)初等數(shù)論. 在新一輪教學(xué)改革中,高校的畢業(yè)學(xué)分要求總體都在下降,同時(shí)加大了實(shí)踐教學(xué)的學(xué)分比重,一般畢業(yè)學(xué)分在 155~175之間. 一方面新知識(shí)不斷出現(xiàn),加開(kāi)了很多新的課程,例如人工智能通識(shí)課程等;另一方面思想政治課程、德育課程、通識(shí)教育課程、體育課程等不能壓縮,怎么辦?只有壓縮專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)時(shí),于是,近世代數(shù)由每周4課時(shí)減為3課時(shí). 這使得教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的課內(nèi)教學(xué)量與學(xué)時(shí)不夠的矛盾愈來(lái)愈突出,對(duì)原計(jì)劃做刪減和優(yōu)化是必然的:大部分高校改為3個(gè)學(xué)分,48~54學(xué)時(shí)不等. 值得注意的是,以前高校一個(gè)學(xué)分是18個(gè)學(xué)時(shí),每個(gè)學(xué)時(shí)一般50 min,現(xiàn)在很多高校一個(gè)學(xué)分16學(xué)時(shí),每個(gè)學(xué)時(shí)在40~45 min 不等.
4)教材選用情況. 新中國(guó)成立后,我國(guó)高等教育體系、人才培養(yǎng)方案以及相關(guān)教材主要來(lái)自原蘇聯(lián). 1977年恢復(fù)高考以后,老一輩代數(shù)學(xué)家們也出版了一批在中國(guó)影響深遠(yuǎn)的教材,例如丁石孫、張禾瑞、謝邦杰、吳品三等編著的抽象代數(shù)教材[7,9-11]. 我們也欣喜地看到 2000年后一批代數(shù)學(xué)家(如劉紹學(xué)、石生明、馮克勤、郭聿琦、丘維聲、胡冠章、楊子胥等)編著的近世代數(shù)教材[3-6,12-14].同時(shí)也有一批外文原版(例如VAN DER WAERDEN B L,HUNGERFORD T W,JACOBSON N,ARTIN M,SERGER L等編著的)代數(shù)學(xué)教材[1-2,15-18]. 這些教材對(duì)我國(guó)本科生和研究生代數(shù)學(xué)教學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.
中國(guó)高等教育從精英化走向大眾化以后,學(xué)生基本數(shù)學(xué)素養(yǎng)差異性的加大也導(dǎo)致各個(gè)學(xué)院教學(xué)要求差異明顯,這點(diǎn)在地方高校更為突出. 對(duì)此,很多學(xué)校根據(jù)各自特點(diǎn)和學(xué)生素質(zhì)打造出一批各具地方特色的近世代數(shù)教材,也有很多學(xué)者對(duì)近世代數(shù)教材建設(shè)提出了很多非常好的思路.
筆者上世紀(jì)80年代初上大學(xué)時(shí)近世代數(shù)課程使用張禾瑞先生編著的教材[7](4學(xué)分),72學(xué)時(shí)勉強(qiáng)學(xué)完. 1987年后,筆者在地方高校教授近世代數(shù)近二十年均是3學(xué)分課程,學(xué)時(shí)48~54不等,再也無(wú)法將張禾瑞先生的教材講完. 數(shù)學(xué)一級(jí)碩士點(diǎn)下的各專(zhuān)業(yè)新生第一學(xué)期基本都要上三門(mén)公共基礎(chǔ)課:代數(shù)學(xué)、實(shí)分析和拓?fù)鋵W(xué),上世紀(jì) 80年代代數(shù)學(xué)使用 JACOBSON[1]編著的《代數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(I,II)》居多,后來(lái)多使用 HUNGERFORD 編著的《代數(shù)學(xué)》(馮克勤譯)[17]. 現(xiàn)在我們實(shí)際教學(xué)現(xiàn)狀是,新入學(xué)碩士生來(lái)自不同學(xué)校和數(shù)學(xué)學(xué)科下的不同專(zhuān)業(yè),還有跨大類(lèi)招收的研究生,大部分學(xué)生在大學(xué)里沒(méi)有學(xué)過(guò)拓?fù)鋵W(xué),實(shí)變函數(shù)很多學(xué)校是選修課,泛函分析很少開(kāi)設(shè),近世代數(shù)課程大部分高校都開(kāi)設(shè)了,基本上使用的是張禾瑞先生的教材,但仍然還有四分之一左右的非數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生大學(xué)沒(méi)有學(xué)過(guò)抽象代數(shù),這給我們開(kāi)設(shè)這三門(mén)基礎(chǔ)課帶來(lái)了挑戰(zhàn).
我們面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是如何做好大學(xué)階段與研究生階段知識(shí)的銜接. 不可否認(rèn),張禾瑞先生編寫(xiě)的《近世代數(shù)基礎(chǔ)》影響深遠(yuǎn),持續(xù)了近60年. 這本教材很薄不會(huì)“嚇著”學(xué)生,另一個(gè)很重要的特點(diǎn)本書(shū)寫(xiě)于1952年,假定讀者只有高中基礎(chǔ);1978年的修訂版假定讀者具有高等代數(shù)基礎(chǔ).但實(shí)際教學(xué)體會(huì)是,本書(shū)雖薄但教學(xué)內(nèi)容豐富,全部?jī)?nèi)容沒(méi)有72學(xué)時(shí)講不完. 同時(shí),本書(shū)也有兩個(gè)方面值得探討:一是為了教材容易懂,寫(xiě)作上用了大量非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)語(yǔ)言,表述和現(xiàn)代數(shù)學(xué)語(yǔ)言差異很大,使得在實(shí)際教學(xué)中僅選取教材的內(nèi)容,而不去使用教材語(yǔ)言;二是本書(shū)強(qiáng)調(diào)了代數(shù)的抽象性,沒(méi)有知識(shí)產(chǎn)生的背景,學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)不知道這門(mén)學(xué)問(wèn)為什么出現(xiàn)?學(xué)了有什么用?受張禾瑞先生編著的《近世代數(shù)基礎(chǔ)》和劉紹學(xué)先生編著的《近世代數(shù)基礎(chǔ)》這兩本教材的影響和啟發(fā),結(jié)合筆者承擔(dān)的廣東省教育廳關(guān)于研究生代數(shù)學(xué)教材建設(shè)的任務(wù),以及地方高校本科與研究生教學(xué)的實(shí)際,就地方高校近世代數(shù)課程本碩一體化教材建設(shè)思考如下:
1)地方高校本碩一體化教材的定位與特色. 要打造一本具有地方高校廣譜性的教材,我們需要關(guān)注地方高校的實(shí)情:一是教師隊(duì)伍,二是本碩生源的狀況以及畢業(yè)后就業(yè)的實(shí)際,三是人才培養(yǎng)方案中該門(mén)課的學(xué)時(shí)安排. 基于此,本教材的定位:①教學(xué)對(duì)象是地方高校數(shù)學(xué)類(lèi)(計(jì)算機(jī)科學(xué)類(lèi))本科生和碩士研究生;②作為基礎(chǔ)教材,教學(xué)改革步伐不能太大,教學(xué)內(nèi)容上依然需要強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系的完整性,關(guān)注從基礎(chǔ)知識(shí)到研究生代數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的知識(shí)過(guò)渡;③用有限的教學(xué)學(xué)時(shí)在傳統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用之間找到一種平衡,即針對(duì)學(xué)生未來(lái)就業(yè)需要講授近世代數(shù)學(xué)從何而來(lái),能解決什么樣的問(wèn)題;④在每個(gè)章節(jié)后面安排一定的拓展閱讀材料和必要的評(píng)注,以擴(kuò)大讀者視野,激發(fā)其學(xué)習(xí)近世代數(shù)學(xué)的興趣;⑤這一本教材能實(shí)現(xiàn)研究生階段沒(méi)有基礎(chǔ)或基礎(chǔ)較弱的同學(xué)能從第一部分統(tǒng)籌學(xué)習(xí),本科生基礎(chǔ)比較好的可以直接選學(xué)第二部分相關(guān)內(nèi)容.
2)處理好近世代數(shù)的抽象性與應(yīng)用性關(guān)系. 這里,筆者引用美國(guó)學(xué)者比德維爾的一句話來(lái)說(shuō)明學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的一種感受,他說(shuō):“課堂中,我們學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)時(shí)常常會(huì)將自己置身于一座孤島之中,每天一次去島上領(lǐng)略數(shù)學(xué),深入研究那些純粹、潔凈、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、脈絡(luò)清晰,毫無(wú)雜質(zhì)的角落. 我們認(rèn)為數(shù)學(xué)是封閉的、呆板的、毫無(wú)情感的,且一切已經(jīng)發(fā)現(xiàn)好了的. 它完全存在于課本或教師的頭腦中,只需去挖掘與吸收”[25]. 毫無(wú)疑問(wèn)對(duì)學(xué)習(xí)代數(shù)學(xué)的人來(lái)說(shuō),需要有這樣的數(shù)學(xué)感受,感受數(shù)學(xué)純粹的美. 什么是抽象代數(shù)學(xué)?簡(jiǎn)單地說(shuō)就是在給定的集合上定義一些運(yùn)算,給定每個(gè)運(yùn)算的運(yùn)算律和各個(gè)運(yùn)算之間的關(guān)系,將他們和這個(gè)承載集綁定在一起構(gòu)成系統(tǒng)(我們稱(chēng)之為代數(shù)系統(tǒng)),代數(shù)學(xué)就是基于數(shù)學(xué)、物理或其他科學(xué)理論實(shí)際研究各類(lèi)代數(shù)系統(tǒng)的性質(zhì)、分類(lèi). 我們現(xiàn)有的教材中,就有3種不同的處理方式:一是揭示代數(shù)結(jié)構(gòu)純粹的數(shù)學(xué)關(guān)系,追求數(shù)學(xué)的結(jié)構(gòu)美[1,9-10,13-14,15-17];二是在講授抽象代數(shù)結(jié)構(gòu)時(shí)注意關(guān)注這套理論體系在數(shù)學(xué)學(xué)科本身的實(shí)際應(yīng)用,給學(xué)生講授一些代數(shù)理論體系的來(lái)源和應(yīng)用[3-5,12];三是更加關(guān)注抽象代數(shù)的實(shí)際應(yīng)用,以應(yīng)用為落腳點(diǎn)編著教材[6].2003年教育部頒布的《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》中,首次將“對(duì)稱(chēng)與群”作為高中數(shù)學(xué)課程選修系列3、4的專(zhuān)題[26],所以在規(guī)劃本教材時(shí),也需適當(dāng)關(guān)注近世代數(shù)在中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.
3)教材教學(xué)內(nèi)容的取舍和編寫(xiě)體系. 本教材分兩個(gè)部分(見(jiàn)附圖1),第一部分48學(xué)時(shí),3學(xué)分;第二部分也是48學(xué)時(shí),3學(xué)分;第三部分選學(xué),有能力的同學(xué)可以自學(xué)掌握. 將代數(shù)學(xué)的基本準(zhǔn)備知識(shí)分兩部分講授,如集合映射、整數(shù)的整除理論、集合的等價(jià)關(guān)系與劃分等容易接受的部分放在第一部分,對(duì)集合的直積、直和以及偏序集和Zorn引理這些有一定深度的放在第二部分講授.
群論和環(huán)論均分為兩部分講授,第一部分講授基本概念;第二部分講授具體群和環(huán)以及專(zhuān)門(mén)化的內(nèi)容. 例如,我們將群在集合上的作用、有限群的構(gòu)造基礎(chǔ)、有限生成的交換群與自由群等均納入群論第二部分講授. 環(huán)論第二部分和模論基礎(chǔ)一起講授,因?yàn)槟J黔h(huán)的表示,放在一起講授有一定的優(yōu)勢(shì). 值得注意的是,將整環(huán)上多項(xiàng)式理論或唯一分解理論放在第二部分講授不是因?yàn)檫@部分內(nèi)容較難,學(xué)生不容易掌握才后推的,而是基于以下兩個(gè)方面的原因:一是本科階段的學(xué)時(shí),多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)告訴我們,48學(xué)時(shí)無(wú)法完整講授環(huán)上的多項(xiàng)式理論,與其打斷不如整體后移;二是出于近世代數(shù)本科教學(xué)為師范生到中學(xué)教學(xué)服務(wù)的考慮.
本教材在編寫(xiě)上注意三個(gè)背景和應(yīng)用環(huán)節(jié):首先在引入群時(shí)避免從代數(shù)系統(tǒng)出發(fā),而是從平面變換和運(yùn)動(dòng)以及對(duì)稱(chēng)開(kāi)始,希望學(xué)生認(rèn)識(shí)到群論不是數(shù)學(xué)家們杜撰出來(lái)的,它來(lái)源于實(shí)際,可以解決實(shí)際問(wèn)題. 需要說(shuō)明的是關(guān)于對(duì)稱(chēng)與群在第一部分沒(méi)有辦法講授很深,例如如果學(xué)生問(wèn)群是怎么樣刻畫(huà)對(duì)稱(chēng)的?圓似乎比正四邊形對(duì)稱(chēng),是因?yàn)閳A的對(duì)稱(chēng)群是無(wú)限群而正四邊形的對(duì)稱(chēng)群是八階群?jiǎn)??回答這些問(wèn)題是不容易的(有專(zhuān)著講授對(duì)稱(chēng)). 其次尺規(guī)作圖問(wèn)題和中國(guó)剩余定理是本書(shū)安排的另外兩個(gè)近世代數(shù)的應(yīng)用案例. 尺規(guī)作圖問(wèn)題可以有兩種講授方式,一是從平方根數(shù)、多層平方根數(shù)出發(fā),接近伽羅華原始的思想;另一種是從域擴(kuò)張出發(fā). 本書(shū)采用后一種處理方式,在第一部分第四章講授域擴(kuò)張,域的代數(shù)擴(kuò)張后給出尺規(guī)作圖問(wèn)題討論,域論的其余部分內(nèi)容放到本書(shū)的第二部分. 第二部分在環(huán)與模章節(jié)中安排了一節(jié)環(huán)的根的基本內(nèi)容,一方面為了講授中國(guó)剩余定理的需要;另一方面也是為了說(shuō)明交換環(huán)的素根定理在格論、序半群、超結(jié)構(gòu)理論中均有應(yīng)用.
本書(shū)第三部分安排了三個(gè)方面的選學(xué)內(nèi)容:格論和布爾代數(shù)初步;序群與序半群以及超結(jié)構(gòu)理論,這些均和理論計(jì)算機(jī)有關(guān),僅講授一些知識(shí)點(diǎn),沒(méi)有全面展開(kāi)(也許是筆者更熟悉這些領(lǐng)域,不是它們更重要). 對(duì)于其他教材中很好的應(yīng)用案例,例如有限域在編碼的應(yīng)用等,由于篇幅和學(xué)時(shí)的關(guān)系,本書(shū)就沒(méi)有再提及了.
本教材作為數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和一年級(jí)碩士研究生的基礎(chǔ)教材,希望能對(duì)這兩個(gè)層次的學(xué)生均有幫助. 這里的第一部分和第二部分不是嚴(yán)格的劃分,基礎(chǔ)好的本科生可以將兩部分的基礎(chǔ)知識(shí)合并學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)了第三章后可以接著學(xué)習(xí)第七章,再回過(guò)頭來(lái)學(xué)習(xí)第四章. 也可以將本書(shū)第一章、第二章和第十章的第一節(jié)作為學(xué)習(xí)離散數(shù)學(xué)代數(shù)系統(tǒng)部分的參考教材. 對(duì)于研究生階段的同學(xué),如果入學(xué)前沒(méi)有學(xué)過(guò)近世代數(shù),當(dāng)然必須從第一章開(kāi)始系統(tǒng)學(xué)習(xí);如果本科學(xué)過(guò)近世代數(shù)課程,可以將第四章作為銜接開(kāi)始學(xué)習(xí),第七章根據(jù)情況選擇學(xué)習(xí).