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现代数学观
第2章现代数学观
数学教育,顾名思义是关于数学的教育,它与数学不可分离。
研究数学教育就不可避免地要研究数学的特征,进而研究数学教育的特征,再深入到数学教育的各个领域内展开对各类问题的研究。
数学教育中的数学观,就是指从数学教育的基本任务出发来认识和理解数学的特点。
这里既要注意凡是科学都具备的共同特点,如:
观察、实验、想像、直觉、猜测、反驳、验证等。
又要注意数学与其他科学共同点之间存在差异的方面,比如:
凡是科学都有抽象性、严谨性、应用性特点,而数学在这一方面又有其特殊性。
§2.1数学的抽象性特征
数学具有高度的抽象性,这是众所周知的。
但这并不是说只有数学科学才是高度抽象的,而是指数学在抽象性方面,具有区别于其他科学的独有特点。
那么,数学在抽象性方面有什么特点呢?
2.1.1数学对象的抽象性
数学与其他科学相比较,最主要也是最基本的特点,就是它所研究的对象是抽象的形式化的思想材料①。
物理学、化学、生物学等数学以外的科学,它们研究的对象是客观世界的具体物化形式或具体运动形态。
比如物理学中的量子,是物理量转变的最小单位,存在于客观世界的现实中,用一定的仪器设备可以观测得到。
数学中的对象。
诸如:
数、式、方程、函数;点、线、面、体;群、环、域;欧氏空间、线性空问、拓扑空问……虽然可能找到它们形成的客观背景,但现实世界中毕竟没有这些对象物化形式的实际存在,它们是人类思想抽象的产物。
针对数学的这种特点,爱因斯坦曾经精辟地指出:
“当数学定理涉及现实时,它们是不确切的;当它们是确切的时候,它们就不涉及现实。
”数学的对象不仅是抽象的思想材料,而且还是形式化的思想材料。
所谓形式化就是这些抽象的思
想材料是用数学的特殊符号语言组织起来,当人们面对一系列数学材料时,看到的仅仅是材料的形式,其所包含的真正内容却是抽象的思想隐藏在形式之中。
例如“
”,直观上它仅仅是一个符号、一种形式,它在初中教材中的一个真实含义是“直角三角形的一个锐角
所对直角边与斜边的比值”,然而单从符号的形式表面是看不到它的真实含义的,它的真实含义体现为思想材料,“
”只不过是它的表现形式而已。
2.1.2数学理论的抽象性
人在思维中把事物的某一方面特性与其他特性区分开来加以单独考虑,进而舍弃其他的特性,保留下来的特性就是抽象出来的事物的本质。
许多不同科学领域的不同问题,表面看起来是完全不相同的,可它们由数学语言表述出来的时候,可以用同一个数学模型来刻划,因为这个数学模型反映了它们的共同性质,即它们的本质。
例如,“
”是最简单的一阶微分方程。
这个微分方程可以用来描述放射性同位素的衰变过程(化学);可以用来描述某种细菌的繁殖过程(生物);可以用来描述某个条件下的热传导过程(物理);也可以用来描述某个地区人口的变化过程(社会学)等等。
同一个数学概念能够用来解释物质世界和人类社会的各种问题,原因在于这一简单的数学概念和理论反映了多种问题的共同本质属性。
正是数学反映了各种不同领域的许多深刻的联系,从而使数学起到统一和综合各种科学知识的作用。
数学这种通过揭示本质属性实现的统一和综合,使人类获得深刻的洞察力,促进人类对客观世界的理解。
2.1.3数学方法的抽象性
数学思想活动除了对数学对象进行创造以外,还创造解决数学问题的数学方法。
所谓“数学方法”就是数学处理自身问题的办法。
1.数学的主要研究方式是思辨
由于数学的对象是抽象的形式化的思想材料,这就决定了数学研究必然是以思辨的方式进行的,也就是数学活动是人类抽象的思想活动。
数学的思想活动实际是一种思想实验①,与其他实验性科学相比,数学思想实验不是在普通实验室里进行,而是以人的大脑为实验室,数学实验在人的大脑里进行。
人利用各种思维方式,在大脑这个思想实验室里,对抽象的形式化的思想材料进行加工,创造出数学成果的过程。
数学的思想实验表现为内部思维动作的操作过程,其他科学则表现为外部行为动作的操作过程。
尽管计算机为今天的数学研究提供了史无前例的技术力量,但是数学科学的
研究工作在很大程度上仍然依靠个人的灵感和创造力,也就是依赖于个人的思维活动。
2.数学中的弱抽象方法
在数学的思想活动中,有一类方法是在同类的事物中抽取关于数量、空间形
式或结构关系方面的共同属性,舍弃其他的特征,从而形成新的数学概念。
这种
舍弃一部分属性保留共同属性的抽象过程称之为“弱抽象”。
例如自然数“3”的概念就是弱抽象产物。
在3只鸡、3个苹果、3个球等这
类事物中,“个数3”是它们的共同本质属性,于是“3”被抽象出来,而鸡、苹果、球都是非本质属性而被舍弃。
又如“基数”概念,也是在偶数、整数、有理数、实数这些数的集合中,按一一对应原则,抽象出无穷数集的基数的概念。
数学中的很多重要概念都是由弱抽象的方法得到的,弱抽象方法是数学思想
活动的主要方法之一。
弱抽象的特点是,用弱抽象得到的数学对象,一般是概念外延的扩大,而内涵的减少。
弱抽象的本质在于舍弃。
通过弱抽象方法得到的属性,本来就存在于原来的一类事物之中,抽象的过程只是把它分离出来,而且被抽象出来的属性决定了这类事物与其他类事物的本质差异,因而是本质属性。
一般地说,只有内容结构较为丰富的对象,才能成为弱抽象的原型。
3.数学中的强抽象方法
数学思想活动中,有一类方法是把新的特征或属性添加到已有的数学结构
中,从而形成新的数学概念,而不是从同类事物的众多属性中将共同的本质属性
抽取出来。
这种通过在原有数学结构中增添新的性质来获得新数学概念的抽象过程,称之为“强抽象”。
例如,由一般三角形概念,引入“两条边相等”或“一个角是直角”的特性,
就分别得到比较特殊的三角形概念:
等腰三角形和直角三角形;在函数概念中,引入“连续性”就形成了“连续函数”的概念,进而有“可微函数”的概念;点、线、面这些几何元素同各种变换相结合,即在点、线、面这些几何元素中分别引进不同的变换关系,就产生了合同、相似、仿射、射影、同胚等几何概念。
这些例子表明,强抽象方法通过引入新的特征强化原型来完成抽象,是一种
概念强化式的抽象,这样获得的新概念或理论,实际上是原型的特例。
强抽象的
特点是,强抽象方法获得的数学对象,一般在概念的外延上缩小了,但内涵或结构更加丰富和具体了。
强抽象方法的本质在于“添加”,强抽象是将不同数学概
念或结构有机地结合起来。
强抽象和弱抽象是方向相反的两种思维方法。
从思维活动的方向看,弱抽象是“特殊到一般”的过程,强抽象则是“一般到特殊”的过程。
由于强抽象是“一般到特殊”的过程,因而实际是演绎推理的过程,这个过程比较直接,但不易理
解。
用这种办法建构新的数学概念,对思维水平要求要高一些。
弱抽象是“特殊
到一般”的过程,因而实际是归纳推理过程,这个过程比较直观,是通过直接经验来建构新的数学概念。
更贴近学生的思维水平,更容易理解。
2.1.4数学抽象的理想化特点
数学中的很多概念是理想化抽象的产物。
像平面几何中点、直线、平断以及解析几何的笛卡儿坐标系,是最典型的理想化抽象。
点——只有位置而没有大小;直线——没有宽窄,且可以无限延长;平面一一没有厚度又没有边界;笛卡儿坐标——宇宙本来没有坐标,坐标系是人理想中的,原点、坐标轴完全是人为的,
因而个人可以自由地设立自己的坐标系。
无理数、虚数、无穷小量和极限等概念
也都是理想化抽象的产物,它们的严格定义是数学家们后来才给出的。
数学中的多数公理也都是理想化的抽象。
“实无穷和无穷集的大小比较”是典型的一例。
德国数学家康托(ContorGeorg)建立集合论时,规定:
两个集合的元素之间如果能建立一一对应,则这两个集具有相同的基数。
康托的规定产生了一个问题:
即自然数的许多子集都与自然数集有相同的基数。
它岂不是与“部分小于全体”的比较公理矛盾了吗?
由于康托对传统比较公理进行了修改,作出了理想的无穷集比较的构想,抽象出新的比较公理,排除和避免了把传统比较公理用于无穷集所产生的矛盾。
数学的理想化抽象之所以适用于对现实世界的研究,并成为认识现实世界的有力手段,是因为这种对现实对象和过程的理想化,具有扎根于现实世界的合理性和潜在的可实现性。
自然数公理化概念即是建立在这种潜在的可实现基础之上。
几何图形的无限分割,也是一种潜在的可实现思想的体现。
2.1.5数学抽象的形式化特点
数学抽象性的与众不同之处是数学的抽象具有形式化特点。
这种形式化主要表现在两个方面。
1.数学语言的形式化
数学思想活动的结果必须要以某种形式记录和表达出来,在这方面,数学采
用的是形式化语言,也就是说数学语言是“形式化”的。
数学语言的形式化,首先表现为符号化。
数学符号是数学抽象物的表现形式,是数学存在的具体化身,是对现实世界数量关系空间形式和结构关系反映的结果。
数学符号按一定规则组
织起来,就成为数学思想材料的物质载体——数学语言。
数学的形式化就是用一套有数学含义的符号体系,来表述数学对象的结构和规律,从而把对数学具体对象的研究,转化为对符号形式的研究。
例如:
勾股定理——直角三角形两直角边的平方和等于斜边的平方,可以形式化为:
在△ABC中AB⊥AC,那么
它的真正含义是“是否存在同时满足这三个等式的一组数值(
)”。
在韦达以前,方程不是用这个符号的形式表述的,那时方程的表示要复杂得多。
描述函数极限的
语言;若对任意给定的数
,存在
。
这些数学符号代表了特定的数学含义,但是仅仅看它们的表面并不能看出内在的意义,因而是一种形式,或者说它只是所代表实质的形式的外壳,只有懂得它们的意义的人,才能把这个形式与其意义联系起来,才能剥去形式的外壳看见它们的实质。
2.数学概念、命题的形式化
可以发现,数学语言中有一个共同的句法形式——“如果……那么……”或
者“若……则……”。
也就是数学的论断都是建立在假设的基础之上,如果假设不成立,那么论断也就不成立了。
众所周知,中学阶段所学的几何都是建立在欧氏几何的五大公理体系之上,然后按照逻辑推理可以得出一系列的定理、性质,然而当否定了其中的“平行公理”之后,公理体系被重新建构,又形成了非欧几何的公理体系,在这一基础上,仍然可以进行逻辑推理得到相应的定理性质。
可见,数学是在以假设为前提的基础上进行自身的科学理论建设的。
在数学的公理体系中,公理本身就是假设,然后按照逻辑演绎的方法经过“真值传递”形成数学的科学真理。
由假设推出结论,就是一种形式化推理。
因此数学的概念、命题都是一些形式。
数学的形式化不等于数学的符号化,数学的符号化是数学形式化的一部分。
它们的差别在于:
符号化着眼于各种数学抽象物本身及其关系的形式上的表述。
形式化着眼于各种数学抽象物之间本质联系的形式上的表述,目的是把纯粹的数量关系或结构关系以简洁明了的形式加以表示,以便揭示各种抽象物的数学本质和规律。
对数学形式化有一个正确的认识,对数学教育而言十分重要,它向教师和学生强调了数学教与学的活动中,不仅要掌握数学对象的形式,更要理解数学形式所包含的数学对象的本质属性,透过形式抓住本质
§2.2数学的确定性特征
数学中通常进行的数学证明,就是运用逻辑关系来判断一个数学命题是否正确的过程,实际是用逻辑检验数学真理的过程。
由于古希腊数学家们的工作,特别是亚里士多德和欧几里得的工作,使得数学与形式逻辑结合起来,由一门经验性科学真正成为一门演绎科学,从此数学与逻辑总是密不可分,成为整个科学领域内最严谨的科学。
2.2.1数学的确定性由数学对象的抽象性决定
由数学的抽象性特点可以知道,数学的抽象舍弃了事物所有个别的性质和具体的内容,而这些被舍弃的东西使客观事物表现出千差万别,它们是不稳定的、不确定的、易变的东西。
数学抽象保留了事物的共同的本质,只有这些本质的东西才是稳定的、确定的、不变的,事实上数学正是研究在一定数学运动变换下的不变性质。
例如,代数方程的解是代数运算下代数式的值的一种不变性质。
函数的奇偶性、单调性、周期性,函数图象对称性等是映射变换的不变性质。
二次曲线在坐标变换下的不变量正是解析几何研究的重要内容之一。
各种几何都是研究相应几何变换下的不变量。
代数运算的封闭性、结合性、可交换性、可逆性……都是代数运算的不变性质。
正是数学对象的这些不变性,使数学具有确定性。
2.2.2数学的确定性由数学方法的抽象性决定
数学方法的基本点就是概念的明晰性。
无论是数学家研究数学,还是学习者学习数学,其首要任务就是明白其面临问题所涉及的概念,概念不明确一切数学活动都不能进行下去。
例如对无穷认识的突破,并没有使用高深复杂的推演和计算,而是仅仅建立了集合的概念和集合元素“一样多”的概念,依赖于一一对应这样简单而明确的关系,从而分清有限与无穷的本质差异,无穷与无穷之间的本质差异。
数学方法的抽象性使得数学结论具有普适性、稳定性。
在实验科学中,一个实验可能因为各种不确定因素而影响实验的结果,而且不可能有完全的重复,这就导致了不确定。
数学方法则不然,任何一个数学计算、数学证明的过程都可以重复,并得出同样的结论。
正是这样的原因,数学结论的正确性对每一个人都是一样的。
也正是这样的原因,使得数学表现出一种可靠性、可信性,从而对数学的结论确信无疑。
2.2.3数学的确定性由逻辑方法本身的精确性决定
在逻辑方法中,推理规则是第一位的,而推理规则是人们在长期的历史实践中抽象出来的,其真理性也是由长期的历史实践所证明的。
在逻辑方法中,一切使用的概念在推理中必须服从规则,就是必须由一定的前提出发才能得出某个必然的结果,整个推理过程都必须按照一定的逻辑规则进行,任何数学结论只能根据初始命题出发,或根据由初始命题推得的命题出发推导出来,从而使得用这种方法推得的数学结论令人心悦诚服,无可争辩。
由于逻辑方法具有确定的推理规则,一切概念服从规则,这使得逻辑方法本身具有了确定性,进而使得经由逻辑方法检验而获得真理性的数学有了确定性的保证。
2.2.4数学的确定性由公理化的结构决定
一般来说,所有的数学证明都归结为逻辑论证。
但是如果定理A由定理B导出,而定理B由定理C导出,定理C又是由更前面的定理推出,那么这种无限向前递推何时才有尽头?
为了避免无限向前递推的情况,就采用这样的方法:
将某些概念以及它们之间的关系当作原始的,不加定义的,而所有以后的概念和性质都以精确的定义和逻辑论证的方法,从原始概念导出。
这种建立科学学科的过程就是公理化。
数学的公理化本质上反映了数学的内部组织形式,数学公理化发展经历了实质公理系统的第一阶段,形式公理系统的第二阶段,才完成了数学内部组织精确化、完善化的过程。
经过严格逻辑整理的数学理论体系在一定范围内确实无懈可击,但形式化和公理化也是有局限性,并不能解决数学中的一切问题。
逻辑推理的这种传递真值的作用,可以保证按照某一公理系统建立起来的某一数学理论体系,具有逻辑相容性,即在逻辑上是无矛盾的。
这的确表明数学在逻辑上是高度严谨的。
但那些逻辑上没有矛盾的命题是否就一定正确呢?
这显然要追溯到作为逻辑推导的命题最初出发点的那些公理是否正确。
决定数学理论体系最原始的真值保证,即决定那些不加证明的数学公理的真值性的保证,只能是数学家们亲身工作的实践。
数学家在自己的实践中,使自己的认识不断地同客观的规律接近,不断地认识数学对象的深刻本质,从中确定数学真值。
数学公理的真值性由数学家在处理、变革乃至创造数学对象的活动中,对数学规律的把握来保证。
在这个意义上数学并不是绝对严谨的。
§2.3数学活动的探索性特征
关于数学高度抽象性、确定性和广泛应用性方面的特点,是数学具有区别于其他科学的独特的特点,除了一般认为的数学的这三大特点以外,数学在与其他学科共有的科学探索性方面也具有区别于其他学科的独特的特点,这也是数学与其他科学共同具有的特点。
2.3.1数学活动具有探索性
数学的探索性特征就是指,在数学活动中要运用一般科学的探索方法:
观察、实验、想像、直觉、猜测、验证、反驳。
科学探索方法是科学发现发明的方法,
因此数学活动的探索性特征体现了数学创造性活动的特点,意义更大、更重要。
数学活动有三类:
数学研究活动,这是数学发现发明的过程;数学认识活动,即数学学习活动,这是一个再创造的过程;数学实践活动,即数学解决问题的创造性过程。
这些活动都要经历发现问题,提出假设,验证猜想的阶段,这个阶段就是数学探索性活动阶段。
数学探索性表明了探索活动阶段的不确定性。
如果说这一阶段有什么规律的话,那也是建立在经验基础上的,没有确定的形式和结构。
正是这种不确定性,体现了数学活动的创造性。
1.数学研究中的探索性
数学发现发明是典型的探索性活动。
阿基米德的“启发式论征”;牛顿发明微积分;康托发现无穷集合的“基数”,即实数连续统等等。
这些数学发现发明的过程都曾经历“实验、观察、猜测”的探索活动过程,是大量探索性活动的结果,是大量运用实验、观察、猜测、想像、直觉、验证、反驳这些探索性方法的结果。
2.数学学习中的探索性
数学的探索活动并不限于数学的研究领域,也广泛存在于数学的学习活动中。
幼儿园孩子学数字用手指,小学生学数学用“学具盒”,都是数学学习中的探索性活动,他们通过实验、观察、探索数学知识;中学生学习三角形的三边关系时,用各种长短不一的小棒做拼组三角形的实验;学习三角形的内角和时,教师让他们做出形状各异的各种三角形,再把每个三角形三个角剪下来,拼起来,量一量,最后让他们提出三角形内角和的猜想:
三角形的内角和等于
。
在证明这个猜想时,让学生结合刚才的实验,寻找证明的思路,实际上是如何添置辅助线将三角形的三个角移动到一起。
于是学生经过多次实验,提出各自不同的办法,辅助线如何添也是合理猜想的结果。
高中生学习对数的运算法则,如果采用数学实验的方法,也是一个探索性的活动过程。
对数运算的性质一般是通过对数与指数的关系引入的,这是一个从数学到数学的演绎过程,没有展示出“对数运算性质是怎样发现的”这个要义。
通过演绎固然可以发现对数运算性质,但不能体现数学发现的真实过程和科学发明的精神。
利用数学实验的方法让学生自己探索对数的运算性质,是一种真正的数学探索过程。
发给每个同学一个数学实验表格,让学生根据实验要求完成整个实验过程,然后全体同学发表自己的实验结果,交流心得,相互启发,相互补充,在活泼热烈的气氛中每个人都经历了一次数学发现发明的过程。
具体的教学实例如下(本材料来源于南京师范大学附属中学特级教师陶维林的一堂课):
数学实验
姓名___________班级________________学号__________________
1.实验要求:
(1)坐在奇数排的同学把身子转过去坐,与偶数排的同学每4人组成一个小组;
(2)每一个小组选出一个组长,等研究结束后,请他代表小组做情况汇报;
(3)自定第一、第二行中M、N的数值,用计算器计算出各列中所指出的数值
M
N
lgM
lgN
lgM+lgN
lgM—lgN
lgMIgN
lg(MN)
2.观察计算结果,提出同一列中计算结果间关系的猜想:
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.证明猜想:
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
4.实验心得:
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
创设这样一个数学实验的情境,使得学生可以在这个情境下,最大限度地发挥自己的主观能动性,发挥自己的创造性,像真正的数学家那样去尝试数学的发现发明,从而获得发明创造的体验,感受发明创造的乐趣。
教学中教师把对数运算性质的发现过程作为重点,就把课本上缺失的探索过程弥补出来,也就是常说的“还原数学创造的本来面目”。
这是一个十分典型的数学探索活动,这种情境的创设正是教师创造力之所在。
3.数学解题中的探索性
数学解题也是一种探索性活动。
所谓数学的探索性活动,就是对数学问题,人们根据自己的经验和知识,运用实验、观察、想像、自觉、猜测、验证和反驳的方法,寻求一种可能性结论的活动。
波利亚认为,数学解题中进行论证推理,仅仅是一个方面。
实际的情形是:
在得到一个数学问题的结论之前,你得先探索这个结论的内容;在做出完整而祥细的证明之前,你得先探索证明或解题的思路,要经过一次次的错误尝试,经受一次次失败的考验。
在数学中,除了论证逻辑外,所有的知识都是探索性活动的结果,都是由一些猜想构成的,是数学创造的产物,其创造过程与任何其他创造过程是一样的,必然要经历观察、实验、猜想的探索阶段。
解题的大部分工作属于探索性活动、探索性推理,要在实验中不断地特殊化或一般化,在观察中不断地进行分析综合,通过归纳类比提出猜想,通过验证和反驳对猜想作出预测和修正。
不过这样的探索即使是做了大量的工作,也只是可能性的探索。
这种“可能性”有两层含义:
一是这种探索可能会得到某种结果,可能是问题的结论、解题的思路或者一个好的念头;二是所得的结果可能是正确的,也可能是不正确的。
这表明,探索性推理的活动,是不确定的,探索性推理并非严格的和最终的,仅仅是临时的和似乎是真的,但它是得到一个最终严格结论的先决条件,必由之路。
4.数学探索性活动的基本特点
数学探索性活动有如下基本特点:
其一,不是运用逻辑推理的论证方法,而是运用合情推理的探索方法;其二,可以获得发现发明的内容;其三,可以寻
找解决问题的思路;其四,可以预测可能性结论的正确程度,对其作出合理的
修正;其五,其结果只具有“可能性”,必须通过严格的论证才是可靠的、最终的结沦。
数学探索性活动的意义在于,它是数学发现发明的方法,是每个人将来进行创造性工作必须应用的方法。
但是在学校的常规课程中,很少提供学生学习探索性活动的机会,在数学学习和教学中,自始至终进行“因为——所以”的逻辑论证的严格训练,其实探索性推理与逻辑推理对数学同等重要,而且从教育的角度讲,探索性推理更重要。
它为学生提供了尝试发明的机会,为学生未来创造性地
上工作做好了准备。
2.3.2数学探索性活动中的若干要素
数学探索从观察、实验开始,数学探索性活动的关键是提出猜想。
但猜想并不可靠,因而数学探索活动不可缺少的环节是验证。
数学探索性活动需要丰富的想像力。
数学活动中想像包括几何想像、类几
何想像、数觉想像、心理图象几个层次,数学活动中的想像,主要都是非直观的。
有时甚至就是意念。
数学探索性活动还包含一定的直觉因素。
数学直觉一般是指:
“对于数学对象事物的结构及其关系的某种直接领悟或者洞察。
”数学直觉不包括普通逻辑推理过程,具有非逻辑性、自发性的特点,包含合情推理形式的直接领悟,属于非形式逻辑的思想活动范畴。
数学直觉的作用至少有两个:
辨识性作用和关联性作用。
数学活动中,数学直觉可以给人以科学的机敏,就是“直觉的辨识性”或“直觉的
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