关于数学史和数学文化

名师论教关于数学史和数学文化*张奠宙(华东师范大学数学系 上海 200062)摘要 在数学教学中运用数学史知识时,不能简单地、就事论事地介绍史实,而应该着重揭示含于历史进程中的数学文化价值,营造数学的文化意境,提高数学的文化品位.通过对12个案例的详细剖析,具体给出了关于如何实施的建议.关键词 数学史;数学教育;数学文化 中图分类号 O1-0;G42;N91进入21世纪以来,运用数学史进行数学教育的理论和实践都获得了长足的进步.数学史界,从/为数学而历史0、/为历史而历史0,进一步/为教育而历史0(李文林先生语).数学史研究既在学术上不断取得进展,更在为社会服务、承担社会责任方面迈出了重要的步伐.数学史知识,在5国家数学课程标准6和各种教材中系统地出现,数学课堂上常常见到运用数学史料进行爱国主义教育的情景.这些进步,是有目共睹,令人鼓舞的.但是,不可否认的是,运用数学史进行数学教学还有许多不足之处.我们看到的状况,往往是在教材的边框上出现一个数学家的头像,介绍一下数学贡献,就过去了.有的只有直接介绍数学史料,例如列举/函数0定义的发展历程,却没有展开.在进行爱国主义教育时也有某种简单化的倾向.有些界说,往往不大确切,造成误解.一般地说,数学教育中运用数学史知识,还停留在史料本身,只讲是什么,少讲为什么.因此,笔者认为,在数学教育中运用数学史知识,需要有更高的社会文化意识,努力挖掘数学史料的文化内涵,以提高数学教育的文化品位.1 揭示数学史知识的社会文化内涵数学的进步是人类社会文明的火车头.在人类文明的几个高峰中,数学的进步是突出的标志.古希腊文明,5几何原本6是其标志性贡献.文艺复兴以后的科学黄金时代,以牛顿建立微积分方法和力学体系为最重要的代表.19-20世纪之交的现代文明,是以数学方法推动相对论的建立而显现的.至于今天正在经历的信息时代的文明,冯#诺依曼创立的计算机方案,是信息技术的基础和发展的源泉.这些史实,都表明数学文化是和人类文明密切相关的.在中等教育结束的时候,学生应该有这样的历史认识.要做到这一点,在数学教材和数学课堂上,就需要揭示数学史上人和事的社会背景,从社会文化的高度加以阐述和展开.例1 关于5几何原本6.在平面几何课上,我们不能简单地介绍欧几里得生平和5几何原本6写作年代,就算完事.我们应该联系当时的社会文化现象,解释为什么古希腊会产生公理化思想方法.另一方面,中国古代数学又是为什么会注重算法体系的建立,较少关注演绎推理的运用.答案要丛社会文化、政治制度上找原因.首先,由于古希腊实行的是少数/奴隶主0的/民主制度0,执政官通过选举产生,预算决算、战争和平等大事需要投票解决.这就为奴隶主之间进行平等讨论提供了制度保证.进一步,平等讨论必然要以证据说理,崇尚逻辑演绎,体现客观的理性精神.反映到数学上,就是公理体系的建立,演绎证明的运用.另一方面,中国古代实行的是/君主皇权制度0,数学创造以是否能为皇权服务为依归,因此5九18高等数学研究ST U DI ES IN COL L EGE M A T H EM A T ICS V ol 111,N o 11Jan.,2008*本文是作者在/第二届全国数学史与数学教育研讨会暨第七届全国数学史会议0(河北师范大学,2007年4月26-30日)上的发言.章算术6几乎等同于古代中国的/国家管理数学0(李迪先生语),丈量田亩、合理征税、安排劳役等为君王统治效力的数学方法成为主题,实用性的算法思想受到关注.如果我们这样讲解古希腊和古代中国的数学,就会有强烈的人文主义的色彩,使大家受到人文精神的感染.我们的结论是,既要尊重理性精神,也要遵循实用目的,但是中国长期在封建统治之下历来缺乏的是民主理性精神.类似地,我们在进行/数学期望0教学时,多半会提到费马和巴斯卡研究/赌金分配0的问题.但是为什么中国/打麻将0不会产生概率论?这也要从社会文化的角度进行阐述.例2 关于考据文化.数学讲究逻辑推理的严谨性,这时我们不妨提到中国的考据文化.以清代中期戴震为代表的考据学派,曾对中国科学的发展有过重要的作用.梁启超在5清代学术概论6中这样说[1]:自清代考据学派200年之训练,成为一种遗传.我国学子之头脑渐趋于冷静慎密.此种性质实为科学成立之基本要素.我国对于形的科学(数理),渊源本远.用其遗传上极优粹之科学头脑,将来必可成为全世界第一等之科学国民.考据文化的本质是不能把想象当作事实,不可把观感当作结论,必须凭证据说话,进行符合逻辑的分析.训诂、考证中讲究/治学严谨0,其实是逻辑严谨.中国数学教育能够很顺利地接受西方的公理化的逻辑演绎思想,今日中国数学教育能以逻辑推断见长.是和考据文化的支撑分不开的.当然,数学的逻辑要求,较之考据的要求还要高.例如作出考据的结论不能依靠一个证据,即孤证不足为凭,至少要有两个例证.但是,数学则有更进一步的要求,个别的例子再多也无用,必须进行完全覆盖,给出无遗漏的证明.我们在课堂上进行这样的对比,联系中国的考据文化进行逻辑证明教学,应该会更加有效.例3 关于爱国主义的问题.中华文明是世界上唯一得以完全延续的文明.运用数学史进行爱国主义教育,是理所当然的事.不过,我们不能回避以下的历史事实:中国古代数学,整体上落后于古埃及、古巴比仑和古希腊数学.我曾经对一个骨干教师进修班作过调查,60%以上的老师误以为中国是世界上出现数学成果最早的国家.这样的误解来源于某些数学史研究成果,老是说/中国古代某某数学成果比西方早多少年0,却很少说我们整体上比西方数学晚,因而要向其他文明学习数学.但是,晚一点又如何?这是一个心态问题.日本古代文化主要是向中国学习的,他们承认中国是日本的老师,但是学生后来超过了老师.他们把赶超作为爱国主义的核心.美国建国才200年,在初等数学范围内,美国没有领先于世界的数学,难道美国中小学数学课就没有爱国主义教育了吗?他们进行爱国主义教育的宗旨是,学习一切优秀的文化,后来居上,成为世界最强大的国家.中国现在是世界大国,也应该有这样的气魄.我们今天的爱国主义,应该实行/拿来主义0,学习一切优秀的数学文化,最后落脚在/赶超0世界先进水平之上.总之,不能停留在比西方/早多少年0上.向一切优秀的文化学习,日本的同行做得很好.日本小学6年级教材在/测量0一节的引言中,赫然写着中国曹冲称象的故事.由此也就知道我们应该努力之所在了.例4 关于介绍更多的中国近现代数学家.中国数学家不能仅限于祖冲之、刘徽等少数古代数学家,也要介绍在落后情况下努力赶超的近现代数学家.举例来说,高中排列组合单元的教学,应该提到李善兰组合恒等式,那是在清末中国科学极端落后的年代里,非常罕见的创新成果,值得我们珍视.同样,陆家羲解决/寇克满女生问题0、/斯坦纳系列0等组合学世界难题,并获得国家科学一等奖也应该进入教材.尤其是作为普通的包头五中的物理教师作出这样的成果,更为难能可贵.在教学中,不能只是简单地介绍他们的成果,更重要介绍他们所处的社会背景,弘扬他们的坚忍不拔创新精神.总之,介绍数学史不能就事论事.应当努力揭示含于历史进程中的社会文化价值,提高数学文化的品位.19第11卷第1期 张奠宙:关于数学史和数学文化20高等数学研究2008年1月2阐发数学历史的文化价值陈省身先生在为李文林先生的5数学史概论6题词时写道:/了解历史的变化是了解这门科学的一个步骤0.数学史正是为数学学习者提供了领会数学思想的台阶.例5关于/对顶角相等0的例题./对顶角相等0要不要证明?这种一眼就能判断的问题为什么要证明?5几何原本6怎样证明?中国古代数学为什么没有这样的定理?这是学习对顶角相等定理时的文化价值所在.实际上,揭示/对顶角相等0的文化底蕴,学习古希腊文明的理性精神,比单纯掌握这个十分显然的结论要重要得多.可惜,我们都往往轻易地放过了.我想,在课堂上,组织学生讨论,体会这一证明的重要性,是数学教学必不可少的一部分.例6关于/勾股定理0的教学设计.近来发表的一些勾股定理的教案,都喜欢用发现法,即用一连串的实验单,从边长为3,4,5的直角三角形开始,逐步地发现勾股定理.这当然也未尝不可.但是,笔者认为,勾股定理最好的教学设计,是运用数学史实加以展开.首先是建造金字塔的古埃及,没有勾股定理的记载,然后是古巴比仑泥版上发现了勾股数,中国的陈子、商高的勾三股四弦五,古希腊的毕达哥拉斯的结论及证明的记载,中国赵爽的代数方法巧证.这些史实,展现人类文明的特征.然后联系到今天的寻找外星人是使用勾股定理的图案,2002年北京数学家大会采用赵爽证明作为会标,以及作为勾股定理不能推广到高次的费马大定理的解决,一幅幅绚丽的历史画卷,将会使得学习者赏心悦目,受到深刻的文化感染.由此对数学文明产生一种敬畏和感恩之心,并从而了解数学,热爱数学.例7关于笛卡儿.这里,我们愿意用较多的篇幅研究怎样在课堂上介绍解析几何的历史.现在设计直角坐标系的教学,或者解析几何的教学,总会提到笛卡儿的名字.最简单的处理,是展示笛卡儿的画像,说明他建立了坐标系,创立了解析几何,使得数与形结合起来.陈述完了,也就结束了.有的著作则将做三个梦的传说,确定天花板上蜘蛛位置的想象,演染一番,却没有揭示笛卡儿创立坐标方法的文化底蕴.我们不妨再看看5中国数学教育62006年第12期上发表的一个教学实录.师:你们可知道,画两条数轴来表示不在同一直线上的点的位置的方法,直到1637年,才被法国数学家笛卡儿发现.这里有一个资料,我们一起来了解一下.请一位同学朗读阅读资料,了解历史.生:早在1637年以前,法国数学家、解析几何的创始人笛卡儿受到了经纬度的启发,地理上的经纬度是以赤道和本初子午线为标准的,这两条线从局部上可以看成是平面内互相垂直的两条直线,所以笛卡儿的方法就是在平面内画两条原点重合、互相垂直且具有相同单位长度的数轴建立平面直角坐标系,从而解决了用一对实数表示平面内的点的位置的问题.[评析]重走科学家探索之路可让学生体验数学是从生活中产生,从而培养学生的探索精神,激发学生的学习兴趣.这段/阅读资料0不知从何而来.所谓笛卡儿受经纬度启发创立直角坐标系,估计是用想象代替事实.评析者说/重走科学家探索之路,体验数学是从生活中产生0未免牵强,恐怕是一种溢美之词.我们需要探讨的是,怎样帮助学生从笛卡儿创立坐标方法的历史中,获得文化教益?根据可靠的数学史实[2],首先要介绍笛卡儿是一位哲学家.他有一个大胆设想是:科学问题y数学问题y代数问题y方程问题.为了将度量化为方程问题,即建立算术运算和几何图形之间的对应,于是建立了斜坐标系和直角坐标系.这是一个大胆的设想,一次伟大的哲学思考,一种气势磅礴的科学想象.坐标系是在将几何与代数相互连接起来的深刻的科学思考中产生出来的.正如上述陈省身先生的题字那样:了解这段历史的变化是了解析几何的一个步骤.仅仅说坐标系起源于经纬线是不够的,是缺乏文化品位的.再进一步,在李文林的5数学史概论6中还有一段话非常精彩[2]:我们看到,笛卡儿5几何学6的整个思路与传统的方法大相径庭,在这里表现出笛卡儿向传统和权威挑战的巨大勇气.笛卡儿在5方法论6中尖锐地批判了经院哲学,特别是被奉为教条的亚里士多德/三段论0法则,认为三段论法则/只是在交流已经知道的事情时才有用,却不能帮助我们发现未知的事情.0他认为/古人的几何学0所思考的只限于形相,而近代的代数学则/太受法则和公式的束缚0,因此他主张/采取几何学和代数学中一切最好的东西,互相取长补短.0这种怀疑传统与权威、大胆思索创新的精神,反映了文艺复兴时期的时代特征.笛卡儿的哲学名言是:/我思故我在.0他解释说:/要想追求真理,我们必须在一生中尽可能地把所有的事物都来怀疑一次0,,,用怀疑的态度代替盲从和迷信,依靠理性才能获得真理.可以设想,我们如果用这样的观点来介绍笛卡儿(尽管对中学生还要更加通俗),那么一定能够增加数学史的文化感染力.至于那些做梦的传说,还是不传为好.关于与天花板上蜘蛛,以及子午线的故事,虽不妨介绍,却不可当作信史传播.3 营造/数学史0知识的文化意境营造适当的文化意境,可以扩大在数学教育中运用数学史知识的范围.数学和文学都是人创立的,其间必然存在着人文的联系,特别是意境的契合.许多古代的文论作品,虽然并不是专门的数学创作,却具有数学意蕴,可以帮助我们理解数学.例8 关于/一尺之棰0.我们常常引用庄子5天下篇6的名句:/一尺之棰,日取其半,万世不竭0作为中国古代有无穷小思考的例证.其实庄子的这句话,本意在于:/万世不竭0,并非是说/这是趋向于0的极限过程.0那么为什么大家都认为它能帮助理解极限呢?主要在于意境.人们通过日取其半的动态过程,感受到/木棰虽越来越短,接近于零却不为零0的状态.庄子并非数学家,5庄子6也不算数学著作,但是能够用于数学教学,所以我们把它当作数学史料来处理.同样徐利治先生用李白的诗句:/孤帆远影碧空尽,唯见长江天际流0来描写极限过程,和/一尺之棰0的故事一样,都是利用了文学和数学在极限意境上的契合.前面提到日本数学教材运用/曹冲称象0的故事说明测量的意义,虽然这一历史故事并非来自数学著作,我们也可以看作是数学史的作用.例9 关于5登幽州台歌6的数学意境.近日与友人谈几何,不禁联想到初唐诗人陈子昂的名句(登幽州台歌):/前不见古人,后不见来者;念天地之悠悠,独怆然而涕下0.一般的语文解释说:上两句俯仰古今,写出时间绵长;第三句登楼眺望,写出空间辽阔.在广阔无垠的背景中,第四句描绘了诗人孤单寂寞悲哀苦闷的情绪,两相映照,分外动人.然而,从数学上看来,这是一首阐发时间和空间感知的佳句.前两句表示时间可以看成是一条直线(一维空间).诗人以自己为原点,前不见古人指时间可以延伸到负无穷大,后不见来者则意味着未来的时间是正无穷大.后两句则描写三维的现实空间:天是平面,地是平面,悠悠地张成三维的立体几何环境.全诗将时间和空间放在一起思考,感到自然之伟大,产生了敬畏之心,以至怆然涕下.这样的意境,是数学家和文学家可以彼此相通的.进一步说,爱因斯坦的四维时空学说,也能和此诗的意境相衔接.4 提供数学史料,加深对数学知识的文化理解在当前的数学教学中,往往局限于一个概念、一个定理、一种思想的局部历史的介绍,缺乏宏观的历史进程的综合性描述.实际上,用宏观的数学史进程,可以更深刻地揭示数学的含义.例10 关于无限.无限是一个普通名词,也是一个数学名词.小学生学习数学,就要接触无限.例如,自然数是无限的.两条直线段无限延长不相交称为平行,无限循环小数等等,都是直接使用无限的用语,并没有特别的定义.这时,我们必须运用无限的自然语境)))人们关于无限的直觉了.进一步,/无边落木萧萧下0,/夕阳无限好0等等词句的内涵,也支撑着学生对数学无限的理解.自然语言和数学语言21第11卷第1期 张奠宙:关于数学史和数学文化22高等数学研究2008年1月的交互作用,可以帮助学生理解数学概念.但是数学,只有数学,才真正对无限进行了实质性的探究.数学哲学研究中,潜无限与实无限的差别,是关键的一步.单调函数概念的学习困难,其实源于要将/无限多对(x,y)的排序0.牛顿运用无限小量,形成了微积分;康托的集合论,对无限大进行了分析.这样的历史性的宏观考察,是数学史为数学教育服务的重要方面.类似地,我们可以考察/面积、体积、测度0概念的发展历史,考察/方程、函数、变换、曲线0概念之间联系的历史进程,还可以叙述数学不变量的发展历程)))从三角形内角和,四边形内角和,对称变换的不变量,几何问题的定值,拓扑不变量,乃至陈省身类等.这样的宏观思考,值得进一步去做.比如,介绍函数概念的发展历程,应该多作一些分析,并非一个比一个/高级0,初中函数的变量说定义未必就过时了.对大多数人来说,函数的变量说也许比对应说更重要.最后,我们还应该运用数学史知识诠释一些好的数学教育工作,用历史鉴别现实.例12三根导线的故事)))在看不见的地方发现数学.1990年代的一天,上海51中学(今位育中学)的陈振宣老师对我讲了一个数学教育的故事.我以为,那是中国数学教育的一个亮点,堪称经典.陈老师的一个学生毕业后在和平饭店做电工.工作中发现在地下室控制10层以上房间空调的温度不准.分析之后,原来是使用三相电时,连接地下室和空调器的三根导线的长度不同,因而电阻也不同.剩下的问题是:如何测量这三根电线的电阻呢?用电工万用表无法量这样长的电线的电阻.于是这位电工想到了数学.他想:一根一根测很难,但是把三根导线在高楼上两两相连接,然后在地下室测量/两根电线0的电阻是很容易的.设三根导线的电阻分别是x,y,z.于是,他列出三个一次方程:x+y=a,y+z=b,z+x= c.解由此形成的三元一次方程组,即得三根导线的电阻.这样的方程谁都会解.但是,能够想到在这里用方程,才是真正的创造啊!我为这位电工的数学意识所折服.请代学者袁枚曾说:/学如箭镞,才如弓弩,识以领之,方能中鹄0.有知识,没有能力,就象只有箭,没有弓,射不出去.但是有了箭和弓,还要有见识,找到目标,才能打中.上面的例子说明,解这样的联立方程,知识和能力都不成问题,难的是要具有应用联立方程的意识和眼光.这使我想起第二次世界大战以后,1948年时在美国出现的数学.这一年,维纳发表5控制论6,仙农发表5信息论6,冯#诺依曼则提出了使用至今的计算机方案.这三项数学成就,不是通常我们所解决的那种数学问题.他们看见了我们没有看见的数学问题.试问:打电报传送的信息,可以是数学研究的对象吗?用大脑控制手去拾地下的铅笔,可以构成/数学控制论0吗?研究数字电子计算机会改变时代吗?他们看见了新的数学,在1948年不约而同地做出了创造性的杰出贡献,影响之大,使人类在20世纪下半叶进入信息时代.在别人看不见数学的地方,发现数学问题,解决数学问题,这是最高的数学创新.这比做别人给出的问题,更胜一筹.运用数学史料,对正在进行的数学教学以历史经验的衬托,将会对学生起到历史的激励作用.总之,努力揭示数学史知识的文化内涵,将会使得数学史进一步溶入数学教育,增强数学文化的教育作用.青年学子将会建构数学常识,感知数学文化,享受智慧人生.参考文献[1]梁启超.清代学术概论[M].上海:上海古籍出版社,1998:106.[2]李文林.数学史概论[M].北京:高等教育出版社,2002(第二版):140-141.[3]张奠宙.中国皇权与数学文化[J].科学文化评论,2005(1).[4]张奠宙.数学与诗词意境.文汇报,2006/12/30.[5]张奠宙.中华文化对今日数学教育之影响[J].基础教育学报(香港),2007(16).。