高等数学学习美学思考

高等数学学习美学思考

 

中国的数学教育源远流长,最早起源于夏商,形成于西周,近代数学教育始于洋务运动时期.   新中国成立以后数学作为基础学科得到空前发展,目前我国高等教育中的各个层次的数学教育正在大放光彩,唯独高职数学教育发展到了瓶颈期,对很多高职生来说,高等数学就是令人头疼的“老大难”,既晦涩难懂又带不来即时效益,对很多高职教师来说,高等数学只是专业课和实训课的陪衬,是一门可有可无的学科,它的好坏,不会影响其他方面.   实际上,高等数学作为一个在高职院校中有基础性和文化性地位的课程,对学生后继课程的学习和思维素质的培养起着至关重要的作用,在各学科和工程实践中发挥着不可替代的作用,它的教学质量和效果直接影响到学校专业课程的发展和学生能力的发展和提高.   本文将从欣赏性、实用性、简易性重新定位高等数学.   1高等数学之美   我们一生都在追求美好事物,音乐是美好事物的代表,它仅用五条线和一些蝌蚪状音符就造出了一个无限的、绝美的世界,而数学则仅用十个阿拉伯数字和若干符号便造出了一个无限的、绝真的世界,如果说音乐是人类感性活动最纯粹的产品,那么数学便是人类理性活动最惊人的产品.   开普勒说“数学是这个世界之美的原型”;维纳说“数学实质上是艺术的一种”;罗素说“数学不仅拥有真理,而且还拥有至高的美,一种冷峻而严肃的美,正像雕塑所具有的美一样”;普洛克拉斯说“哪里有数,哪里就有美”.古希腊的毕达哥拉斯最早发现的一对亲和数(正整数M(N)的全部因子之和恰为N(M),则称M和N为一对亲和数)220和284体现了数学的奇异美;哈尔默斯和巴尔博的“洛书”幻方体现了数学的对称美;欧拉公式“eiπ+1=0”被誉为“最美的数学定理”,它体现了数学的简洁美;杨辉的九九图体现了数学的统一美;最著名的黄金分割比1:0.618体现了数学的和谐美.   数学美蕴藏在数学的每一分支里,高等数学中也不例外.   1.1数学结构美   高等数学的内容先介绍研究对象函数,再介绍研究工具极限,然后以极限为主线对导数、微分、积分下了定义,各个知识块看似独立又自成体系,体现了知识的联结美:微分从微观上揭示函数的局部性质,积分则从宏观上揭示函数的整体性质,微积分基本定理又将微分和积分连在了一起,广义积分则把无穷级数与积分沟通起来,而微分方程又从方程的角度把函数、微分、积分有机结合起来,展示了它们之间的转化关系;微分理论中的罗尔中值定理是拉格朗日中值定理的特例,柯西中值定理是拉格朗日中值定理的推广,级数部分的泰勒定理又是拉格朗日中值定理在高阶导数方面的应用,它们充分体现了定理间的和谐统一;   1.2数学方法美   数学方法是为数学活动提供的思路、方式、逻辑手段和操作原则的方法,它是数学的生命和灵魂,远比某一具体的数学结果更重要,数学知识在其存在和应用方面具有局限性,而数学方法却具有普遍意义和永恒的价值.归方法是数学方法论中的基本方法之一,是数学家思考和解决问题的基本原则.微积分中利用常量与变量,曲与直的互相转化和极限方法解决了求瞬时速度和曲边梯形的面积问题,进而建立了微分学和积分学,解析几何的创立,使几何问题化归为代数问题,使用坐标法将曲线问题化归为方程问题,利用形体分割法将较复杂的几何形体的计算或证明化归为简单形体的计算或证明.   1.3数学语言美   数学之所以能成为自然科学的工具,就在于数学本身是一种语言,一种通用、精确、简明的科学语言,数学语言是表达数学对象之间的关系和形式的符号系统,它通用于一切科学领域,可以用最少数量、最精确、最迅速地传递信息,没有任何含糊不清或歧义之处,与自然语言相比,数学语言具有更简捷、更精确和形式化的特点,如勾股定理a2+b2=c2被推崇为星级语言;   “集合”语言和“逻辑”语言,都是20世纪发展起来的数学语言,它们不仅是数学家使用的语言,甚至已成为人类普遍使用的语言,它们的重要性由计算机发展而得到进一步肯定.此外数学语言中所使用的数学符号又具有字词、词义、符号三位一体的特性,借助于这种特殊语言,不仅可以简洁地表达数学思维的过程和结果,而且可以使数学思维具有一种使一般思维相形见绌的模拟构造能力和创造能力.数学中的美是千姿百态、丰富多彩的,如美的形式符号、美的公式、美的曲线、美的曲面、美的证明、美的方法、美的理论等,作为新时代的大学生首先要认识到数学的博大精深和对人类发展做出的重要贡献,改变对数学枯燥无味的成见,真正进入数学这个五彩缤纷的世界中,发挥主动性,启迪思维,陶冶情操.   2高等数学之用   2.1高等数学是学好专业课的工具高等数学在当今社会有着广泛的应用.在计算机领域,计算机中许多地方要用到数学模型,特别是算法复杂度,人工智能、业务领域的数学建模等等,都需要有一定的数学功底;随着现代科学技术的发展和电子计算机的应用与普及,数学方法在医药学中的应用日益广泛和深入,医药学科逐步由传统的定性描述阶段向定性、定量分析相结合的新阶段发展,数学方法为医药科学研究的深入发展提供了强有力的工具;载人航天是当今世界最复杂、最庞大、最具风险的工程,是技术密集度高、尖端科技聚集的高科技系统工程,这些庞大的工程都离不开高等数学知识,微积分是最基础的内容,在工科类专业课学习中起着举足轻重的作用;排列组合、概率初步知识的学习是运筹优化、工程自控、数理统计、科学计算、模糊识别、图像重建方面必不可少的基础;数学实验能够训练学生应用数学知识分析和解决实际问题的能力.以汽修专业为例,现代汽车维修专业更多的是对汽车故障进行检测,运用概率知识在每次维修时,根据所出现的故障现象,结合各部位故障的概率,就可以很快地检测到故障部位,提高工作效率.#p#分页标题#e#   2.2高等数学是提高人文素养的桥梁人文素养包括的内容很多,数学科学是最古老的文化,最通用的语言,最普通的课程,最恒久的科学,她不仅有广泛的应用,而且对人的发展有极其重要的价值.数学思维是一种理性的思维模式,包括归纳、类比、演绎、数学建模等方法.尽管数学本身是一个通过逻辑推理建立起来的演绎的理论体系,但是在数学的发现过程中始终离不开非逻辑的创造性思维(归纳、类比、直感).克莱因说过“:在最广泛意义上说,数学是一种精神,一种理性精神。正是这种精神,使得人类的思维得以运用到最完善的程度,亦正是这种精神,试图决定性地影响人类的物质、道德和社会生活;   试图回答有关人类自身存在提出的问题;努力去理解和控制自然;尽力去探求和确立已经获得知识的最完美的内涵”.正是数学的抽象性、精确性、应用广泛性特点使它不单是一种重要的工具,同时也是一种思维模式;不仅是一门学科一些知识,还是一种文化一种素质,数学是真正的真、善、美的统一体.高职数学教育不仅可以让学生掌握数学知识以更好的学好专业课,更重要的是它锻炼了学生的思维能力,数学知识或许会过时会无用武之地,但是数学的思维方法和思辨能力对人的影响却是终生的,高等数学的学习有利于培养学生严谨朴实的科学态度、实事求是的工作作风、勤奋自强的人格品质和勇于开拓的探索精神.   3高职数学之学   高职数学教育面临瓶颈很重要的一个因素是学生的厌学思想,而之所以厌学除了对数学的美和实用性认识不够外,最重要的是“自卑心理”,正如我们经常听到的学生心声“我不是不想学,不是不知道它的重要性,是实在学不会”,高职院校中存在大量这样的“数困生”,他们感受不到学习数学的乐趣,体会不出任何成就感,数学只能给自己带来“我是差生我是失败者”的感受,而人是不会长期忍受这种挫败感和沮丧感的,最直接的摆脱的方式便是逃避和放弃,所以数学教育工作者首先要解除学生的因自卑造成的抵触情结,最有效的方式就是将晦涩难懂的数学知识用生活化、形象化的语言讲述出来,充分认识到初等数学和高等数学的区别和联系,让学生顺势自然地将认知层次从初等数学提升到高等数学上来,不再感觉到高等数学是高高在上、遥不可及的.初等数学基本上是从静态角度考察事物的数量关系和空间形式,主要涉及形式逻辑;而高等数学充满辩证法思想,不仅涉及形式逻辑还涉及辩证逻辑,如运动变化、量变到质变、抓事物本质等观点贯穿其中;初等数学基本上是常量数学,高等数学则属于变量数学,用变化的观点去考察问题,用极限的思想去解决问题,它在内容上更精确、更严谨,方法上更深入、更细致,思想上更缜密、更科学.高等数学中最抽象难懂的就是基本概念和定理,因为这些概念在现实世界很难找到由之抽出的现实原型,而且多数数学概念是在数、集合等少量原始概念之上定义的,例如所提及的函数,变量,数量,导数,积分等,它们都不是从自然界所研究的具体物质运动形态抽象出来的概念,它们是以原始概念为基础定义的,所以数学概念比自然科学概念离现实世界更远更抽象.但再高层次的知识也是以低层次的知识为基础的,在学习高等数学中的概念定理时,可以从这些知识的背景、几何意义出发来掌握,用“割圆术”来理解极限,用求变速直线运动的即时速度来引出导数概念,用微元法来认识定积分等等,如计算时,可不用第二换元法而直接根据定积分的几何意义,得出此定积分表示以原点为中心、以a为半径的圆在第一象限的面积,从而得出结果,在了解了基本概念的背景与形成过程后再运用计算机辅助设计动画显示,加入高等数学实验课,将基本概念形象化变得可“听”,可“看”,可“摸”,降低基本概念的理解难度,从而提高学习高等数学的兴趣和信心.   数学固有的特点与风格要求学习数学的人必需运筹帷幄、有理有据,数学教会人们客观地公正地对待事物和处理问题、杜绝主观偏见,激发人们追求真理的勇气和信心,数学的精确性和严密的逻辑思维对于形成实事求是、一丝不苟的科学作风起着潜移默化的作用.   作为高职生首先要认识到数学的博大精深和对人类发展做出的重要贡献,改变对数学枯燥无味和深奥难学的成见,真正进入数学这个五彩缤纷的世界中,发挥主动性,启迪思维,陶冶情操;作为高职教师除了要有基本的职业素养外,还应有较强的科研能力和广博的知识,把理性思维通过知识载体传输给学生,进行开放式教学,激励学生积极主动探索数学知识规律,全面提高学生素质,让数学的科学性和人文性得到充分诠释.