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全國政協委員張云勇:感知奇妙的數學

2019年03月20日 11:17 | 作者:張云勇 | 來源:人民政協網
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感知奇妙的數學

我認為小學時期是可以學奧數的,只要孩子愿意,就鼓勵。

當前,我國數學英才教育的缺失,是數學教育的重大隱憂,為改變落后局面,應加強數學教育特別是數學頂尖人才的培養。

———張云勇

(一)數學之美

數學在某種程度上是一種工具。通過數學,可以研究其他事情。從本質上說,數學研究三類問題,一是研究數量,二是研究空間圖形,三是研究隨機現象。也就是說,所研究的事情可能發生也可能不發生,因此,數學思想主要有3個,即抽象、推理和模型。

我國漢代就有《九章算術》,其內容包含當時的數學全體,宋、元時期,“算學”和“數學”兩詞并用,1935年中國數學會名詞審查委員會仍主張兩詞并用,直到1939年6月,才確定使用“數學”,而不再用“算學”。

數學的拉丁文來源于希臘字的科學、知識、學問的意思。“代數”來自拉丁文,公元820年左右,烏茲別克的阿爾花拉子模著有一本《代數學》,1140年羅伯特(Robert)把它譯為拉丁文,書名應是“還原與對消的科學”,后來漸漸演變為“代數”。

幾何一詞最早來自于希臘語,由“土地”“測量”兩個詞合成而來,指土地的測量,即測地術,后來拉語化為幾何。

數學是一個基礎性的學科,人不一定一輩子都從事數學研究,如果從事經濟學研究,習慣于定量分析,擁有較好的數學知識就很好;如果研究生物學,對基因的遺傳規律感興趣,也可以學習數學知識;物理中更多的是可量化的事情,如果對物理感興趣,可以學習數學;如果希望進行并習慣于理性思維,學習數學的好處是,一方面學會了計算;另一方面學會了邏輯思考。當然,各類名牌大學提前錄取時,還將數學自主命題作為重中之重。

羅素曾說:“恰當地說,數學不僅涵括真理,亦表現最高等的美——這種美冷靜而簡樸,宛若雕塑,不訴諸我們任何柔弱的本性,沒有繪畫中抑或音樂中的華麗絢爛,但是純粹得莊嚴,只有最偉大的藝術才能展示其嚴格的完美。”

文學評論家林興宅說“最好的詩是數學”。只有在數學和詩里,人的精神才能夠進入一個比較純粹的境界,才能把對世界的認知符號化、純粹化,從而提升激揚。

如4位數黑洞6174現象,把4個數字由小至大排列,組成一個新數,又由大至小排列組成一個新數,這兩個數相減,之后重復這個步驟,只要4位數的4個數字不重復,數字最終便會變成6174。

3X+1猜想是任取一個自然數,如果是偶數,就除以2,如果是奇數,就乘3再加上1。在這樣的變換下,得到一個新的自然數。如果反復使用這個變換,就會得到一串自然數,猜想就是:反復進行上述運算后,最后結果為1。

假如先取5,首先得到3×5+1=16,然后是16÷2=8,接下去是4、2和1,由1又得到4,于是我們就陷在4→2→1這個循環中了。再舉個例子,最開始的數取7,我們得到下面的序列:7→22→11→34→17→52→26→13→40→20→10→5→16→8→4→2→1。在西方,它常被稱為西拉古斯(Syracuse)猜想,據說這個問題首先是在美國的西拉古斯大學被研究的;而在東方,這個問題將由它帶到日本的日本數學家角谷靜夫的名字命名,被稱作角谷猜想。

(二)要不要學奧數

對于奧數,人們歷來褒貶不一,爭議很大。最普遍的一種說法,是奧數只適合5%的孩子學習,對另外的95%是不適合的,甚至,可能會是一種折磨。也許我們的孩子不是那5%,但我們有讓孩子爭取進入那5%的自由和權利。

我認為,小學時期是要學奧數的,這是今后學習必須打好的基礎之一。當然,沒有必要逼著孩子去參加奧數比賽,只要孩子愿意,找一位適合的老師,認真學習就行。我女兒8歲那年,開始學奧數,通過一年仔細觀察,我發現,孩子的邏輯性變強了,做事情更有條理了,每做事之前,她都會想一想,列個計劃,按步驟去做,不僅提高了效率,反應也變快了,這和在奧數學習中的訓練有很大關系。

對于如何學奧數這個問題,我認為無論學什么,首先要有興趣,因為興趣是學習最根本的動力,在學習的過程中,在克服困難的過程中感到樂趣,這很重要。

大數學家高斯曾說過:“讓人產生最大樂趣的應該是學習而不是知識,是追尋而不是擁有,是過程而不是結果。”學習數學要會思考,因此,具有理性思維的人更適宜學數學。學數學不做題不行,但也不一定必須要大量做題,要從刷題到挖題,從做題到講題再到命題!

對于小學生來講,應注重趣味性,可以學習加德納趣味數學典藏版”(第一輯、第二輯、第三輯),這些書籍包括法國趣題大師皮埃爾·貝洛坎精心設計的絞腦汁難題集,美國趣題大師馬丁加德納及英國趣題作家休伯特菲利普斯、安吉拉鄧恩、亨利杜德尼等4位作者的圖書,還可通過日本小蜜蜂BEE(日本菲爾茲獎得主小平邦彥、廣平中佑主持)來了解和學習奧數。

我個人的經驗是,學習前先精心選好素材,孩子聽不懂的堅決不講,大人講得比較累的堅決不講,沒有興趣的堅決不講,只講趣題,不講難題,即便是難題,也要用一種通俗易懂的方式教會孩子,且能觸類旁通,所謂大道至簡即是此理。

(三)關于數學競賽

IMO是國際數學奧林匹克競賽的縮寫,1959年7月在羅馬尼亞舉行了第一屆IMO,當時只有7個國家(羅馬尼亞、保加利亞、波蘭、匈牙利、捷克斯洛伐克、前民主德國、前蘇聯)參加,后來,美、英、法、德等國家和亞洲一些國家也陸續參加,如今,IMO幾乎已被所有的文明國家所接納。

1956年,中國受前蘇聯影響,在京、津、滬、漢4個城市舉辦了第一次數學競賽,主持這一競賽的是著名數學家華羅庚。那時的競賽規模較小,僅限于大城市,但由于各種因素的干擾,斷斷續續地進行了近10年后完全停止,直到1978年才再度恢復。

目前,正在舉行的各類競賽包括希望杯、迎春杯、中國女子數學奧林匹克、世界(中國)青少年數學奧林匹克、中國數學奧林匹克等近20項賽事。在每年的全國高中數學聯賽后,選拔120名左右的同學參加中國數學奧林匹克“冬令營”,簡稱CMO。CMO為期5天,在每年的1月舉行,無論是題型還是難度,CMO完全模擬IMO,而且也是每天做3道題,限時4.5小時,但每題21分,總分126分。從1990年開始,冬令營設立了“陳省身杯”團體賽。從1991年起,冬令營又被正式命名為“中國數學奧林匹克”,與前蘇聯和美國的國家級最高競賽相類似。冬令營后,再經過TST選拔,最終選拔6名同學(高一到高三)參加IMO。

從最近幾年的成績榜單看,我國已連續3年處于第2、第3位,就目前的發展趨勢,今后在1到3名之間徘徊應該也是大概率事件,這不得不讓人反思,人才外流、幾何短板,代數技巧性不強、課程體系不合理,難的不難、簡單的不簡單,競賽定位不明確、發展方向迷茫等都阻礙了數學的發展,因此,培養頂尖數學人才已迫在眉睫。

(四)數學競賽入門推薦書

在學習數學時,一味迷戀初等數學的技巧,忽視高等數學的重要性,難以走遠且很難取得好的發展。很多競賽題都取材于高等數學,這里推薦幾本好書,多看書是有好處的。

對于奧數入門者來說,最先做的當然是補全課標大綱和競賽大綱之間的差距,《新編中學數學解題方法全書》《奧數教程》較適合,這兩本為經典奧數藍皮書。優點是與課本知識聯系緊密,以講解為主,以測試為輔,適合在第一遍學習高中數學知識的同時同步提高,打下堅實的基礎。

想要參加數學競賽并獲得提高,《奧賽小叢書》很適用,很多題非常精彩,難度涵蓋聯賽和冬令營。另一本《奧賽經典》內容比較全面,例題選取比較新,難度較高,適合著眼于聯賽二試和冬令營的同學,代數部分可以作為《奧賽小叢書》的補充。《命題人講座》適合系統學習,沖刺冬令營。但沒必要每本都做,挑其中較好的做便可。《數學競賽研究教程(套裝上下冊)》是參加數學競賽的教練員和選手的必備用書。國內數學競賽研究方面的權威參考書。

學習幾何的同學,可參考《初等數學復習及研究平面幾何》《初等數學復習及研究立體幾何》,是蕭振綱教授的幾何變換(哈工大版),有助于深化系統幾何基礎。學習組合的同學可參考單樽老師的《組合幾何》《趣味圖論》。

已進入數學競賽實戰的同學,可以參考《中等數學》,這本書是專業的競賽書籍,有各種講座和國內外試題詳細解析。《高中數學聯賽備考手冊》各省預賽試題集錦。《走向IMO》收集國內最高層次數學競賽試題和國外數學奧林匹克試題,難度非常大。歷屆CMO/IMO試題集,準備聯賽實戰的同學還有很多參考書,例如《奧數精講與測試》《備考手冊》《幾何瑰寶:平面幾何500名題暨1000條定理》和《世界著名平面幾何經典著作鉤沉》,等等。

再向大家推薦幾本數學競賽原著,讀原著有助于真正提高水平,是成為大師的必由之路,首先是《數學奧賽輔導叢書》(第一輯、第二輯),《數林外傳》是中科大出版的提高數學修養的好書。《數學小叢書》是華羅庚等數學大家編寫的,認真閱讀受益終生。數學分析習題集《吉米多維奇》《北大習題集》,數學基礎課有中科大常庚哲、史濟懷的《數學分析教程》,外文的推薦《圖靈數學系列》《數學名著譯叢》《華章數學譯叢》《法蘭西精品譯叢》。

(五)中外數學名家

提起數學家,大多數人會列出阿基米德、高斯、歐拉、艾薩克·牛頓(微積分和力學)和波恩哈德·黎曼,他們是自古以來最杰出的5位數學思想家。

曾有人說:“一輩子沒有學過數學,是一生的失敗,一輩子沒讀過拉馬努金公式,是全社會全人類的失敗”,拉馬努金是印度在過去一千年中所誕生的超級偉大的數學家。他的直覺的跳躍甚至令今天的數學家感到迷惑,在他死后70多年,他的論文中埋藏的秘密依然在不斷地被挖掘出來。他發現的定理被應用到他活著的時候很難想象到的領域。

我國當代著名的數學家有陳省身、華羅庚、陳景潤、丘成桐、吳文俊。陳省身是國際數學大師,“走進美妙的數學花園”的創始人,少年時代即顯露出非凡的數學才華,在整體微分幾何上貢獻卓越,影響了整個數學領域的發展。曾先后主持、創辦了三大數學研究所,造就了一批世界知名的數學家。

華羅庚是世界著名數學家,是中國解析數論、矩陣幾何學、典型群、自安函數論等多方面研究的創始人和開拓者,國際上以華氏命名的數學科研成果有多項,如“華氏定理”“華氏不等式”等。

陳景潤是中國著名數學家,1966年發表《表達偶數為一個素數及一個不超過兩個素數的乘積之和》(簡稱“1+2”),成為哥德巴赫猜想研究上的里程碑。而他所發表的成果也被稱之為陳氏定理獲得中國自然科學獎一等獎。1999年,中國發行紀念陳景潤的郵票。同年10月,紫金山天文臺將一顆行星命名為“陳景潤星”。

丘成桐是著名華裔數學家、哈佛大學終身教授、美國科學院院士、中國科學院外籍院士、俄羅斯科學院外籍院士、意大利科學院外籍院士、數學界最高榮譽菲爾茲獎得主、克拉福德獎得主、獲得有數學家終身成就獎之稱的沃爾夫數學獎。

吳文俊是中國著名的數學家,在拓撲學的示性類和示嵌類、數學機械化等領域中作出重要貢獻,后者得益于他對中國數學史的研究。這是近代數學史上的第一個中國原創的領域,被國際上稱為“吳方法”。


科普:數學家的電影故事

《美麗心靈》這部影片于2001年出品,數學家小約翰·福布斯·納什英俊而又十分古怪,少年時即對數學有了驚人的發現,開始享有國際聲譽。但他出眾的直覺受到了精神分裂癥的困擾,使他向學術最高層進軍的歷程受到挑戰。在妻子的幫助下,終于戰勝病魔,于1994年獲得諾貝爾獎。

《心靈捕手》是一部勵志劇情電影,講述的是一位麻省理工學院的數學教授,在公布欄寫下一道難題,希望他的學生能解開答案,可無人能解。一位年輕的清潔工威爾輕而易舉地解出了答案。威爾在數學方面雖然有著過人的天賦,但他卻是個問題少年,最終在心理學家的幫助下,終于打開心扉,找回了自我。

《費馬最后定理》費馬最后定理在長達三個多世紀的歷史長河中,令許多杰出的數學家絞盡腦汁而不得其解。最后,安德魯·懷爾斯幾十年如一日,執著地鉆研探求,終于證明出費馬最后定理。

《笛卡爾》講述的是一位名叫勒奈·笛卡爾的真實故事。他對現代數學的發展做出重要貢獻,因將幾何坐標體系公式化而被認為是解析幾何之父。他還是西方現代哲學思想的奠基人,是近代唯物論的開拓者,提出了“普遍懷疑”的主張。他的哲學思想深深影響了之后的幾代歐洲人,開拓了所謂“歐陸理性主義”哲學。

《牛頓探索》1643年1月4日,在英格蘭林肯郡小鎮沃爾索浦的一個農耕家庭,牛頓誕生了。牛頓是一個早產兒,出生時只有三磅重,接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為一位震古爍今的科學巨人。

《博士熱愛的算式》一次交通意外,令天才數學博士只剩下80分鐘的記憶,時間一到,所有記憶自動歸零,重新開始。遇上語塞的時候,他總會以數字代替語言,以獨特的風格和別人交流。他身上到處都是用夾子夾著的紙條,用來填補那只有80分鐘的記憶。這次,新來的管家杏子帶著10歲的兒子照顧博士的起居。博士十分喜愛杏子的兒子,并稱呼他作“根號”,因為根號能容納所有人和事,他讓母子倆認識數學算式內美麗且光輝的世界。因為只有短短80分鐘,3人相處的每一刻都顯得非常珍貴。

《阿基米德的秘密》古希臘物理學家、數學家、靜力學和流體靜力學的奠基人阿基米德,除了偉大的牛頓和偉大的愛因斯坦,再沒有一個人像阿基米德那樣為人類的進步做出過這樣大的貢獻。即使牛頓和愛因斯坦也都曾從他身上汲取過智慧和靈感。他是“理論天才與實驗天才合于一人的理想化身”,文藝復興時期的達·芬奇和伽利略等人都拿他來做自己的楷模。

《伽利略:為真理而戰》基于達娃·索貝爾的暢銷傳記《伽利略的女兒:科學、信仰和愛的歷史回憶》改編而成,展示了偉大科學家伽利略的人生軌跡和追求真理的道路。

《阿蘭·圖靈》阿蘭·圖靈這個名字無論是在計算機領域、數學領域、人工智能領域還是哲學、邏輯學等領域,都可謂“擲地有聲”。圖靈是計算機邏輯的奠基者,許多人工智能的重要方法也源自這位偉大的科學家。他在24歲時提出了圖靈機理論,31歲參與了二戰時英國破解德國通訊密碼計算機的研制,33歲時構思了仿真系統,35歲提出自動程序設計概念,38歲設計了“圖靈測試”,在后來還創造了一門新學科——非線性力學。人們仰望著這位偉大的英國科學家,把“計算機之父”“人工智能之父”“破譯之父”等頭銜都加冕在他身上,甚至認為,他在技術上的貢獻及對未來世界的影響幾乎可與牛頓、愛因斯坦等巨人比肩。

日本著名數學家米山國藏曾在《數學的精神、思想和方法》中寫到,數學有用,而且是一門偉大的學問!米山國藏認為,作為知識的數學出校門不到兩年可能就忘了,唯有深深銘記在頭腦中的數學的精神、數學的思想、研究的方法和著眼點等,這些隨時隨地發生作用,使人終身受益。

編輯:張佳琪

關鍵詞:數學 學習 競賽 張云勇 政協委員

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