數學實驗和數學史在大學生科學素養培育中的作用

肖倩 張曉媛 張文良 唐杰

科學素養是指人們對科學知識、 科學研究過程和方法、科學技術對社會和個人所產生影響的了解程度，以及尊重科學、遵循客觀規律、弘揚科學精神的態度。公民的科學素養是決定一個國家綜合國力的主要因素之一，大學生是國家建設的中堅力量，其科學素養高低對我國的發展至關重要。大學數學具有高度抽象性和應用廣泛性的特點，它不僅是開發心智和學習各種專業知識的重要工具，也是進行科學研究的重要工具，可以培養和鍛煉大學生的邏輯思維能力、分析解決問題能力和科學表達能力等。通過教學實踐，我們認為數學實驗和數學史教學對培養大學生的科學素養有特別重要的作用。

一、大學數學實驗教學有助于強化對大學生的科學素養培養

數學實驗課是近年來大學數學教學改革中誕生的一門新興課程，開設的時間還不長，卻引起了老師和學生們廣泛的關注。它最早在上世紀80年代末期美國的一些大學出現，被叫做“數學實驗室”，重點是利用計算機的一系列實驗引導學生進入數學課程。 我國高校大約在上世紀90年代中期開始開設這門課程，目前大多數高校已經開設。

隨著計算機技術的飛速發展，數學對于當代科學甚至整個人類社會的深遠影響和推動作用日益顯著。數學已經成為各類科學研究的必要工具，數學方法、數學計算，已經和科學實驗一樣成為科學研究中不可缺少、行之有效的手段。現代數學已經滲透到了自然科學、經濟金融、電力工程、管理科學乃至人文社會科學所包括的所有學科和應用領域中，從宇宙飛船的研究到家用電器的制造、從國際金融市場到市場營銷管理，通過建立數學模型、應用數學的理論和研究方法，并結合計算機程序來解決實際問題，已經成為人們逐漸接受的模式。這種借助數學理論知識并應用計算機軟件程序來進行研究進而解決實際問題的模式，也說明了現實對科技人才的數學素質和數學能力已經提出了更高的要求。

然而，一直以來傳統數學課程的教學內容、教學方法和教學手段變化微乎其微，沒有體現出這門科學在科技領域和現實生活中所起到的重要作用，更沒有充分利用先進的計算機多媒體技術來改進教學過程。這就出現了中科院院士李大潛先生曾經指出的：“一方面數學很有用； 另一方面，學生學了數學以后卻不會用。”

首先，數學實驗這門課程改變了數學教學由教師單向傳輸知識的這一傳統模式，并且加強了學生在教學過程中的參與。一方面，學生的主觀能動性在做實驗的過程中得到了充分的體現和發揮；另一方面，有趣的實驗能夠調動學生學習數學的積極性， 引導他們主動地利用數學知識去解決相關的實際問題。在實驗過程中，不但可以培養學生們踏實、嚴謹的科學態度，學習科學研究的一般方法，還可以培養學生不畏艱難、勇于探索的科學精神，讓他們在和同學們的團結協作中，感受成功的快樂。因此，數學實驗有助于培養大學生的合作交流能力和創新意識。

其次，數學實驗能夠使學生切實經歷應用數學知識和數學方法解決相關實際問題的全過程。通過使用計算機，借助數學軟件進行模擬實驗，實驗的結果不僅僅是套用公式定理和親手計算的結論，還體現出學生對數學原理、數學方法、數學建模、計算機操作和軟件運用等多方面內容的掌握程度和應用能力。因此，數學實驗有助于提高大學生在實際工作中的綜合應用能力。

再次， 數學實驗必須借助計算機操作和數學軟件的使用，將先進的技術工具引入教學過程中，不僅起到輔助教學的作用，而且是解決實驗中問題的主要途徑。因此，數學實驗有助于培養大學生掌握先進的數學工具，能夠促進數學教學手段現代化。

二、數學史教學有助于培養大學生的科學意識和科學精神

大學生的科學意識和科學精神，是在對科學及科學發展過程了解的基礎上形成的。通過數學史的教學，可以使學生理解并掌握數學思維的方法和藝術。數學是通過嚴密的邏輯推理來證明對象內部的規律，用嚴謹的數學語言來準確對其進行描述的一門自然科學。數學的這一學科特點能使學生在學習過程中逐漸學會對抽象問題進行分析、概括、歸納、類比、總結的思維方法，并在這一過程中培養勤奮學習、刻苦鉆研、求實創新等嚴謹的科學態度和科學精神。

科學史中無數鮮活的事例雄辯地證明了這一點。 比如，海王星的發現。它是在某些已知的，但還不完全清楚的物理數據的基礎上，根據純數學的方法，經過演算猜想出來的，這是數學想像力理論飛躍的結果， 并且通過以后的實驗所證實。1781年，英國著名的天文學家赫歇耳，利用天文望遠鏡發現了天王星。19世紀， 人們在觀測時發現天王星的運行總是偏離預先計算好的軌道。這是為什么呢？數學家貝塞爾和一些天文學家大膽猜想， 在天王星的外側還存在一顆行星，由于這顆行星的吸引力，才影響了天王星的正常運行。1843年，英國劍橋大學22歲的學生亞當斯，利用各種數學工具，根據力學原理，通過10個月的細心推算，終于確定了這顆未知行星的具體位置。1846年， 法國巴黎天文臺青年數學家勒維列計算出了這顆新行星的運行軌道。于是他寫信給在柏林天文臺工作的擁有詳細星圖的加勒。加勒接到信，當天晚上就按照勒維列指定的位置觀察， 果然找到一顆以前從未見過的星。后來經過24小時的連續觀察，他發現這顆星在恒星之間移動著，的確是一顆行星。天文學家們經過一段時間的討論，公認它便是太陽系的第八大行星， 并根據希臘的神話故事，把它命名為海王星。這種例子在數學史中屢見不鮮。如愛因斯坦廣義相對論的建立， 實際上是在實驗驗證之前完成的，實驗結果證實與用數學方法預測的理論完全一致。再比如量子力學的產生，哈雷彗星、電磁波、正電子的發現，也都是先通過數學思維方法，邏輯推理得出結淪，然后才被實驗所證實的。可見，數學方法和推理對于科學現象和規律的發現起著至關重要的作用。類似的故事對于培養學生熱愛科學、崇尚科學的品質，對于學生科學價值觀的形成以及科學精神的培養起著不可低估的作用。

提升公民的科學素養不僅能夠促進我們國家的經濟發展，而且能夠培養公民樹立科學的價值觀和科學思維方法。所以，我們必須重視公民科學素養的培養，通過運用正確的教學方式使更多的大學生熱愛科學，崇尚科學，一個崇尚科學的民族才具有競爭力，才會充滿生機和活力。

作者簡介：肖倩（1984-），女，河北保定人，河北金融學院講師。