前瞻我國中小學數學教育之課程發展‧資料組轉載
                                     

數學正進退兩難

鄂維南

原載於北京新浪網 (2006/06/21 08:24)【來稿】張國

6月12日晚,在天津南開大學省身樓的一場演講中, 面對來自中國、美國、義大利、日本等國家和地區的數學家、物理學家、 生物學家和工程專家們, 現執教於美國普林斯頓大學數學系、應用數學及計算數學研究所的數學家鄂維南教授用 dilemma (意為“進退兩難的局面”) 一詞來形容數學走到今天所面臨的困境。 被譽為『科學的語言』的數學, 一方面在現代科學研究及整個社會中發揮的作用越來越大; 另一方面,在很多活躍的領域,數學家卻沒有參與進去。

這位兼任北京大學長江學者講座教授的應用數學家不無憂慮地指出: 如果放任這種趨勢蔓延,那麼數學和應用數學將遭遇邊緣化!

「我們必須超越數學的傳統邊界來觀察問題,數學正面臨前所未有的機遇和挑戰, 教育改革是解決問題的根本出路。 整個應用數學界,無論美國還是歐洲都面臨同樣的問題: 課堂上傳授的與研究中需要的二者之間存在脫節。 譬如我們的研究中經常用到隨機工具, 但很少有應用數學家有良好的隨機分析方面的訓練。 我們經常需要微觀物理學的概念和思想, 但很少有應用數學家有這方面的良好背景,比如統計力學和量子力學的背景。 誰把這些問題優先解決了,就會走到前面去。這是非常迫切的事情。」

鄂維南此次是前來參加在天津南開大學陳省身數學研究所舉行的 【2006年應用數學與多學科研究國際會議】的, 在南大的學術演講,照他的話說:「是讓更多的人了解數學,了解計算數學。」 在接受記者釆訪時,鄂維南坦率表達了自己的初衷。

他認為:計算機的發展給數學帶來了前所未有的機會。計算機改變了人類的生活方式、 思考方式和研究方式,極大提高了人們的計算能力、搜集和分析海量數據的能力、 獲取信息的能力。今天的數學和其他科學、工程和技術之間的聯系比以前更加緊密。 很多科學前沿問題遇到的主要瓶頸是數學問題。 但數學的角色不僅僅是一個 『助手』,而是『坐到駕駛座上的駕駛員』。

「想像一下,如果牛頓當時有我們現在的計算能力,會省出多少時間?」 鄂維南舉例說,在微積分發明之前,計算體積是一件很困難的事情, 數學家在算體積時就像打擂台一樣。但微積分出現後, 特別是有了計算機以後,體積的計算變得很普通,人們可以算出高維的積分。 計算建模正成為許多學科的通行工具,而計算機只能讀懂數學模型, 因此『數學化』已經成為研究中一個重要的步驟。

他說:「計算能力的提高使人們對問題的看法不一樣了, 可以省出更多時間思考更深刻的問題。」 同時,計算機的發展使得計算物理、計算化學、流體力學等方興未艾, 不同學科之間的邊界在無形中變得更模糊。 「流體力學的基本方程早在19世紀就被寫出來了, 但因為其數學上的複雜性,很長時間裡工程師並不直接使用它。 有了計算流體力學以後,這種情況得到了徹底的改變。 在化學領域,想知道分子的結構就要解一個複雜的方程, 這在以前是無法想像的,計算使得理論化學成為一個更為強大的學科。 同樣,計算物理現在也已成為物理比較主要的分支。」

「在我們擁有強大的計算能力之前,第一要務就是簡化, 很多事情依賴直觀或經驗,對一些本質問題只能含混過去。 而現在,有了計算這個工具後,我們就可以直接處理許多本質問題。」

但鄂維南也指出,並非有了計算機一切問題都能迎刃而解。 「做好的科學,第一要知道什麼樣的問題是好的問題, 第二才是設計算法,第三是有了計算結果後,怎麼理解計算結果。 物理學家愛說的一句話是:『也許你的計算機理解了這個問題,但你並沒有理解。』」

「我想強調的是,計算機的發展給數學也帶來了前所未有的挑戰。」他說。

這一挑戰在於,數學正在變得更加『廣泛』, 計算物理、計算化學、計算生物與計算數學在原則上是一致的。 『我們數學家通常覺得別人做事不嚴格,我們做得更嚴格,更系統。 但從應用的角度,人家可以說,即使不夠嚴格也造起了橋梁, 建起了大樓,數學家雖然嚴格,但扮演的是填填補補的角色。 數學是滿足於這樣的角色,還是走到前沿去?這是一個嚴重的問題。』

1998年,諾貝爾化學獎頒給了從事計算化學工作的科恩 (Walter Kohn) 和波普 (John Pople)。鄂維南認為,他們所解決的, 很大程度上是一個計算數學的問題。 再如對互聯網 (internet) 穩定性和安全可靠性問題的研究, 幾乎被物理學家和計算機學家瓜分,鮮見數學家的身影。 這些被公認為非常成功的領域,卻沒有數學家的參與。 其結果是:科學本身的發展速度受到影響,數學也錯失機遇,失去了很多資源。

究其原因,鄂維南分析,首先是因為計算數學和應用數學經過 50 年的發展, 已經像純數學一樣,成為一個自身很成熟的學科,跟其他學科的聯系越來越少; 而更大的癥結則在於教育,教育體系和科研體系的脫節。 應該鼓勵應用數學與多學科研究國際會議這樣的方式, 鼓勵不同學科的交流,在教育改革上多下功夫更是刻不容緩。

「我們的教育體制已經變成了孤立的體制,中外都是如此。 培養的學生知識面很窄,對其他學科沒有了解。」 鄂維南說:「一名學生如果能考上南開大學或者北京大學數學系, 不僅數學成績好,物理、化學都要好,否則總分不夠。 可是進了數學系後,一學期下來,大部分學生卻形成了物理不重要, 只有數學重要的狹隘觀念。 在其他專業也存在這樣太專業化的問題。 這種觀念,給跨領域造成了非常大的危害。」

「生物化學、物理化學等跨領域早就出現了, 為什麼最近幾年『跨領域』這個詞匯變得熱門? 很重要的原因是:各學科本身已經相對比較成熟。 當前面臨的主要問題是:教育體系和研究體系不協調。 在以前,數學系的老師教數學,研究的也是數學; 物理系的老師教物理,研究的也是物理。 而現在,我們研究的是交叉學科,卻仍按照從前的體系培養學生。 普林斯頓大學正在推行一個項目, 用以鼓勵生物專業的學生打下很強的數學和物理基礎,這是他們的基本出發點。」

對於大學數學專業課程設置, 鄂維南認為:「數學教育需要同時教授數學思維和數學技術, 現在忽略了數學思維方面的訓練。應用數學的學生大都沒有學好純數學。 以前做計算數學的人,跟純數學接觸最多的是偏微分方程, 這是靠得最近的領域。現在不一樣, 學生必須得懂數學物理、機率論、隨機過程、動力系統… 更重要的是要學會數學的思維方式。」

「數學不僅僅是幾何、分析、代數、拓樸等一堆學科的拼湊, 更重要的是它的思維方式。這種思維方式體現在兩個方面: 一是具體和抽象之間的密切聯繫,二是直觀和精確之間的密切聯繫。」

「現有的應用數學課程必須簡化。特別是計算數學的課程,太繁瑣。」 鄂維南說,「我看了都頭疼。計算數學專業的學生本科期間花兩年的時間學數值分析、 優化、有限元等,讀研究生後再學,還是沒有學好。」 他曾在學生中做過測試,有的人回答不出簡單的問題, 「原因就是學得太『細』了」。

鄂維南為應用數學本科生列出的必修課程, 包括計算物理、生物數學、數值方法、非線性動力學、應用隨機分析等, 並特別強調了物理的重要性:「就算為了到華爾街掙錢,也應該學物理, 因為物理也是一種思維。」他相信:「經過這樣的教學改革, 數學本身的價值和完整性不但不會喪失,反而會幫助把其他學科統一起來。」

「數學是科學的語言。」這是讓數學家們深感自豪并津津樂道的一句名言, 大家由此認為無需為數學擔心。鄂維南借用 2006 年度阿貝爾獎得主、 瑞典數學家卡勒森 (Lennart Carleson) 的一段話警示道: 「拉丁文是歐洲許多語言的基礎,可是現在還有幾個人學拉丁文? 希望數學不要落到同樣的地步。」

鄂維南,43歲,現為普林斯頓大學終身教授, 1996 年獲美國青年科學家和工程師總統獎, 1999 年獲馮康科學計算獎, 2003 年獲第五屆國際工業與應用數學家大會科拉茲獎 (Collatz Prize)。

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Created: Jun 27, 2006 (單維彰改寫了幾個字)
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