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数学、教育与科技

发布时间:2021-07-19 09:10:16 浏览数:

【摘要】中法数学教育具有很多共性,也存在很多个性的地方,相互借鉴是必由之路.特别是新一轮以AI为代表的新技术革命的到来,数学的基础性、工具性作用日益凸显.通过教育学习数学,进而掌握数学,运用数学精确的定量描述和严密的逻辑推理,为科技奠定必要的基础,或者直接作为科技的工具,从幕后到台前直接为社会创造价值.法国把“抽象”的数学与AI两者紧密联系起来,而AI是继蒸汽机、计算机、互联网之后的又一次科技革命.这无疑为我们提了醒:数学大有用武之地.

【关键词】數学;教育;AI;中法数学教育

引子:不得不说的背景

2018年1月,法国总统马克龙访华.期间,法国著名数学家、2010年菲尔兹奖获得者、法国巴黎高师教授,亨利·庞加莱研究所所长维拉尼先生主持中法人工智能合作论坛.论坛讨论中法之间、科学和工业之间、数学和应用之间的多种可能联系.维拉尼先生邀请了在“抽象”层面进行人工智能研究的高层次数学家.论坛阐释数学对于人工智能发展的重要性,而非解释数学技巧.

中法数学教育具有很多共性,也存在很多个性的地方,相互借鉴是必由之路.特别是新一轮以AI为代表的新技术革命的到来,数学的基础性、工具性作用日益凸显.通过教育学习数学,进而掌握数学,运用数学精确的定量描述和严密的逻辑推理,为科技奠定必要的基础,或者直接作为科技的工具,从幕后到台前直接为社会创造价值.法国把“抽象”的数学与AI两者紧密联系起来,而AI是继蒸汽机、计算机、互联网之后的又一次科技革命.这无疑为我们提了醒:数学大有用武之地.1 我印象中的法国数学教育

2013-2017年,笔者有幸参加了两次中法中学生数学交流活动,这是中法两国政府间重要的人文交流项目.维拉尼先生作为首届中法中学生数学交流活动的法国形象大使,对活动给予了美好的祝福.两次活动期间我与法国同行进行交流和研讨,对法国数学教育有些点滴了解.

中国和法国都是数学大国、文化大国、科技大国,在历史上都创造了灿烂的文明和辉煌的文化.中国传统数学的实用算法特色与法国近现代数学的严谨相得益彰,赵爽、刘徽、祖冲之、秦九韶与笛卡儿、费马、韦达、伽罗华、帕斯卡、柯西、庞加莱等都是蜚声世界的数学大师.

中法数学教育交流源远流长,特别是近现代交往频繁.毋庸置疑,16-20世纪,法国是世界数学的中心,法国数学家及其成就奠定了众多现代数学的理论基础,使得现代数学的发展有了根深蒂固的基石,他们创立了很多数学分支科学;法国涌现了众多被认为是数学界诺贝尔奖——菲尔兹奖获得者;法国布尔巴基学派“结构”的观点及实践对现代数学产生了深远影响;我国著名数学大师陈省身、吴文俊早年在法国读书求学,他们为中国数学教育事业的发展做出了卓越贡献.

上个世纪50年代数学教育领域的“新数”运动,法国是为数不多成功的国家,成功的主要原因是法国具有扎实的数学基础、优秀的数学师资以及对数学科学的正确认识.

中法数学教育具有很多共性,如全国统一的教学大纲(课程标准)、高效的课堂教学、专业的师资、完善的教研(或督学)制度,这些是高质量数学教育的重要保障;由于国情不同、发展差异,也存在很多个性的地方,如我们的课程内容深、选拔性考试要求高、学生学习时间长、训练强度大,法国课程内容广、重视现代数学、强调精英教育等等.

1.1法国基础教育概况

法国的教育体制与我国相似.法国小学五年、初中四年;高中分为普通高中、技术高中和职业高中三类,其中普通高中和技术高中约占50%,职业高中约占50%;普通高中和技术高中学制3年,职业高中学制2-4年.普通高中和技术高中会考成绩合格者,可以申请进入普通大学学习;但要进入重点大学学习,需要上2年的大学预科班,然后申请;高一不分科,高二开始分为:文学、经济和社会、自然科学等三类.法国的数学教学大纲由法国国民教育部组织数学教师、数学家和数学教育工作者共同制定,教学大纲确定周课时、学年课时,教学大纲5-7年修订一次,出版单位根据教学大纲进行教材编写,教材由学校自主决定选用,无教材审查制度.

1.1.1访问Janson De Saily和Jacques Decour两所学校

2013年12月,我访问了巴黎的两所学校:Janson De Saily和Jacques Decour,两所学校都是规模很大的公立学校.现场观摩了五节数学课:十年级的二次函数的图象和性质,九年级的正整数指数幂和负整数指数幂、一元一次不等式的解法,初中的中文数学课(中文国际班),十二年级理科班(大学预科)的导数.每堂课的时间都是55分钟.观摩五节课后总的感受是:课堂教学氛围与我们类似,教室非常朴素;教师要求非常严格,教师板书过程规范;学生笔记清晰,作业书写规范,学生没有教辅资料;整体教学要求低于我们;注重知识内容的联系与综合;强调图形计算器等工具的使用.

1.1.2访问路易大帝高中

2017年1月,我访问了路易大帝高中和巴黎狄德罗大学(第七大学).就课堂教学、师资机制以及教学大纲制订、教材出版选用等情况进行了交流.

路易大帝高中和亨利四世高中是巴黎仅有的两所自主招生的高中,其他高中基本按学区就近入学.路易大帝高中是极其典型的精英学校,十二年级后70%的学生进入大学预科,整个法国平均是12%;进入大学预科是进入重点大学的必要条件,进入预科后通过多次考试有30%的学生进入重点大学,剩下的70%进入普通大学.十二年级后直接申请普通大学,不需要预科.

在路易大帝高中,我听了十二年级的一堂课.这个班里有36位学生,27位女生、9位男生.内容是关于无穷级数收敛的,我们高三年级没有这些内容,大学数学专业有,但也到了大一第二个学期.听完课后,我们与法国国民教育部数学总督学Erick Roser、学校校长、任课教师进行了交流.

●关于数学教学时间.7-11年级的学生每周4小时数学课,12年级8小时的数学课.

●法国的师资机制.要申请学校教师职位,首先参加国民教育部组织的资格考试,然后再填写个人经历、家庭状况、个人意向等信息;由国民教育部人力资源部门进行考察评分,确定录用情况,接受教师工会监督;学校校长无权直接选择录用教师.

学校教师主要按教育经历、资历分为11级,没有论文发表、课题研究等考核,主要是完成每周18小时的教学工作(数学).同一职级教师在法国全境薪水、待遇完全相同,没有任何差异.

教师业务提高完全是个人动力,没有各种教研、培训等事情.对老师的考核分两部分:学校的日常行为考核,当地学科督学的业务考核.业务考核教学能力和专业水平,有规范的报告体例,但没有详细的量化表格.学科督学是法国教育的一大特色,国民教育部大的学科督学很多,事情很多,权力很大,学科教师极其敬畏学科督学.学科督学类似国内的视导、教研,但比视导教研员厉害,因为他们是名符其实的判官,其职能更像是数学教育局长.

●精英教育和大众教育的关系.路易大帝高中是极其典型的精英学校.精英教育和大众教育不矛盾,相辅相成.教育公平、教育均衡不是取平均数.人人接受良好的教育,不同的人通过教育有不同的发展,才是公平、均衡的真谛.否则,数以亿计的高素质劳动者,千万计的专门人才,一大批拔尖创新人才何以落实?!

1.1.3访问巴黎狄德罗大学

巴黎狄德罗大学(又称第七大学),是一所理工、医学、人文、艺术门类齐全的非常著名的综合性大学.在狄德罗大学,我们访问了数学系及IREM的Prof Rene Cori和Prof Michele Artigue.一搭眼觉得面熟,肯定在数学教育类期刊见过.对方介绍时,Prof Michele Artigue是ICMI(国际数学教育委员会)执委,在2016年汉堡第14届国际数学教育大会上获得F·克莱茵奖,她长期从事数学教育研究,与我国北京师范大学、华东师范大学从事数学教育的很多同行都有联系和合作.

狄德罗大学数学系及IREM承担了国民教育部的很多项目,他们参与了法国数学教学大纲的制订,更重要的是他们组织实施师资培训工作.他们认为,师资培训极其重要,但实施很难.因为在法国,师资培训不是政府行为,不是强制的,完全是教师自愿.由于诸多因素的限制,教师参与度极其有限,尽管她们的IREM参与国民教育部的教师资格考试工作,以及自身具有教师资格认证职能.在法国,教师的录用宁缺毋滥,不达到标准不行.一旦录用了,教师就是公务员,工作很稳定,所以上升的动力不大.他们说,在法国最优秀的高中毕业生都去了商学院、医學院,录用的教师很少有一流大学毕业的.我们说,这可能是全球的通病.如何把最一流的大学毕业生吸引到学校,是各国政府需要做的大工程.他们引以为豪的是她们数学系及IREM的图书馆,里面有很多数学教材及数学教育类书籍.

1.2IHP(Institute Hei Poincare)和法国教授眼中的数学教学

在法国期间,我们的工作是在亨利·庞加莱研究所(Institute Hei Poincare)进行的.亨利·庞加莱是蜚声世界的数学家,被称为继高斯之后数学史上最后一位全才,这个研究所就是以他的名字命名的.

我们想当然地认为,IHP类似中科院数学所,国家层面的数学科研机构.经与对接方Martin教授交流,稍微了解了IHP的性质,但还有很多疑惑.Martin教授说法国高等教育体系极其复杂,很难说清楚.从Martin教授的谈话中,结合我们的理解,可能是这样:大学教授在大学主要是教学,在大学拿工资;做课题、项目要到大学外的研究所注册,注册的门坎不高,只要有博士学位、在大学从事教学即可;注册通过后,可到研究所从事相关研究,研究所提供办公场所、经费支持,但不拿工资;研究所公布相关研究课题和项目内容.这和国内体制极其不同,很难想象一个北师大的数学教授,教学之余能跑到中科院数学所再从事研究工作.

法国数学教授眼中的法国、中国数学教学情况是什么?对于这个问题,Martin教授的反应是法国的数学教育与自己的期望有差距.他说中国好,唯一的依据是中国学生的PISA和IMO出色的成绩.这种理由意料之中,情理之中.我说这只是一个窗口,看到的只是一部分,甚至一个点.不过,绝大多数人对外部世界的了解,何尝不如此啊?!看到的只是海平面上的冰山.

说到法国近现代数学及数学家,如笛卡儿、费马、韦达、伽罗华、帕斯卡、柯西、拉格朗日、拉普拉斯、庞加莱、勒让德、雅克比、泊松、傅里叶、嘉当等,Martin教授有强烈的民族自豪感.他说,一战前,毫无疑问,法国是世界数学的中心;一战后,成了德国.战争牺牲了很多有才华的年轻人,这是极大的损失.

2 数学、教育与科技

数学是研究数量关系和空间形式的科学.精确的定量描述,严密的逻辑推理是数学的两大特征.对现实世界中的对象用数、式、方程、函数以及图形(或图象)描述后,为了更好地认识这些对象,我们引进了运算,形成了运算律.我们需要根据法则和运算律进行运算,帮助学生理解算理,寻求合理简洁的运算途径解决问题.推理是数学的基本思维方式,也是人们学习和生活中经常使用的思维方式.逻辑推理是从已有的事实(包括定义、公理、定理等)和确定的规则(包括运算的定义、法则、顺序等)出发,按照逻辑推理的法则证明和计算.通过运算和推理,体会数学内在的逻辑力量,用主观认识客观,培养理性思维,认识数学的价值.定量描述和逻辑推理的前提是数学模型的建立.数学模型的建立是学生体会和理解数学与外部世界联系的基本途径.建立和求解模型的过程包括:从现实生活或具体情境中抽象出数学问题,用数学符号建立方程、不等式、函数表示数学问题中的数量关系和变化规律,求出结果并讨论结果的意义.这些内容的学习有助于学生初步形成模型思想,提高学习数学的兴趣和应用意识.

对比中法数学课程(16岁之前)的内容及要求,一个明显的感受是,中国的容量大、要求高,如绝对值的概念、一元二次方程的求根公式等.从教学和学习的时间看,中国远远长于法国;而且中国学生训练强度很大.从代数与几何的呈现来看,法国对数论的知识内容要求较高,对图形的推理论证要求较低.虽然中国学生在IMO和PISA中都取得了优异的成绩,但“分数高”是不是就等价于“优秀”,这是我们需要认真思考的问题.

从发展的角度看,我们强调大众教育,法国重视精英教育,12年级后法国的教育是典型的精英教育,上大学预科的学生学习的数学知识范围、容量和难度明显高于我国.之所以这样,原因是多方面的,诸如经济发展的程度、文化的差异、国家的传统等等,如果需要借鉴的话,不是简单的取舍,照搬,需要综合考虑.

虽然有差异,但是数学学科的育人价值是相同的,那就是通过概念、判断、推理等逻辑思考,以及比较、分析、综合、抽象和概括等认识方法,培养学生的理性思维.只有加强理性思维,才能更好地认识数学的科学、应用和文化价值;才能使学生在学习数学的基础上掌握数学.学习数学是现代社会每个公民的生存需要,而掌握数学则是每个公民科学素养的重要指标.

通过教育学习数学,进而掌握数学,运用数学精确的定量描述和严密的逻辑推理,为科技奠定必要的基础,或者直接作为科技的工具,从幕后到台前直接为社会创造价值.法国把“抽象”的数学与AI两者紧密联系起来,而AI是继蒸汽机、计算机、互联网之后的又一次科技革命.这无疑为我们提了醒:数学大有用武之地.

我们欣喜地看到,2018年1月颁布的《普通高中数学课程标准(2017年版)》设置了众多选修课程:为在数理类,经济、社会、部分理工類,人文类,体育、艺术类,拓展、生活、地方、大学先修类方面需要不同发展的学生提供政策保障.这些近现代数学内容是新技术,特别是AI发展的基础.无论是教育理念,还是课程内容设置,我们要努力赶上,在新一轮科技革命中占有一席之地.

后记

2018年2月,在维拉尼的积极推动下,法国国民教育部提出了改进数学教育的21条建议(附后见附件),建议加强法国学校中的数学教学.此举有助于弥补一方面数学天才辈出、另一方面普通民众素质平平之间的鸿沟.

法国一直是当之无愧的世界级数学大国,但在数学精英和普通民众之间,事实上存在着巨大的鸿沟.在法国生活过的人都不难发现一个怪异现象,即虽然数学天才辈出,但法国人的日常计算能力都不算太好,普通学生的数学能力也平平,和中国学生相比并无优势. 这种现象很大程度上归咎于师资力量薄弱,由于高智商的数学天才努力向上流动,进入科研、金融等领域,不愿做中小学教师,结果导致中小学大部分数学教师不得不降低标准录用,由此影响了基础阶段的数学教学.鉴于此,维拉尼接受国民教育部的委托,同法国国民教育部数学督学特雷西安(Charles Torossian)共同起草了这份报告,研究如何改善数学教学.

在这份报告中,两位作者对目前法国的数学教学极为不满,称之为“灾难性”的现状.维拉尼表示,经过调研,他发现情况比原先预想的更严重.

报告提醒说,在学生的整个求学生涯中,数学占有特殊重要的位置,对升学也有重要影响.而掌握好数学,对学生来说符号效应远远超过实际效用,它可以让学生进入标准更高、更苛刻的研究领域.但报告注意到,数学在教学体系中的支配性地位,导致无论是学生还是家长都对这门科目有种广泛的贬低心理,从七岁的孩子开始,大家就说“数学真无聊”.

这份报告罗列了21点建议,特别强调改善对数学教师的培训.其中包括从2018年开始,为各级学校的数学老师开设一个初始培训项目;并对初高中阶段的数学教师提供持续跟进的培训等等. 而针对学生的数学能力,报告提出希望在所有学校配备基本教学设施,由专人指导来辅助教学;通过增强重复性训练,让各个年龄段的学生培养出更娴熟的计算能力;针对高中生开发新的教学主题和方法,激发他们对数学的热情.这份报告特别把新加坡的数学教学作为值得学习的楷模,呼吁从学生的直观感受入手培养对数学的认识,并逐渐过渡到抽象思维.

法国21条重振法国基础教育数学教学水平的建议:

一、小学初级教育

1.对师范大学开设培养小学老师的专门课程.

2.在REP+(困难地区)小学1到3年级把数学作为重点学科.

3.在小学1到3年级对显性教育法的效果通过实验做出科学评论.

4.在学校安装教具.

二、数学:一种有效工具,娱乐方式,一个目标

5.从小通过计算、实验、口头描述,对现象抽象化培养孩子数学能力.

6.再次规划/平衡数学课,使其更有条理,注重学生笔记,重视数学证明,使用显性教育法.

7.开展校外组织与学校的交流.

8.加强数学与其他学科之间的交流.

9.给高中学生提供“补课书”.

10.在“学校项目”里强调数学和计算机学习的重要性.

三、数字与计算

11.从小学一年级练习四则运算.

12.提高心算能力.

13.分阶段提高计算能力.

四、师资培训

14.培养小学老师数学教学水平,在学区设置专人帮助有问题的老师.

15.在学校内部鼓励彼此帮助,互相听课.

16.在五个学校里实验性建立“数学实验室”,与大学建立合作关系.

五、规划与检查

17.把数学作为国家重点工程.

18.在教育部设立一个专职岗位,由数学家担任,确保21条建议的实施.

19.对师资力量做关于男女平等的培训.

20.由专家制定适用教科书名单.

21.逐步建立并统一教学资源.

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