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只为认真做自己

为什么没人喜欢学习高等数学?

为什么没人喜欢学习高等数学?一看到高数那些复杂的符号,直接就晕了……

这学期(本文发表于2011年/编辑注)我一直在教一门课,微积分 II。对象是非数学物理专业的大学生,大多数来自于 business / liberal art / economics 等专业。难度大致相当于国内的高数 B 或 C。所使用的教材是全美国都在广泛使用的 Stewart Calculus。

我目前所在的这所大学位于美国中部,这里毕业的学生一般都会进入白领阶层,但是很难有机会成为美国最出色的精英。也就是说,他们基本上是美国中产阶级的典型代表。

让我开宗明义地说:为什么说科学在美国衰败?从我的课堂就能看得出来。一个典型的未来美国中产阶级学生,在他的大学科学课程里基本上什么也学不到。等他成为社会的栋梁之后,如何可能了解科学和尊重科学?

这当然可能是一管窥豹,因为我毕竟没有旁听过别的科学门类的大学课程。但是连微积分这种所有理科学科都会赖以为基础的课程尚且如此,其余的情况似乎也可以想象。

为什么他们的微积分会学得这么糟糕呢?让我来举几个例子。

我接手这门课程之后的第一部分内容是积分技巧。大部分时间,学生们都在练习这样的题目:

计算下述不定积分:

然后是微分方程。在介绍完基本定义之后,学生们在考试里会遇到的是这样的题目:

试求解下列微分方程:

再然后是级数。虽然并不要求学生掌握 ε-δ 语言,但是他们要学习各种各样的判断级数是否收敛的定理。作业和考试都是这样的:

判断下列级数是否收敛:

我完全不能理解,一个非数学或物理专业的学生,怎么可能从这样的教育中获得一丝一毫的教益?他怎么可能不发自内心地痛恨这门课程,然后在考完试之后的一个小时之内把所有内容忘得精光?像三角代换这类积分技巧,不要说一个普通的心理学或者经济学专业的学生一辈子都用不到,就连我也一辈子都用不到。

就算在极其罕见的情形下需要求解这类问题,也完全可以求助于 wolframalpha.com 或者类似的工具。在我看来,在二十一世纪还要求一个普通学生手算积分,就像是要求一个汽车驾校学员一定要从骑马学起一样。

实事求是地说,Stewart 这本教材并不坏,也尽力囊括了一些关于数学在别的领域中的应用的内容和大量颇有趣味的阅读材料。但是问题在于,它仍然是一本基于数学家思维方式写出来的教材,亦即在每一个课题上从最基本的定义和定理开始堆砌,直到超出教材所可能涵盖的水平为止。

例如,为什么学生需要学习变量分离的常微分方程的解法?因为这是最容易解的(也是这个水平的学生所唯一可能学会解法的)常微分方程。也就是说,学生学习这类方程(并且要做大量练习)不是因为它对学生来说重要,而是因为它是在数学大厦里一个学生所能爬到的最高位置,如此而已。

可是一个学生为什么要去爬这座大厦呢?或者换句话说,数学家凭什么要求所有普通人,都按照数学家的方式来学数学呢?它除了把学生摔得鼻青脸肿之外,没有任何用处。每个学生都不得不学会七八种判别一个级数是否收敛的技巧,但是他甚至没有机会得到一个简单问题的答案:“我为什么要学习级数?”——对数学家来说这个问题没有意义,数学家反正总是需要级数的。

但是它对别人有意义。每次当我走进课堂,开始讨论第一类反常积分和第二类反常积分或者绝对收敛和相对收敛的区别,我都忍不住设想台下学生们的心情。他们会不会觉得我像是个傻瓜?反正我觉得自己很像。

我常常碰到有人认真地问:“数学到底有什么用处?”这问题其实一点都不难回答,我可以随口举出无数个例子来说明为什么社会的每个角落都须臾不可缺少最现代的数学工具,但是我明白为什么别人会问这个问题。因为对于他们来说,数学就是他们在大学里学过的这些习题。而这些习题对 99% 的大学生来说确实一点用都没有,甚至连“锻炼逻辑思维能力”这种最虚幻的用处也谈不上。

如果是我来编写大学数学教材,我会争取让每一个在大学里读过数学课的人都能回答这样的问题:为什么人们能精确预测几十年后的日食,却没法精确预测明天的天气;为什么人们可以通过 https 安全地浏览网页而不会被监听;为什么全球变暖的速度超过一个界限就变得不可逆了;为什么把文本文件压缩成 zip 体积会减少很多,而 mp3 文件压缩成 zip 大小却几乎不变;民生统计指标到底应该采用平均数还是中位数;当人们说两种乐器声音的音高相同而音色不同的时候到底是什么意思⋯⋯这不是什么“趣味数学”,这就是数学。基础、重要、深刻、美的数学。

在我的设想里,这才是大学基础数学教育所应该达成的任务。不是培养一个非数学专业的现代人在数学领域的专业素质(这是无论如何也不可能成功的),而是让一个人能够在非专业的前提下最大程度地掌握真正有用的现代数学知识,了解数学家们的工作怎样在各个层面上和社会产生互动,以及社会在这个领域的投资得到了怎样的回报。别的科学门类的基础教育也应当是这样。

更重要的是,任何一个接受过大学科学教育的人,无论他的职业是什么,他都应当能够明确理解下面这些事:为什么历史上一次又一次有过处于少数地位的业余科学家,在不被重视的情况下做出重大贡献的事例,今天的科学界仍然在整体上排斥业余研究者的参与,并且反对社会资源被用来鼓励业余研究;既然科学结论有可能并且也在事实上曾经反复被推翻,连牛顿力学都会被爱因斯坦相对论所取代而相对论也可以继续被修正,当代科学家做出的科学断言到底在什么意义上值得相信(或者是不是根本就不值得相信);科学问题是不是和政治问题一样,并不存在所谓正确的答案,而每种立场其实都有其存在的意义和价值;当一个科学上的专业问题同时又具有政治上的巨大影响力的时候(比如全球变暖、干细胞研究或者转基因作物推广),不具有专业背景的公众到底应该具有怎样的发言权。让每个现代人在大学教育中听到科学家对这些问题的回答,应当是大学科学教育不可回避的任务。

毫无疑问,现状并不是这样。

我并没有在中国大学里教数学基础课的经历,但是就我的了解而言,情况和美国差不多。我不止一次听到别人向我描述高数课给他们带来的痛苦,我能想象也能理解这种痛苦。这不是中国或者美国的问题,而是普遍存在于时代的问题。

在科学的威力史无前例地席卷全社会的今天,科学和社会的关系也史无前例地疏远。这实在是太危险了。(来源:科学松鼠会



 

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