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數(shù)學(xué)教育對(duì)于科技創(chuàng)新的重要推動(dòng)力研究
◎ 李莉 曾舒婷
科技迅猛發(fā)展是當(dāng)前時(shí)代的主流特征，越來越多的新技術(shù)和新科學(xué)如雨后春筍般涌現(xiàn)，在教育、生產(chǎn)、服務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在此背景下，科技創(chuàng)新成為引領(lǐng)現(xiàn)代化建設(shè)的重要?jiǎng)恿Α?shù)學(xué)作為最基礎(chǔ)的科學(xué)之一，影響著科技發(fā)展方向和效率，對(duì)于科技創(chuàng)新具有重要推動(dòng)作用，是實(shí)現(xiàn)科技進(jìn)步的必要環(huán)節(jié)。 數(shù)學(xué)能力——科學(xué)家的必備素養(yǎng) 培根曾說過，數(shù)學(xué)是打開科學(xué)大門的鑰匙?？v觀科學(xué)發(fā)展史，優(yōu)秀的科學(xué)家基本都接受過系統(tǒng)的數(shù)學(xué)教育，具有出色的數(shù)學(xué)能力，對(duì)數(shù)學(xué)頗有研究并在數(shù)學(xué)領(lǐng)域取得重大成就。分析這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，主要是由于數(shù)學(xué)教育在綜合素養(yǎng)和能力培養(yǎng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。數(shù)學(xué)是一門邏輯性、抽象性和客觀性極強(qiáng)的學(xué)科，其中包含的數(shù)學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)理論都是經(jīng)過嚴(yán)密分析和推理得出的成果，雖具有一定的學(xué)習(xí)難度，但卻具有顯著的學(xué)習(xí)價(jià)值。在進(jìn)行數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)習(xí)者能夠在數(shù)學(xué)解題和理論推理過程中鍛煉自己的大腦，提高數(shù)字計(jì)算能力和獨(dú)立思考能力，并在數(shù)學(xué)文化的熏陶和感染下逐漸養(yǎng)成富有邏輯的思辨方式和客觀看待事物的理性態(tài)度。科學(xué)是基于可檢驗(yàn)的解釋和對(duì)客觀事物的形式、組織等進(jìn)行預(yù)測(cè)的有序知識(shí)系統(tǒng)，科學(xué)家要對(duì)科學(xué)進(jìn)行深入研究需要具有較強(qiáng)的邏輯思維和理性精神，而這恰恰是數(shù)學(xué)教育所能夠培育的。 數(shù)學(xué)理論——科技革命的重要開端 對(duì)歷史上發(fā)生的科技革命進(jìn)行研究，理論先行是其基本特點(diǎn)，而數(shù)學(xué)理論是其中理論的重要組成部分。在第一次科技革命中，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)徹底改變了當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)格局，機(jī)器生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)被充分挖掘，逐漸替代部分人工生產(chǎn)，并有效提高了生產(chǎn)效率。蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)和制造離不開數(shù)學(xué)計(jì)算，微積分的出現(xiàn)解決了蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)中存在的不規(guī)則圖形體積的計(jì)算問題和運(yùn)動(dòng)情況分析問題，使蒸汽機(jī)生產(chǎn)制造難度大大降低。在第二次科技革命中，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為這次革命的主要產(chǎn)物，相對(duì)蒸汽機(jī)來說生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)方式更為環(huán)保，不僅象征著蒸汽時(shí)代到電氣時(shí)代的偉大跨越，而且推動(dòng)著科技朝著便捷化和綠色化方向發(fā)展。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的發(fā)明依靠電磁理論，而電磁理論的研究離不開數(shù)學(xué)分析和應(yīng)用，泊松、安培等物理學(xué)家用微積分奠定了電磁學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，詹姆斯·麥克斯韋在參考數(shù)學(xué)家提出的位能理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用偏微分方程這一數(shù)學(xué)工具預(yù)測(cè)了電磁波的存在，有力推動(dòng)了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的制造。在第三次科技革命中，電子計(jì)算機(jī)作為科技史上的偉大創(chuàng)新，將人類帶入信息時(shí)代，而其的發(fā)明和制造同樣依賴數(shù)學(xué)理論的支撐。例如，“計(jì)算機(jī)”這一概念最早由數(shù)學(xué)家巴貝奇提出，數(shù)學(xué)家馮·諾依曼的存儲(chǔ)程序和設(shè)計(jì)思想為計(jì)算機(jī)的發(fā)展指明了方向。 數(shù)學(xué)模型——科技應(yīng)用的有力工具 數(shù)學(xué)模型是運(yùn)用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)的科學(xué)或工程模型，原本是用來解決數(shù)學(xué)難題、證明數(shù)學(xué)理論的，但由于其本身所具有的應(yīng)用性廣泛、科學(xué)性顯著等優(yōu)勢(shì)，被逐漸應(yīng)用于科學(xué)研究，現(xiàn)已成為科技應(yīng)用的有力工具。例如，對(duì)于一些無法直接從實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)或者難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究，可以利用數(shù)學(xué)模型來收集數(shù)據(jù)和分析情況，如此既能有效減少實(shí)驗(yàn)成本，又不會(huì)降低實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。在當(dāng)前航空航天技術(shù)的創(chuàng)新化發(fā)展中，數(shù)學(xué)模型起到舉足輕重的作用，通過數(shù)學(xué)模型的虛擬仿真驗(yàn)證和回歸分析來進(jìn)行發(fā)射軌道的設(shè)計(jì)、多級(jí)火箭的構(gòu)建和火箭燃料的成本配比往往能起到事半功倍的效果。此外，通過數(shù)學(xué)模型將定量的信息數(shù)字化，再加以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)字運(yùn)算，科學(xué)家能夠有效預(yù)測(cè)未來科技的發(fā)展趨勢(shì)，為科技發(fā)展指引明確的方向，有效規(guī)避科技應(yīng)用面臨的未知風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。 數(shù)學(xué)教育——科技創(chuàng)新的推動(dòng)力量 結(jié)合上述內(nèi)容可知，數(shù)學(xué)和科技有著豐富的內(nèi)在聯(lián)系，數(shù)學(xué)是科技的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，科技是數(shù)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，數(shù)學(xué)的發(fā)展在一定程度上帶動(dòng)和引領(lǐng)著科技的進(jìn)步。要想使得科技創(chuàng)新始終保持充足的發(fā)展活力，必須重視和推動(dòng)數(shù)學(xué)的發(fā)展。而數(shù)學(xué)教育是培養(yǎng)高素質(zhì)數(shù)學(xué)人才的重要渠道，在數(shù)學(xué)人才的引領(lǐng)下，更多先進(jìn)的數(shù)學(xué)理論和數(shù)學(xué)思想將會(huì)被證明和發(fā)現(xiàn)，將有力推動(dòng)數(shù)學(xué)的高效化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)和科技的深度融合、協(xié)同發(fā)展，并為科技創(chuàng)新拓寬新的渠道、提供源源不斷的動(dòng)力。人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力量，加快發(fā)展新一代人工智能是我們贏得全球科技競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的重要戰(zhàn)略抓手，哪個(gè)國(guó)家的科技創(chuàng)新能力強(qiáng)，就能夠率先占據(jù)科技革命的高地，獲得豐富的發(fā)展機(jī)遇及廣闊的發(fā)展空間。由此，中國(guó)既要重視科技創(chuàng)新，又要重視數(shù)學(xué)教育，將數(shù)學(xué)教育作為科技創(chuàng)新的關(guān)鍵推動(dòng)力量，正視當(dāng)前所面臨的數(shù)學(xué)教育不夠深入、數(shù)學(xué)人才較為匱乏及數(shù)學(xué)實(shí)力相對(duì)不足等問題，加大數(shù)學(xué)教育資金和資源投入，完善數(shù)學(xué)教育體制機(jī)制，鍛造一批又一批專業(yè)化數(shù)學(xué)教育師資隊(duì)伍，應(yīng)用符合教育規(guī)律的數(shù)學(xué)教育方法，通過數(shù)學(xué)教育來培養(yǎng)出具備優(yōu)秀數(shù)學(xué)能力的科學(xué)家以壯大科技人才隊(duì)伍、創(chuàng)新數(shù)學(xué)理論以引領(lǐng)科技革命、改進(jìn)數(shù)學(xué)工具以強(qiáng)化科技應(yīng)用，由此實(shí)現(xiàn)從數(shù)學(xué)大國(guó)到數(shù)學(xué)強(qiáng)國(guó)的有效轉(zhuǎn)變，在此基礎(chǔ)上達(dá)成搶占科技創(chuàng)新先機(jī)、提高國(guó)家科技核心競(jìng)爭(zhēng)力的最終目標(biāo)。 ［作者李莉系惠州學(xué)院講師；作者曾舒婷系惠州學(xué)院本科生；本文系廣東省社科規(guī)劃2022年度常規(guī)項(xiàng)目（GD22CJY08）；廣東省2023年度教育科學(xué)規(guī)劃課題(高等教育專項(xiàng))（2023GXJK505）；惠州學(xué)院教研教改項(xiàng)目（X-JYJG2021046）；惠州學(xué)院一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（X-YLKC2021009）階段性研究成果］ |
