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数学技术、信息技术与数学课程整合

时间:2007-4-22栏目:数学论文

【摘要】数学技术是信息技术的技术支撑点,是信息技术发展的关键技术,信息技术为促进数学及数学技术的进步与发展提供了便利的平台。而在信息技术条件下,数学课程发生了一些实质性的变化,主要表现为数学课程理念、数学内容选取、数学教学与信息技术的整合。

  【关键词】数学技术;信息技术;数学课程

  一、数学技术——信息技术的技术支撑点

  技术就是运用知识、工具和技能解决、探索一些实际问题,用以扩展人的能力的手段与方法体系之和。技术是一个技术性过程,它是人们在做、制造和实施的不断演化过程中提高技术水平、发挥技术功效(美国2061计划);技术是人们认识世界和认识自我的一种体现,它是随着人类社会的进步而不断进步,是人类文明的基本象征,也是推动历史发展的一种动力源。从古代的钻木取火技术、近代的蒸汽机技术,到今天的信息社会中的信息技术,从扩充人的体力的技术到如今扩充人的脑力的技术,无不体现出技术的价值和它所承载的人类智慧。综观技术的发展,人类为了更好地生存与发展,创造了许许多多的技术,它们或多或少都与数学的发展有着不可分割的联系,可以说是相生相伴。人类最初掌握的比较完善的技术之一可以说是记数技术,从几万年前的刻痕记数(以树干、骨头为物质载体,把数刻在其上记事)、结绳记数(用草绳打结记事)、石子记数、手指记数,到近代用的纸笔记数、现代的计算机计数,这些记数方法的不断改进与演化已经形成了今天相当完善的记数制与计算技术。这些计算技术也就成为数学技术的主体,而承担其实施的载体就是电子计算机。现代计算机就是神奇的0与1的组合体。要是没有德国数学家莱布尼茨(1646~1716)发明的二进制,也就不可能有今天计算机的出现。正是由于数学以它惊人的特性与人类的发展息息相关,以独特的身份介入技术的发展并融入其中,而且以它的精确性和内在美体现出它在方方面面的有效性,那么数学也就理所当然地成为关键技术的关键,成为信息技术的支撑点。

  数学技术一般指实现数学运算、推理、应用的信息技术,它总是伴随着数学的进步而进步。数学的原理、思想、方法与技术结合而形成的数学技术本质上就是一种高科技。离开了数学技术,信息技术将成为无源之水,也就谈不上发展了。

  数学技术是数学与技术以灵巧方式组合而成的二者不可分割的和谐整体。从某种角度讲,数学上的每一次重大的发展和突破都是技术(当然包括科学)有大的发展与进步的前奏,而事实是数学的发展往往超前于重大技术的发现而走在前面。数学的追求与技术(科学)发展的目标是相一致的,都追求简单、清晰、方便、可操作、易于掌握。其实,现阶段数学总是任何计算机仿真的核心,数学通过对复杂现象的仿真建模,借助计算机对数据流进行缩成和可视化,将有助于人们把事情做得更好、更快、更安全、更便利。数学技术正在以不同的形态广泛地应用于现实生活世界的各个方面。检查身体的CT扫描技术,车辆、飞机的模拟、设计和控制技术,金融证券价值的估算技术,天气和气象的预测技术,电子设计自动化以及生物工程等技术,其核心都是数学技术。数学技术正是依附于计算机来显现它的威力,而计算机正是依靠数学技术得以工作与革新换代。

  “信息技术是指对信息进行采集、传输、存储、加工、交流、应用的手段和方法的体系。”信息技术按表现形态的不同分为硬技术与软技术,前者指各种信息设备,即一种物化形态的技术;后者指有关信息获取与处理的各种知识、方法与技能,即一种智能形态的技术。前者就是将人类的一切信息都以计算机语言的0或1的二进制来表达,这是人类文明在数学基础上的一次史无先例的科学整合,是影响人类生存和发展的巨大科学成就,而最具代表性的计算机的设计者就是20世纪最著名的数学家冯·诺依曼;后者所指的信息获取与处理的知识、方法、技能都是与数学技术密不可分的,从某种程度上看,就是数学化的过程。由此可见,数学技术是信息技术中最为关键的技术,是信息技术的技术支撑点。

  二、信息技术——数学及数学技术发展与应用的平台

  现代信息技术的发展、应用,把数学以技术化的方式快速地传送到人们日常生活的各个领域,使得数学对科学、技术、社会的发展起到了更加巨大的推动作用,同时也促使数学技术的不断发展。数学技术的发展使得图形计算器、数学软件的功能增长,用于计算、解方程、绘图像、解微积分方程、因式分解、数据统计、数值计算、符号演算、机器证明、图形演示以及进行思维实验都能以更加简洁快捷的方式进行,而且使得计算机的验证功能、编程功能、联网功能更加强大。由于数字化经济、数字信息处理以及大量的探索性数据分析、观察、实验、模拟与计算技术密不可分,因而数学就同时具有科学和技术的双重身份,这也就从某一侧面反映了数学的实质性内涵。由于计算机的发展,使人们可以解决非常复杂的非线性问题,已经超越了常规解决问题的方法,利用计算机的支撑能揭示本来数学的现象,能给数学以强大的推动力,计算机不仅为数学应用提供了解答,而且赋予人们以灵感和直觉,数学实验室软件能够动态地揭示知识的构造,并形象地对数学知识进行表述,而且能动态地呈现问题产生的过程,并自动解决,相互推理。计算机的应用对数学家而言犹如望远镜对于天文学家、显微镜对生物学家,给数学家进行数学研究和创造提供了锐利的武器。

  信息技术为数学的发展注入了活力,在计算机面前由于好多知识变成动态化,可以激发人们对数学的热爱,引发人们展开想像的翅膀不断思索与追求,使得数学以与以往不同的形态——可视化、快捷化、人文化而展现在人们面前。由于计算机的影响,数学正在加速改变着它的内容、结构和方法,也加速改变着人们对数学的理解方法,这是因为几何现象的实验成为可能,从数学上看,迄今为止代数的表现形式在书写表示方面有非常有利的一面,几何不是记号,而仅仅是你头脑中的某个几何对象——图形,表现的是更为抽象和复杂的数学概念,借助计算机就可以传送出比现在更多、更丰富的几何内容,如可以展现一些分形模型、一些动态的复杂曲线等。用计算机进行科学计算是计算机最为基本的功能,它可以在很短的时间内收集和处理大量的数据,作出判断,形成公式,构建理论;计算机可用于作数学实验,如火箭发射、核弹爆炸、军事演示、飞机汽车桥梁设计等都是借助计算机进行实验的;计算机同时还可以进行数学证明,如四色定理在1976年被两位美国数学家用计算机予以证明,我国数学家吴文俊也在计算机上用代数方法证明了欧氏几何已知的一切定理。

  数学是一个非常美的领域,这是因为数学的主要部分是由人类的心灵构成的。你可以自由探索自己心目中的数学世界,正是这种自由探索才是数学美的力量所在。计算机技术为数学这种美的展现提供了一个丰富的平台,给人们以丰富的探索与实验空间。数学是对现实世界的一种思考、描述、刻画、解释、理解,其目的是发现现实世界中所蕴藏的一些数与形的规律,为社会的进步与人类的发展服务。正是有了信息技术,加快了人类认识自然与人类自身的速度与质量,基因工程就是一个典型的例题。在信息技术条件下,许多新的数学思想与方法不断突破,数学结构与内容的不断丰富,一些新的学科——近代数学技术、运筹优化、工程自控、信息论、数理统计、计算机科学、模糊识别等也就应运而生。计算机与数学的结合,使得数学开拓了研究领域,成为数学探索的新平台。

  数学家们总是用他们的思想眼光来审视出现于数学研究所有领域中的抽象的目标与过程。计算机技术的巨大进步已经使得把这些模糊、主观和只能在头脑中想像的抽象的对象、目标、过程外在化而变得很容易,也就是用精确、客观和其他人可以共享的可视化来表现、演示,从而使思维及过程视觉化。数学对象可以用计算机来表示、展现,从而使人们对数学对象产生新的认识,由静到动、构形、成形,进而进行操作、实验,特别是几何对象——曲线、曲面、多面体,而成为任何计算机仿真的核心。在计算机环境下,人们更多的是用渐近方法、数值方法去探究数学规律,进行建模和科学计算。如利用计算机可以对进行小数点几十亿位以后的计算,用来检验人类的智慧水平。同样好多在数学领域无法实现的一些设想在计算机环境下正在不断实现,如几千年来人们梦想的数学定理的机器证明的实现就是一个极具代表性的例证。由于计算机的介入使得数学的应用与普及不断深入,已逐渐渗透到各个学科,取得了惊人的成绩,数学价值与功能的不断挖掘促使人们对数学的认识更加全面深刻。

  三、信息技术——教学课程整台的助推器

  随着21世纪的到来,以计算机和互联网为代表的当代信息技术,正在以惊人的速度改变着人们的生存方式和学习方式,也迫切需要我们改变教育方式。为了迎接信息技术的挑战,为了中华民族的复兴,为了每位学生的发展,新一轮基础教育课程改革正在全面展开。正是由于数学、数学教育与信息技术有着天然的不可分割的依存关系,那么在当前基础教育课程改革的新形势下,数学课程的改革就显得意义更加深远和重大。

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