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陈建功:二十世纪的数学教育
编者按
我们即将跨入二十一世纪,在未来的新世纪中我国的数学教育必将会呈现新的面貌。然而新面貌不会自然产生,它需要我们理性的思考和积极的实践。数学教育改革中,历史的经验值得注意,有识之士的意见是宝贵的。
陈建功先生(1893—1971)是我国现代数学家和数学教育家,中国科学院院士(原学部委员)。他的《二十世纪的数学教育》一文,发表于 1952 年 2 月的《中国数学杂志》(1953 年后该杂志改名为《数学通报》)第一卷第二期,当时正是新中国成立初期百废待兴的年代。在这篇文章中,作者怀着“切望我国的数学教育有更新的革新”的殷切心情,“以中等学校的数学为核心”,对二十世纪数学教育的原则,以及数学教学内容的改革等重要问题,提出颇有见地的意见。重读陈先生的《二十世纪的数学教育》一文,对于迎接二十一世纪的数学教育十分有益。
近日文章发出后,有读者提出缺少参考文献,希望重新完善本文,于是经过编辑校对,将参考文献补足重新排版如下。
来源 | 人民教育出版社
作者 | 陈建功
此地所说数学教育,以中等学校的数学为核心;关于高等学校方面的数学,和小学校的算术教育,不预备在此地有所详述。本文说数学教育,以二十世纪的数学教育为主,读了下文,自然明白。“他山之石,可以攻玉”,把外国的数学教育,罗罗嗦嗦说了许多的话。笔者切望着我国的数学教育有更一进步的革新。
支配数学教育的目标、材料和方法,有三大原则:
实用性的原则
数学在日常生活中已见其有其实用价值的;如土地改革运动中的分田量地问题,关于买卖、租税、保险、奖券的计算;酒瓶的容量,箱子的体积,都是数学的应用。不但如是,数学也是物质支配和社会组织之一武器,对于自然科学、产业技术、社会科学的理解、研究和进展,都是需要数学的。假如数学没有实用,它就不应该列入于教科之中。
论理的原则
然而仅仅乎实用原则,不足以支配整个的数学教育。数学具有特殊的方法和观念,组成有系统的体系。数学并不是公式的堆垒,其所用之方法,也具有教育上的价值。
断片的推理,不但见诸任何学科,也可从日常有条理的谈话得之。但是,推理之成为说理的体系者,限于数学一科。数学具有这样的教育价值,称之为论理的价值,是为说理的原则。假如把数学当做图形集成或公式采编看待,忽视其方法和构造,那未,对于自然支配、社会组织,不但不成为一种武器,有时且成为有害的东西──例如将数学机械的乱用,导出不合理的结果。忽视数学教育论理性的原则,无异于数学教育的自杀。
心理的原则
然则上述两原则足够决定数学教育的本质么?当然还不够条件。教材的内容,对于学生宜富于兴趣;枯燥无味的东西,决不能充作教材;于是乎有心理的原则。成人所喜之推理或实用问题,未必为未成年的青年所满足。法国数学家 H·庞加莱(Poincare)曾经说道:“有某教师在课室中,令学生们笔记‘圆周者,平面上于一定点等距离之点之轨迹也,’忠实的学生,记下来了;顽皮的学生,不但无兴趣去记,甚至写些别的不相干的东西。事实上,不论那一种学生,都尚未了解圆周为何物。后来,教师用粉笔作圆于黑板上,全班学生方才明白‘圆周原来是一个圆圈’。”科学家 A·爱因斯坦(Einstein)也说道:“学生仅管对于数学以外的事物,具有才能,对于数学可以朦昧无知。此种实情,其责任恐不能完全归之于学生,甚至可以完全可以归罪于教师。”吾人应该站在学生的立场;顺应学生的心理发展去教育学生,才能满足他们的真实感。某些教材,虽然具有高度的实用性价值或高度的论理性价值,假使学生不发生任何真实感,就心理的原则而言,这些教材,简值是没有教育的价值。
三原则之统一上述三原则应该综合统一而不应该对立。然则统一之关键何在? 是必须先就学生生活的环境中,使其易于接触易于理解且有实用价值的事物出发,以向论理的途径进行。所以心理性和实用性应该是论理性的向导,选择教材不应该先将实用性和论理性分别采取,然后合拢;这样勉强凑成的教材,是支离破裂的。把数学的观念和方法运用于实际应用问题时,理论上的疑问,自然油然而生;岂可以预先制成生硬的数学理论,强求适合于实用!
数学和其他的学科, 并没有什么大不相同的地方,因为他常常伴着生产力、技术发展开来的。对于古代数学的发生,恩格斯 (Engels) 曾经说过:“季节的知识老早对于农业种族或游牧民族,已经绝对需要。天文学没有数学的帮助,是无从发展起来的。所以在这‘古代 ',已经有了数学。农业发达到某阶段,因灌溉法之改进、都市之发达、航海的需要,力学跟着发生,力学没有数学的帮助,无由长足进展。”此不独在数学的诞生期为然,无论在什么时代,数学常常伴着自然科学技术、社会科学发展而发展。
数学教育家能(Nunn)说的:“数学的真理具有两面。其一面的数学真理,向时(间)空(间)的实在世界进展而与之接触。还有一面的数学真理,在数学的内部,相互对应,保持联系。数学史就是把这两面真理的不断的发展,叙述其经过情形。这两面的发展,并非互相独立,此未曾离彼,彼变未曾离此。今后的数学恐也是这样,两面不曾分道扬镳,各自存在。所以数学教育,应该使学生认清数学的发展,具有上述两重意义。数学是物质的征服和社会的组织之一武器,同时是一有秩序的论理体系。”
统一了上述三原则,以调和的精神,选择教材,决定教法,实践的过程,称之为数学教育。
01 二十世纪以前的数学教育
数学教育并不是一种幻想,乃是实践。数学教育是在经济的、社会的、政治的制约下的一种文化形式,自然具有历史性。就欧洲而言,其在奴隶社会制的古代希腊,支配阶级鄙视实践的计算术,和直觉的实践几何;重视他们所谓“和行动没有关系的真科学”──就是数论──和“抽象的”几何学,岂不是太偏重于论理性!在中世纪封建社会,教育为个人所支配,数学教育成为宗教的奴隶。事实上,此时数学教育,偏重于低级的实用性──与生产和科学脱离的宗教上的实用性。文艺复兴而后,工商业加速度的进展;生产力之发展,促成自然科学的发达,因此发生机械论的唯物论。所以十七、十八世纪的数学教育,自然强调实用性。经过法兰西大革命,巴黎成为欧洲文化的中心,因时代的要求,“一般陶冶”的话头,逐渐流行;中等教育不能专为牧师(神学)和律师(法学)的预备教育,重视所谓“一般陶冶”。其特色是将数学和近世语添入教科之中。
数学占了普遍教育的一科,是从十八世纪开始的,所以严格的说:数学教育萌芽于十八世纪。但是,数学教授的内容,大部分是“理论数学”;应用方面的数学,意识的为所排斥。究其实际,他的内容也是限于希腊时代至十七世纪间的数学;这个状态一直延长到十九世纪之末。十九世纪的数学,虽然非常进展,然而它并没有促成数学教育的改进,因此,十九世纪的数学教育,和近代的科学(十九世纪的科学),社会的生活,几乎没有关系。相反地,因入学考试的准则和其他种种考试的准则,数学难题的教授,和脱离实际的理论,成了数学教材的核心。事实上,当时所采用的几何学课本,就是欧几里得(1)几何原本最初数章;代数学和三角法,是将专门的材料,压缩而成的,太古太多,脱离实际需要。当时的物理化学等自然科学等教材,已能推陈出新;然而保守的数学,不改旧态。
到了十九世纪之末,近代科学的急速发达和各国产业的进展,经济的、社会的、思想的,给人们的生活状态以重大的变动。无产阶级的解放运动,从而开始了中等教育的内容,不能不有所更变。
02 数学教育改造的先声
保守的英国,她的几何学教本,一直沿用欧几里得的几何原本。教师们视“原本”如“圣书”,不硕苟且改变其一字一句;不但学生觉得干燥无味,教师也觉得痛苦非常;改良之声渐起,到了1870,组织了“几何学教授改良协会”(2),制定几何学要目。其结果,不过是一种微温的刷新;这也无怪其然,因为他们(协会会员)主张要不失原本精神和体裁,制定原本最初六卷的要目。他们最大的难题是“如何改造原本第五卷的比例论”──比例论是原本中最壮丽的部分。尼克宋的“改良欧几里得”(3)一书,在中国颇有流传,就是依“协会”的精神写成的几何学。
此协会到了1897 年,改名为“英国数学协会”,以 The Mathematical Gazette做他的机关杂志,登载关于教学教育的种种事情。
03 数学教育改造运动
彼利运动
数学教育改革的首创者,应该说是英国的J. 彼利(J.Perry 1850—1920)。彼利幼时做过学徒(1864—68),锻冶工场的工人(1868—70),苦学的当中,曾经旁听汤姆生的讲义(4)。彼利体验了劳动者的生活,努力于劳动者智识之增进;后来做了伦敦国际理学院力学及数学的教授,于 1901 年在英国科学协会,作启蒙的改造讲演。彼利主张的精神,是在数学的实践性,不光是说些教授的技巧。他对于数学的见解,并不是将抽象的数学理论,如何应用于自然现象或社会现象的说明;相反地,从自然现象或社会现象,由实践发见数学的法则,这是彼利所说的数学。上述彼利 1901 的讲演,在数学教育史中,是划时代的。其讲演纲要及其检讨,可以看彼利所著的书:
Discussion on the Teaching of Mathematics(Macmillan&co.1902).
彼利的意见,仍对于向来的难题“如何教授几何学?”集中,其要点如下:
(一)完全脱离欧几里得原本的形态,
(二)极度重视实验几何,
(三)强调几何的实用部分,
(四)注重立体几何,
(五)重视实用的种种测定,
(六)多用格子纸。
这次讲演的结果,自古认为经典的“原本”就因此废除。这时新型的教科书有
Godfrey and Siddons,Shorter Gaomestry(1912),
Godfrey andS iddons,Elementary Algebra(1912)。
彼利在总结小组讨论会的报告,指出了下列几点全体一致的意见:
(一)几何学的实验和实测应该是证明的前提,然而也可以稍稍利用演绎法完成其说明。
(二)可采用的实验法,应由教师自己决定,随机应变,
(三)小学在算术初步,就应该使用,
(四)式子的数字计算,应该熟练;因此可使学生明了种种记号的意义,
(五)指数法则一经教懂,应该马上授以对数和对数表的用法,
(六)教材的顺序和教法应由教师灵活运用,不可呆板。
法国的学制改革
彼利的改革运动,影响及于国际数学教育。但是,法国在彼利运动以前,代数与几何,已经有融合教授的倾向,所以受彼利运动的刺激,不太利害。不但如是,法国十九世纪出版的几何书,如A.M.Legendre 的 Elements de Geome'tric(其第十二版在 1923 发行),其内容已经和“原本”大不相同,又如鲁雪(5)和康勃露色(6)合著的初等几何学(7),一直到现在,还不失为一部很好的书。但是,法国数学教育,并非毫无问题;对于考试制度的预备教育,大有使中等教育专门化的倾向。彼利讲演的第二年──1902──法国政府将中等教育制度全部革新。数学教育因此大加改良,将日常生活有关系的部分增多,又将高深的部分平易化,重视直视的几何和函数的概念。巴黎大学的数学教授 E. 波雷尔(8),依照这个趣旨,编了一套出色的教科书;算术、代数、几何、三角,都在 1903 年出版。波雷尔报告法国中学生用了波雷尔的教科书,兴味大增,成绩极优。这一套教科书有德文和日文的译本。
德国的新主义数学运动
法国 1902 的学制改革和英国 1901 彼利时期的讲演,自然冲动了德国学界。德国的硕学──几何学大家──克莱茵(9)不以大学教员不与闻中等教育为然,曾于 1904 年在自然科学会议席上,作一次讲演表题“对于中学数学和中学物理的注意”。克莱茵又作成文科中学的教授要目,于 1904 至 1905 在哥廷根大学作长期的讲演,说明他的课程方案。这是德国新主义数学的原动力。德国中学教师,1905 年在梅兰(Meran)举行数学物理教授协会,作成教材要目大纲──梅兰要目。这个梅兰要目,就是以克莱茵的方案做骨子的,较诸说克莱茵原案,虽然稍为温和,然而比较过去的情形,已经出色,现在将其要点,写在下面:
(一)顺应学生心意自然的发达,排列教材,选取教材;
(二)融合数学诸分科,并且要使和其他科学有密切连系;
(三)不过于重视数学的“形式陶冶”,“应该置重心于应用方面”,养成“用数学的方法去观察自然现象和社会现象”的能力;
(四)要达到这个目的,必须以“函数观念”和“直观几何”做数学教授的骨子。
依据这个要目,就有人写成[新主义数学] 的教科书:
Behrendsen und Gotting, Lebuch der Mathematik nach Moderren Grundsatzen(Teubner,1908).
这部书(10)将平面几何学、代数学、三角法、立体几何学、微分和积分、解析几何学、近世几何学,融为一体,呵成一气,以供九年制中学之用。德国儿童,满九岁入中学,中学的种类有四,五;他的数学时数,大约每周自4 时到 6 时。
普鲁士政府指定五个中学实施梅兰要目,结果非常良好。
美国慕尔(11)的改造论
欧洲的数学教育改造运动,对于美国,没有受到强烈的刺激,其原因之一是:美国学校,老早不用欧几里得的原本,法国的几何教科书,着实通行。还有一个原因是:美国的考试制度,比较英国要宽松些,压迫不太历害,对于“考试”制度的斗争也不会激烈。但是,芝加哥大学教授慕尔,对于彼利的主张,不但拥护,并且指出美国的数学教育,大有缺点。1902 年慕尔在美国数学年会,发表他的会长讲演,题目是 [数学之基础],他的后半段是关于数学教育的;他说:
(一)代数、几何、物理,可否不使他们一一孤立,编成“有机的统一”呢?统一而后,才能使数学物理和日常生活有密切的关系;
(二)三角法、解析几何、微积分三分科,就其起源说,又就其发展的经路说,都是和具体的现象有密切关系;所以应该把这三科的基本事项组织起来,使他们有密切关系,不应该让他们各自分立门户的;
(三)关于数学物理的教学,都应该采用实验室的方法。
慕尔教授的讲演,对于美国数学教育,有极大的影响;依照(一)的精神著成的书
Breslich,First—year Mathematics
Breslich,Second—year Mathematics(1906)
Breslich,Third—year Mathematics,
商务印书馆老早有了译本,又 Rugg and Clark,Fundamentals of high—School Mathematics一书,系 1924 出版的,也是依照慕尔融合主义写成的。依(二)写成的书,也相当多,例如Young and Morgan,Elementary Mathematical Analysis(Macmillan,1917)。
总结改造运动
然则彼利,克莱茵,慕尔的数学教育改造运动的基本精神究在何处呢?基本精神是在教材教法的近代化、心理化;实行数学各科的有机统一;理论和实践的统一。结局在求数学教育基本三原则的彻底统一。详见下列诸著作:
J.Perry,Teaching of Mathematics;
Klein,Vortrageüber den mathematics chen Unterricht an denhoheren Schulen;
E. H,Moere,On the foundation of Mathematics,National Council of Teachers of Mathematics,the 4th year book.
彼利的改造论,并非狭义的卑俗的实用主义;此事已述于上文。慕尔也说:“数学教育的根本问题是如何融合理论(基本)数学和应用数学,但是不幸得很,在初等数学范围内,还保留着理论和应用的划界分疆”。改造论者主张自然科学和工程科学中所必需的“高等数学”,应该把他平易化,这似乎有点轻视数学的“形式主义”;然而这是似是而非的见解,因为数学的内容和形式,决不可以分解为二的。为什么呢?假如形式可以脱离内容而存在,这就是意味着数学是为形式而形式了。克来茵说得好;“现在吾人所宜努力的事,并不是追求两极端──形式主义和实利主义──取其一端而舍其他端,乃是融合两者成为一体”。
我们仅仅乎教授这些现实的生活上所要求的数学知识,这不能算尽了数学工作者的职,我们必须生动的指导学生,使学生们能够利用数学知识于现实问题。要使理论和实践,保持生动的关系,必须从现实自身,由实践学习得数学知识。彼利说:“教儿童推理一件事体以前,必先使他实行这件事体,儿童从测量、计算、实验,所得的结果,才能养成他的推动力。并且因此儿童沾沾自喜他的生动的创造”。这是彼利实用数学的本质。彼利著有“初等实用数学”一书:Elementary Practical Mathematics(1913),新宫恒次郎于 1929 年译成日文,小仓金之助做了一篇序文,序文的未尾说道:“美国的数学教科书,号称心理的、社会的、实用的、教授法的、最进步的,但是资本主义的和事务式的美国主义的反映,到处找得出。诸君若要一本具有无产阶级实践性的强有力的数学书,我就推荐这本书。这本书可能在某些意义上是未成品,但是它期待着有光辉的未来”。彼利强调“从前的数学教材的排列,‘学者’或许认为是论理的;但是对于儿童,这些东西,完全是非论理的;儿童所能接受的论理,必须通过实验、实测、图解……。”
分科主义和融合主义
从“线”方程,“平方”方程,“立方”方程,和 a 的平方,a 的立方这些用语来看,古时代数和几何未曾分离。事实上,欧几里得原本十三卷中,有三卷是算术;牛顿全集中的数学和物理融会贯通。后来许多学者,觉着数学诸分科,各有各的特殊方法,把各科纯论理的展开,颇有兴趣,方司岛说(12)把近世几何学从解析向何学分解出来,是其一例。数学不光是在学术上分了科,在数学教授上算术、代数学、几何学、三角法、解析几何学,各自陷于孤立的局面。然而在科学的研究当中,用数学做武器的时候,往往需要各科全般的知识,假如预先有了有机的统一,那就方便多了。综合的数学,不但可以避免重复,学习既省时间;并且可以使学生明白生动的数学体系。代数学中不用几何,几何学中不用代数、三角,如是严立门户,究有何益!然则统一各分科而成综合的数学,应该用什么东西做原则呢?改造论者,大都用函数的概念做统一的原则。克莱茵说:“在几何学形式的函数概念(31),是数学教育的魂魄。”又说:“以函数概念做中心,将它周围的一切数学教材,有计划的集中,就得着综合的数学。”现在把克莱茵自己作成的中学课程表的一部分,写在下面,下列三项,是德国儿童十三岁到十四岁(一年间)所应该学习的教材:
(一)直角坐标和简单函数的曲线表示──用格子纸;须注意此种曲线的全程,上坡下坡,围绕的面积等事;
(二)用函数概念做骨子,教授下列诸事项。──幂及根,一次及二次方程,圆锥曲线的初步,关于圆的计算,三角形的边角关系;
(三)多学实际之例,熟练空间的知识和数学计算。
下列三项,是中学最后一年的教材:
(一)解析的及综合的处理圆锥曲线,并且把他应用到天文学初步;
(二)中学数学全部教材的复习,用曲线或计算解决更难的实际问题;
(三)精细回顾数学全系统,并时时加以历史的说明。
国际数学教科调查会
数学教育,经彼利、克莱茵、慕尔的指导和进步的数学教师的努力,改造运动已成为国际问题。第四次举国际数学大会(14)于1908 年在罗马举行的时候,决定设置国际数学教科调查会,克莱茵等三人做常务理事,利用法国的 L'Enseignement Mathematique 做机关杂志。1912 年,国际数学会在英国剑桥大学举行第五次大会,有二十七国的代表,提出各地数学教育状况报告书一百五十种,大部分已印刷发行,成为数学教育史上莫大的文献。第五次会的会长是克莱茵,克莱茵的德国报告书 Abhandlungenüber den mathematischen Untersicht in Dentschland, 在 150 份 报告书中,最为详细。调查会的工作因战争而中止。150 份的报告书,不易卒读,叙述他的大纲的,有
Brown,Curricula in mathematics.A comparison of courses in the countries,etc.
Archilald,Training of teachers of mathematics for the secondary schools of conntries,etc.
各国数学教育的进展,因国情不同,色彩也不一致;然而改造的基调,可以说是各国完全相同。自然,改造的实际方案,不能如指导者彼利、克莱茵、慕尔所示,一一顺利进行。这是因为数学教育,以过去的“遗产”做基本;要脱离传统,成新鲜的组织,困难重重。比方说要把代数和几何融合,也不是容易的事。
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