有網(wǎng)友認為考試教育存在很多問題,降低考試難度、打擊奧數(shù)是好的。誠然我也認為國內(nèi)目前的奧數(shù)存在很大問題,但目前的降低難度方法(減少難題、靈活題)是不可取的:首先,會導致缺乏理科學習能力的學生誤認為自己很擅長理科;其次,會導致拔尖學生無法冒尖,這種情況下競爭變成1分都不能多扣,迫使大家進一步加強機械化訓練(理解再深刻,練習少了,計算錯一個可能前5名高中都上不了的話,那只能瘋狂練習了);最后,反而有利于不理解定義定理、只機械背誦典型題型的教學方法。
還是要學習歐洲的做法,事實上二戰(zhàn)后,現(xiàn)代科學大師越來越少,剛好就是因為二戰(zhàn),美式教育、美式科研體制替代歐式教育、歐式科研體制占據(jù)主導地位之后出現(xiàn)的。當然,不可否認我們培養(yǎng)工程師有自己的優(yōu)勢,怎樣做到科學家和工程師的培養(yǎng)體系共存是最大的問題。
比如俄羅斯一本中學代數(shù)教材,是根據(jù)莫斯科大學附屬柯爾莫哥洛夫中學的課堂錄音編撰而成的,適用于俄羅斯第10-11年級的數(shù)理中學代數(shù)課程。作者是莫斯科大學數(shù)學力學學院離散數(shù)學系正教授、柯爾莫哥洛夫中學兼職教授加什科夫。
因為不懂俄語,只能根據(jù)軟件+看數(shù)學符號,大致翻譯一下它的目錄:
第一章:數(shù)與組合數(shù)學
1.1)進位制;1.2)整數(shù);1.3)歐幾里得算法與連分數(shù);1.4)斐波那契數(shù)列;1.5)二次方程;1.6)映射的組合;1.7)多項式定理;1.8)組合與分劃;1.9)排列與置換;1.10)置換與對換;
第二章:數(shù)與群
2.1)置換群;2.2)群與子群;2.3)循環(huán)群;2.4)拉格朗日定理;2.5)剩余類的環(huán)與域;2.6)直積;2.7)有限域;2.8)原根;2.9)代數(shù)與密碼學
第三章:多項式
3.1)多項式環(huán);3.2)歐幾里得算法與貝祖定理;3.3)插值;3.4)差分與重根;3.5)秦九韶算法;3.6)差分加法鏈;3.7)多項式根的近似算法;3.8)分解;3.9)逆多項式;3.10)對稱多項式;3.11)多項式快速乘法;3.12)無平方分解
第四章:代數(shù)方程
4.1)解三次方程;4.2)無法化簡的情況;4.3)復數(shù);4.4)用計算器;4.5)復數(shù)根;4.6)復數(shù)域上的三次方程;4.7)四次方程;4.8)用拉格朗日方法求三次方程;4.9)用拉格朗日方法解四次方程;4.10)用歐拉方法解四次方程;4.11)代數(shù)學主定理;4.12)方程解法;4.13)方程組;4.14)為什么解方程可以這么難?;4.15)代數(shù)與幾何;4.16)復數(shù)與三角;4.17)三角多項式;4.18)域擴張;4.19)尺規(guī)問題;4.20)阿貝爾-魯菲尼定理
可以看出,內(nèi)容確實是初等數(shù)學,也兼顧了一些競賽的知識點,但絕不止于此,而是真正全面夯實基礎的深度。比如進位制這樣的基礎知識,都進行了深入探討:10進制、2進制、3進制,分別有什么優(yōu)勢?全部進行了探討,并且融入了抽象代數(shù)的思想。同一所中學的分析講義網(wǎng)絡上也找到了,用公理法嚴格定義了實數(shù)。
當然,這是一所在俄羅斯上游的中學,10-11年級的講義。普通的教材,內(nèi)容確實看起來似乎少一些,排版上是彩色排印而不是這種學術性LaTeX排印,但實際上和我們比起來,同樣不逞多讓,比如這本11年級《代數(shù)與分析初步》教材的第一頁,我就看到了幾乎和大學數(shù)學教材一樣嚴謹語言描述的極限定義,用的是ε-δ語言。而中國諸多大學生還在抱怨ε-δ語言很難懂。區(qū)別在于這些普通中學數(shù)學教材在實數(shù)上似乎沒看到嚴格的定義,留待大學了。
高中有堅實的基礎,大學的教學就完全不一樣了。
比如這是南京大學的《數(shù)學分析》講義,竟然把實數(shù)系的構造列為“附錄”并建議學生第一次閱讀時跳過:
絕不是南京大學的老師不好,事實上南京大學這一版教材在全世界范圍內(nèi)也算是優(yōu)秀的,在分析和線性代數(shù)的結合上做的不錯,為了知識點的引入也絕對是煞費苦心,頗具功夫的。但是實數(shù)構造可以說是邁入大學數(shù)學、接受和理解嚴謹數(shù)學思維的第一步,我想南大老師這么做可能也是基于自己的教學經(jīng)驗,學生這一塊接受起來比較難吧。但南大的生源,在全國已經(jīng)數(shù)一數(shù)二了??拼?,生源同樣數(shù)一數(shù)二,新出的少年班教材也把實數(shù)理論放到了第三學期。
在網(wǎng)絡上了解到的俄羅斯學生普遍用的教材仍然是卓里奇。這本國內(nèi)國科大好像就在用,清華也有一些老師用。歐洲近年來很有名的另一本教材是阿莫恩、埃舍爾寫的德語教材。我在網(wǎng)上看到一個俄羅斯程序員(信息專業(yè),不是數(shù)學專業(yè)的)推薦數(shù)學書,就把卓里奇列為基礎分析推薦教材之一,把阿莫恩列為進階教材。在中國,一般認為卓里奇是講法很現(xiàn)代的入門教材,但實際上在他們看來,卓里奇已經(jīng)是屬于傳統(tǒng)教材了,阿莫恩是現(xiàn)代講法的教材。阿莫恩是三卷本,適合大一上、大一下、大二上三學期講授,有英文譯本,看看它的目錄:
第一章:基礎知識
1)數(shù)理邏輯基礎;2)集合;3)函數(shù);4)關系與運算;5)自然數(shù);6)可數(shù);7)群與同態(tài);8)環(huán)、域與多項式;9)有理數(shù);10)實數(shù);11)復數(shù);12)向量空間、仿射空間與代數(shù)
第二章:收斂
1)數(shù)列收斂;2)實、復數(shù)列;3)賦范向量空間;4)單調(diào)數(shù)列;5)無窮極限;6)完備性;7)級數(shù);8)絕對收斂;9)冪級數(shù)
第三章:連續(xù)函數(shù)
1)連續(xù);2)拓撲學初步;3)緊性;4)連通性;5)實數(shù)域上的函數(shù);6)指數(shù)及相關函數(shù)
第四章:一元函數(shù)微分學
1)可微性;2)中值定理及其應用;3)泰勒定理;4)迭代法
第五章:函數(shù)項級數(shù)
1)一致連續(xù);2)連續(xù)性與可微性;3)解析函數(shù);4)多項式近似
第六章:一元函數(shù)積分學:這里開始是大一下學期教學內(nèi)容
1)跳躍連續(xù)函數(shù);2)連續(xù)性的擴展;3)柯西-黎曼積分;4)積分的性質(zhì);5)積分的方法;6)和與積分;7)傅里葉級數(shù);8)瑕積分;9)γ函數(shù);
第七章:多元函數(shù)微分學
1)連續(xù)線性映射;2)可微性;3)多元微分法則;4)多線性映射;5)高階微分;6)Nemytskii算子與變分法;7)逆映射;8)隱函數(shù);9)微分流形;10)切線與發(fā)現(xiàn)
第八章:曲線積分
1)曲線及其長度;2)R^n空間中的曲線;3)Pfaff形式;4)曲線積分;5)全純函數(shù);6)亞純函數(shù)
第九章:測度論初步:這里開始是大二上學期的教學內(nèi)容
1)可測空間;2)測度;3)外測度;4)可測集;5)勒貝格測度
第十章:積分理論
1)可測函數(shù);2)積分函數(shù);3)收斂定理;4)勒貝格空間;5)n維勒貝格積分;6)富比尼定理;7)卷積;8)替換法則;9)傅里葉變換
第十一章:流形與微分形式
1)子流形;2)多線性代數(shù);3)微分形式局部理論;4)向量域與微分形式;5)黎曼度量;6)向量分析
第十二章:流形上的積分
1)體積度量;2)微分形式上的積分;3)斯托克斯定理
代數(shù)方面,三本經(jīng)典教材:柯斯特利金、溫伯格、格洛登采夫,按照出版順序是柯斯特利金最早、溫伯格是世紀之交的,而格洛登采夫是最新的。俄羅斯大學一年級、二年級代數(shù)普遍用的是這三本教材,當然一般還是最傳統(tǒng)的柯斯特利金做主教材,另外兩本是擴展教材,對尖子生講授。但也有高經(jīng)是格洛登采夫做主教材的。其中柯斯特利金在國內(nèi)是國科大用的教材,在國內(nèi)被認為是很現(xiàn)代、很難的教材,實際上在俄羅斯是最傳統(tǒng)的教材了。這三本里面,溫伯格是完全為莫獨大授課而產(chǎn)生的,篇幅最少,應該是不能作為本科主教材使用的,而格洛登采夫在高等經(jīng)濟大學做主教材,篇幅是足夠的,大致介紹一下它的內(nèi)容:
上冊(本科1年級用):
1)集合論與組合數(shù)學基礎:集合與映射、等價類、復合、偏序集
2)整數(shù)與剩余類:環(huán)、域、阿貝爾群、整環(huán)、互素、剩余類環(huán)、交換群環(huán)的直積、同態(tài)、中國剩余定理、特征
3)多項式與簡單的域擴張:形式冪級數(shù)、多項式環(huán)、多項式根、根的添加、復數(shù)域、有限域
4)初等函數(shù)與冪級數(shù)擴張:分式環(huán)、有理函數(shù)域、對數(shù)與指數(shù)、Todd級數(shù)、伯努利數(shù)、分式冪級數(shù)
5)理想、商環(huán)與分解:理想、商環(huán)、主理想整環(huán)、唯一分解整環(huán)、多項式的有理系數(shù)分解
6)向量:模與向量空間、基與維數(shù)、線性映射空間、線性子空間、仿射空間、商空間
7)對偶:對偶空間、零化子、對偶線性映射
8)矩陣:域上的結合代數(shù)、矩陣代數(shù)、過渡矩陣、高斯消元、非交換環(huán)上的矩陣
9)行列式函數(shù):體積形式、置換、行列式函數(shù)、格拉斯曼多項式、拉普拉斯關系、伴隨矩陣
10)歐氏空間:內(nèi)積、格拉姆矩陣、對偶、度量幾何、正交群
11)射影空間
12)群:循環(huán)、同態(tài)、群作用、群分解、商群
13)群表示:生成元、對稱群的表示、單群、合成列、半直積、p群、Sylow定理
14)主理想整環(huán)上的模:交換環(huán)上的模復習、不變因子、初等因子、有限生成阿貝爾群
15)線性算子:算子的分類、特殊算子、Jordan分解、算子函數(shù)
16)雙線性形式:雙線性形式、非退化形式、伴隨算子、正交投影、對稱與偏對稱形式、辛空間
17)二次型:二次型、非奇異形式的正交幾何、實有限域上的二次型、射影二次型、仿射二次型
18)實數(shù)與復數(shù):實化、復化、實結構、復結構、歐式結構與辛結構的Hermitian Enhancement
19)Hermitian空間:Hermitian幾何、伴隨映射、正交算子、極分解與奇異值分解
20)四元數(shù)與旋量:復2*2矩陣與四元數(shù)、四元數(shù)的幾何、旋量
下冊(本科2年級用):
1)張量積:多線性映射、模的張量積、同構、線性映射的張量積、模的張量積
2)張量代數(shù):向量空間上的自由結合代數(shù)、收縮、張量代數(shù)的商代數(shù)、對稱張量、交錯張量、多項式的極化、格拉斯曼多項式的極化
3)對稱函數(shù):交錯多項式、對稱多項式、初等對稱多項式、完全對稱多項式、牛頓冪級數(shù)和、Giambelli公式、Pieri公式、對稱函數(shù)環(huán)
4)Array,Tableaux和Diagrams的微積分
5)表示論初步:算子表示、結合代數(shù)表示、群表示、群代數(shù)、Schur表示
6)有限群表示論
7)對稱群表示論
8)sl2-模:李代數(shù)、有限維sl-2單模、有限維sl-2模的半單性
9)范疇和函子:范疇、函子、自然變換、可表示函子、伴隨函子、圖的極限
10)交換環(huán)擴張
11)仿射代數(shù)幾何
12)代數(shù)流形
13)代數(shù)域擴張
14)伽羅瓦群的例子
可以說就內(nèi)容的深度來說,已經(jīng)可以達到甚至超過國內(nèi)很多學校研究生教材的深度了。談論數(shù)理教育千萬不能只放眼國內(nèi)高數(shù)這點東西,因為非數(shù)學專業(yè)的高數(shù)實際上已經(jīng)遠遠落后于時代,而國內(nèi)大部分學校用的本科華東師大數(shù)學分析、王萼芳高等代數(shù)也已經(jīng)嚴重落后于時代了。 這很大程度不是本科教育的差距,而是高中數(shù)理教育的差距。像卓里奇這樣的數(shù)學分析,在國內(nèi)被認為是最難的、清華國科大用的、很現(xiàn)代的數(shù)學分析,實際上在歐洲是屬于傳統(tǒng)派、老派教材了。阿恩莫、格洛登采夫這樣的歐俄現(xiàn)代派教材,中國高中數(shù)理教學的難度恐怕很難支撐起這樣的教學方式。拓撲他們是低年級就學習。
奧數(shù)不是說做題就是奧數(shù),很多基礎知識奧數(shù)不太好考察,但是實際上至關重要的。知乎上一個問題:為什么現(xiàn)代數(shù)學系沒開設《高等幾何》里面一個評論很好地說明了現(xiàn)在中國的數(shù)競現(xiàn)狀:
會用就行,不要花時間去掌握背后的根本原理。 因此,這樣的學生上來,能不能接受阿莫恩、格洛登采夫這樣的教材都很難說,更別說大部分學生了。清華、國科大,用的也是卓里奇,沒用阿莫恩。當然,能用卓里奇,已經(jīng)不錯了,莫大也是卓里奇不過講的很深,4學期,還有額外的附加課與莫獨大晚間附加課。
非數(shù)學專業(yè)的教材,比如莫斯科航空學院,神舟五號總設計師王永志學習過的學校。academia.interfax.ru排名,2021年在俄羅斯高校里排名第26,這個排名相當于中下游985,工科學校,國內(nèi)差不多排名的工科學校是華南理工大學、大連理工大學吧?用軟件翻譯一下他們線性代數(shù)教材的目錄:
第一章:線性方程組與矩陣
1)消元法,2)矩陣與矩陣加法,3)矩陣乘法
第二章:群環(huán)域
4)集合論;5)代數(shù)運算;6)群;7)環(huán)與域;8)復數(shù);9)復多項式
第三章:線性空間
10)線性空間;11)線性無關;12)有限維線性空間;13)子空間;14)子空間的直積;15)同構;16)矩陣的秩;17)線性方程組的一般理論;
第四章:行列式函數(shù)
18)線性形式;19)什么是行列式函數(shù);20)行列式的基本變換;21)矩陣乘積的行列式;22)行列式分解;23)逆矩陣;24)矩陣分解;25)方陣的特征值與特征向量;
第五章:線性空間的幾何
26)歐氏空間;27)正交空間;28)正交矩陣;29)歐式子空間;30)最小二乘法;31)酉空間;
第六章:線性算子
32)線性映射;33)矩陣與線性算子;34)基變換;35)線性算子的特征值與特征向量;36)對角化
第七章:Jordan標準形
37)復習;38)根子空間;39)根基;40)不變因子
第八章:歐氏空間、酉空間中的線性算子
41)共軛算子;42)正規(guī)算子;43)自伴算子;44)酉算子與正交算子;45)線性算子的分解;46)偽逆
第九章:雙線性形式與二次型
47)實空間上的雙線性形式;48)實空間上的二次型;49)二次型的標準型;50)一些二次型;51)復空間上的形式
基本上和數(shù)學系一些學校用的Linear Algebra Done Right差不多吧,但是這個是莫航寫的,工科和經(jīng)濟類用的教材,不是數(shù)學系教材。在我看來是非常好的一本理工科線性代數(shù)教材,比MIT那本Gilbert Strang更值得引進。
大學教育存在問題,一方面是大學自己的問題,另一方面也需要高中供應的學生是有能力、有基礎的學生,能夠接受和理解先進教學內(nèi)容的學生。現(xiàn)在高中的畢業(yè)生,大部分應該還沒達到這個水平?,F(xiàn)有中考高考的選拔不是十全十美的,但如果通過降低難度,不光離俄羅斯、德國、法國優(yōu)秀學生差距會增加,還可能造成更多學生不理解基本知識、通過背誦題型獲取高分。