其实向量空间的概念并不算很“抽象”,国外一些大学本科代数教科书是先讲群论后讲线性代数,显然比我国的线性代数或高等代数教科书更“抽象” 。另一方面,我国现在的中学生都要花很多工夫学集合,但从教科书上看不到有什么用(除了刷题) 。若是对于向量空间概念的高明之处有所领悟,至少会觉得集合是有用的 。所以,至少有一部分学生理解向量空间并无困难 。而对于有困难的学生,需要教育者的耐心,例如可以采取如下的途径讲授 。
注意学生在解析几何中学过平面向量和空间向量,而且知道一些物理应用 。在初等的数学和物理教科书中一般会讲向量的直观,即“既有大小又有方向的量”,而且较好的教科书中还会指出,这只是一种直观,并非既有大小又有方向就是向量 (例如电流) 。学生通过物理意义可以对向量有正确的理解,尽管还没有向量空间的概念 。那么,从向量的这些直观概念推进到一般的向量空间,本质上只是维数可以不受限制 。因此,可以先复习解析几何中的平面向量和空间向量,包括它们的直观意义和物理应用,然后系统地复习和整理向量的运算,再复习和整理向量在直角坐标系下的表达 。然后举例说明高维的向量也是有数学和物理意义的 。由此引导到一般的向量空间,就不很“抽象”和难于理解了 。当然这需要多花费一些时间,但对于后面的学习是有利的 。
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还值得指出,一般不能说定义的对错(Yuri Zarhin 曾无奈地说: “Well,every definition is correct”),只能说定义的优劣 。一个好的定义能够揭示客观存在或自然规律,启迪思维,引导有意义的研究方向 。在极端的情形,甚至一个好的定义就解决了问题 。遗憾的是很多定义有缺陷 。有的教科书将直观当作定义,毫无科学严谨性可言,有些还颇为费解,或语义含混,或几乎是同义反复(参看 [2]),这些都是误人子弟 。有些定义虽然严谨,但没有背景,不自然(有人为设置的条件),在极端的情形甚至所定义的东西根本不存在 。尽管由这样的定义可以推导出一些定理,可以写论文发表,但对科学并无贡献,也不会有应用,只是逻辑游戏而已 。还有一类情形,虽然所定义的对象是客观存在且值得研究的,但定义的条件复杂或费解(如上面所说的将表达作为定义),尤其不利于初学者 。其中有些还可能导致偏见或心理障碍 。
由上所述可见,在数学教程中如何给出定义,经常是值得研究的 。这是张景中先生所说的“教育数学” (参看 [6]) 的一个课题 。
参考文献
[1] 姜树生: 谈数学教育的特殊性——兼谈如何处理数学与教育学的关系. 数学通报 2008 年第 4 期
[2] 姜树生: 现行统编中学数学教科书有多烂 (2016)
[3] 李克正: 《抽象代数基础》,研究生数学丛书 6. 清华/Springer 出版社 (2007)
[4] 李克正: 现代社会对于劳动者的数学素质的需求 (2019)
[5] 其故: 得数学者得天下. 返朴网 (2019)
【几何直观是数学思想吗 数学中的直观主要包含三种】[6] 张景中: 谈谈教育数学 (2021)
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