向量为什么进入中学.doc

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向量为什么进入中学
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——向量进入中学数学的背景分析
北京教育学院  数学系 王建明　
1．从几何的历史和发展看向量的地位．
几何的历史和发展大约经历了如下几个阶段，也就是实验几何、演绎几何（综合几何）、代数几何、拓扑、分析几何直到现代的整体微分几何和大范围分析和代数拓扑．从中不难看出建立在某个代数结构或一般集合上的几何结构的研究是大的方向，即几何代数化是几何研究发展的必然趋势．同时，几何、代数和分析也越来越相互关联，互为工具．现代几何研究中传统意义下的直观性已难觅其踪．中学数学课程和教学的发展，不能说完全排斥直观性，但也应该反映几何研究发展的这种趋势．几何处理的“向量化”，也就是几何代数化的一个方面．
2．目前我国中学数学中几何代数化的处理．
包括代数方程，如x2+y2=1这样的形式，再加上坐标几何的学习．但由于代数曲线和曲面的进一步学习和研究更为抽象，如果中学阶段的学习和研究仅停留在二维平面中的圆锥曲线分析上，以此为基础很难发展到高次、高维曲线和曲面的代数结构分析和分类，代数几何的发展要求是中学数学学习向量的必然原因．
3．向量的双重性．
向量是一个具有几何和代数双重身份的概念，同时向量代数所依附的线性代数是高等数学中一个完整的体系，具有良好的分析方法和完整结构．通过向量的运用对传统问题的分析，可以帮助学生更好地建立代数与几何的联系，也为中学数学向高等数学过渡奠定了一个直观的基础．这方面的案例包括平面几何、立体几何和向量解析几何．
4．认识向量的另外角度．
把平面和空间看出是一个向量场，可以培养学生对结构数学的认识，比如在学习平面向量基本定理后，可以发展学生把平面看成一个2维的代数系统，这个系统就是由两个不平行向量的线性组合得到，同样在空间上可以使学生认识到3维扩建就是一个有3个不共面的向量生成的一个代数结构．而结构数学是现代数学发展的主要方向．利用参数方程的概念，可以把曲线看作向量函数的轨迹，可以使学生方便地运用微积分于几何的研究和学习．这里也可以把向量的引入理解为现代数学与初等数学的衔接的组成部分之一．
5．“数、量与运算”的扩大．
从“数、量和运算”发展的角度理解“向量”，把向量的加法（减法）、数乘以向量和向量的数量积看作新的运算，使学生认识到数、量和运算的形式在不断的发展．
更为重要的是在教材和教师教学的处理上应该表现出“数、量和运算”的一个发展趋势链，其中数的发展包括正整数（自然数）→零和自然数→正分数（有限小数和无限循环小数）→非负有理数→有理数→无理数（无限不循环小数）→实数→复数，从代数结构的角度看，经历了整数环→有理数域→实数域→复数域（1883年Hamilton的四元数域是不满足乘法交换律的复数域的扩大，在此意义上说复数域是最大的数域），这些“数”所对应的“量”都是一类的，并且至此“运算”的结构没有改变，从整体上看“数”在发展，而“量”及“运算”没有本质的发展．
因此向量不是“数”的简单扩大，它所关注的不是“数”的扩大问题，而是“量及运算”的扩大问题．因而在向量的引入时，不宜从代数方程的角度出发，可能从力学的实际背景出发更能体现出“量”的发展．同时还应该强调的是向量代数是以前所有“数的运算”的一个发展（如果我们能够引入向量的向量积运算，将使学生第一次看到运算可以不满足交换律的真正案例），使学生对此问题有一个发展的理解，由此也为今后引入矩阵及其运算做了铺垫．
6．国际数学教育对向量的处理．
国际数学教育的发展已全面反映了综合几何的学习的落后，向量和矩阵进入中学数学是一个大的趋势，比如美国NCTM2000的《学校数学的原则和标准》、《新西兰数学课程标准》和《澳大利亚数学教学大纲》都在此问题上有全面的反映．从总体上分析，基本共识是基于以下的事实：1899年希尔伯特的《几何学基础》的发表，标志着几何学基础的彻底革新，也发展了现代数学的公理化模式．以此为推动力，数学本体上在这个方面的研究几乎穷尽．中学的综合几何就是扩大了公理体系的希尔伯特几何的简单情形．如果我国几何教学仍然停留在此不动，那么很难说我们的数学教育反映了数学发展的进程，也与国际数学教育的发展相去甚远．
7．数学和物理学的关系在向量中的体现．
数学和物理学的关系在中学阶段应该得到重视和发展，事实上一个良好的物理或现实背景是学生对数学产生兴趣和学好数学的重要因素，并且数学和物理世界是如此的紧密关联，就是二十世纪最伟大的数学家之一、为“纯数学”而竭力辩白的英国数学家哈代也曾说：“……还没有哪个数学家纯到对物理世界毫无兴趣的地步……”尤其到今天，数学和物理学的关系是有目共睹的．而向量在力学中的应用即使在中学阶段也是不难发现的．使学生尽早地认识到数学与物理世界的紧密关系，不仅可以增强学生学习的兴趣，同时也使学生认识到数学伟大的社会性．事实上，反映数学课程改革最敏感的高考在2003年已经这样做了．
8．数学“机械化”与向量的关系．
吴文俊先生在《数学教育现代化问题》一文中明确指出：数学教育现代化问题就是机械化问题．吴文俊先生说“现代化就是机械化……我想谈的主要是中学范围里边的数学现代化，或者照我的看法，所谓数学机械化的问题．”
关于传统几何的改革，吴文俊先生说“对欧几里德几何应该怎么看，我说明一下我的看法，我有点倾向于恩格斯的数学关系．数学研究数量关系与空间形式，简单讲就是形与数，欧几里德几何体系的特点是排除了数量关系……对于几何，对于研究空间形式，你要真正的腾飞，不通过数量关系，我想不出有什么好办法．”吴文俊先生明确指出为了使中学几何“腾飞”，必须采取“数量化”的方法，也就是代数化几何的处理方法．事实上，我们不难发现向量几何具有一定的机械化．
9．向量的教学实践过程可行性问题．
在中学阶段引入是完全可以接受的．这是因为，第一，学生有初步的平面坐标几何的基础；第二，教师有良好的立体几何的教学背景，教师在把传统的综合几何转移到向量代数处理立体几何时有很好的直观背景，并可以使之迁移到学生的学习过程中去．除此之外，现代化技术（包括多媒体教学技术和后PC时代的掌上技术）在向量的“教与学”中可以帮助教师和学生．利用图形计算器、计算机和动态几何软件不仅可以解决几何“直观性”的问题，同时也使得学生的向量学习入门更容易理解．在国际上这种案例是很多的．
10．对向量的认识误区．
向量进入我国中学数学课程是一个不可逆转的趋势，但在整个发展过程种也不可避免地出现了一些在这个问题上的认识误区．通过教师培训实践，我们发现教师对向量的认识误区主要表现在如下的方面，也即立体几何简化论和解题方法的多样性．的确，向量的引入有助于平面几何与立体几何某些问题的解决，同时也为其他一些初等数学问题的解决提供了更多的选择．但问题的关键是中学数学教师不能仅仅停留在这个层次上来看待向量在中学数学中的引入，而应该从更大的范围和角度认识向量，这也就是我们前面谈到的几个观点，其中最为重要的是较为全面地把握向量的发展与其它数学结构的关系．中学教师对这些方面可以不要求学生做，然而却不能不说给学生听，当然首先要求教师对此问题的深入理解和掌握．只有这样，教师的视野开阔了，才不会使得向量的“教与学”成为又一个新的知识难点和负担．