培根说,“数学是打开科学大门的钥匙”。数学是基础学科中的基础,数学对于世界上任何国家的发展一直起着其他学科无法达到的重要作用。纵观当今世界强国,普遍存在一个共同特点——均为数学强国。数学是建设世界强国的基础,数学实力往往决定着一国的国力,没有强大的数学就没有强大的国家。因此,中国成为世界强国,必须走数学强国之路。
数学是强国建设的强大基础
数学强则国强,世界发达国家的崛起往往和数学的崛起密切相关。2020年,习近平总书记在科学家座谈会上指出,“要持之以恒加强基础研究。”“要加强数学、物理、化学、生物等基础学科建设”。数学是一切科学的基础,数学无处不在,数学处处可用。华罗庚曾说,“宇宙之大,粒子之微,火箭之速,化工之巧,地球之变,生物之谜,日月之繁,无处不用数学”。无论是自然科学领域的航空航天、人工智能、新能源、互联网、生物医药以及国防安全,还是社会科学领域中的经济学、管理学、社会学、心理学、教育学、人口学等学科都会运用到数学。一个人如果不从事科学领域的工作,具备数学思维能力也可以更好地解决复杂事务。尽管其他学科也可以训练逻辑思维能力,但是数学思维能力训练比其他学科更有效。
鉴于数学对于国家发展的重要作用,发达国家往往把发展数学上升为国家战略。作为世界超级大国和世界数学强国的美国,非常重视数学。美国对数学的重视源于战争中数学家发挥了重要作用。二战期间,美国运送物资的船队经常遇到德国潜艇袭击,船只未到达前线便沉到海底,数学家们运用概率论重新调整出航行路线,使船队被击沉的概率由25%降到1%,降低了损失,保障了物资供应。1941年,美军在太平洋战场对日本战争中遭遇了日本的自杀式飞机,有近一半的战舰将遭到攻击,一位将军咨询了美国哥伦比亚大学数学系的统计学教授亚伯拉·沃尔德,调整了战术方案,最后以少胜多取得了胜利,并一举扭转了太平洋战场的局势。1942年,美国“科学研究和发展局”中的“国家防卫科学委员会”成立了“应用数学组”,其任务是解决战争中需要解决的诸多数学问题,到战争结束时,已完成了包括空气动力学、水下爆破、喷气火箭、中心火力系统等200多项重大研究。二战后,数学家冯·诺依曼参与核武器研究,通过发明蒙特卡罗方法解决了原子弹在理论上的测试问题。冯·诺依曼的学生梅里尔·佛勒德利用冯·诺依曼的博弈论理论,成功实现了轰炸机被击落的概率最小化。19世纪,美国逐步走向工业化,政府重视具有数学能力的工业人才并关注高校的数学教育。2006年1月,美国总统布什在公布的《美国竞争力计划》中强调,培养具有STEM素养的人才,STEM素养包括四个层面,其中M即数学,并视其为全球竞争力的关键。
作为世界军事、航天、核工业强国的苏俄,也是世界数学强国。苏俄数学的发展始于彼得大帝的大力推动。彼得大帝在苏俄非常落后之时,积极提高国家科技水平,建立了包括算数学校在内的各类学校,并于1724年建立了国家科学院。此后,苏俄引进了西欧的尼古拉·伯努利和丹尼尔·伯努利两兄弟,后来伟大的数学家欧拉也被丹尼尔·伯努利引到彼得堡,欧拉在俄罗斯科学院做出了海量学术成果,并培养了一大批后来者。19世纪下半叶,苏俄出现了以切比雪夫为首的切比雪夫学派,数学家维诺格拉陀夫、伯恩斯坦、李雅普诺夫和马尔科夫等人都是切比雪夫的学生。由于苏俄数学的快速发展,二战期间,战斗机等诸多问题均由数学家所解决。值得一提的是,20世纪30年代,苏联航空领域关于飞机构造需要解决一个难题:当飞机飞行提高速度时,飞机的零部件甚至整个飞机都会在数秒之内解体,这一技术难题由苏联数学家克尔德什解决。由于数学家作出众多的突出贡献,苏联政府高度重视数学,为数学研究者提供了良好的待遇和宽松的研究空间,使得苏俄的数学家数量和质量在世界非常惊人。
纵观我国,在14世纪前,古代数学在世界上居于领先地位,之后有所回落。直到最后一个封建王朝——清朝,却为数学的落后付出了惨痛的代价。清朝从康乾盛世到晚清的衰败,与当时清政府的军事力量逐渐落后于世界有着巨大关联。康熙帝在位期间虽然学习了几何知识并十分酷爱,但是并未推动数学在大清帝国发展,使清朝错失了一次发展数学的良机。而西方列强却可以运用数学知识制造先进武器强化军事力量侵略中国,迫使清政府签订一系列割地、赔款等丧权辱国的不平等条约。清朝灭亡以后,在中国共产党的领导下,我国无数革命烈士抛头颅、洒热血,建立了新中国。新中国成立以后,为了江山稳固,我国进行了抗美援朝战争,由于数学基础薄弱,尚未提高武器装备水平,国家在飞机、坦克等武器装备方面与美国相差悬殊,虽然取得了战争最后的胜利,但也由于武器的落后产生了大量的伤亡。抗美援朝胜利之后,我国继续面临着别国的核武器威胁,直到第一颗原子弹爆炸成功,我国才做到真正意义上稳立于世界。而原子弹爆炸成功最离不开数学,如果没有数学的贡献,原子弹不可能爆炸成功。
中国与世界数学强国仍存差距
事实证明,国与国之间战争取胜的关键在于数学的运用,战争中数学家的基础贡献甚至能够超越军事家。二战中,数学家图灵率领团队,协助英国军队设计出了快速破解德国军队的名为Bombe的通信密码机——世界第一台军用计算机,使二战提前2年结束,挽救了1000多万人的生命。可见,数学不仅应用广泛,而且是国家在战争取胜、抵御外国入侵、保家卫国的强大基础和依赖。
1.世界一流数学学科名校数量不足。世界上数学强国均具有世界一流的数学学科名校。美国有普林斯顿大学、麻省理工学院、斯坦福大学、哈佛大学、纽约大学、宾夕法尼亚大学等;俄罗斯有莫斯科国立大学、圣彼得堡国立大学、莫斯科独立大学等;法国有巴黎文理研究大学、巴黎萨克雷大学、巴黎索邦大学、巴黎大学等。在这一方面,中国与世界数学强国相比还存在一定差距。
2.尚未产生菲尔兹奖获得者。衡量一个国家是否为数学强国的一个重要指标就是菲尔兹奖获得者的数量。菲尔兹奖相当于数学界的“诺贝尔奖”。世界一流数学名校均产生了数量众多的菲尔兹奖获得者。美国:哈佛大学18人、普林斯顿大学16人、伯克利加州大学14人、芝加哥大学10人;法国:巴黎文理研究大学18人、巴黎萨克雷大学8人、巴黎索邦大学6人。遗憾的是,我国本土至今尚未有1人获得菲尔兹奖,随着我国人才强国战略的推进,相信以后会涌现出一定数量的菲尔兹奖获得者。
3.高校数学领域学者数量不足。根据全球数学领域学者研究报告显示,数学领域学者数量排名前10位的高校为:密歇根大学(美国、1669人)、苏黎世联邦理工学院(瑞士、1586人)、斯坦福大学(美国、1572人)、莫斯科罗蒙诺索夫国立大学(俄罗斯、1563人)、帝国理工学院(英国、1523人)、加州大学伯克利分校(美国、1493人)、牛津大学(英国、1560人)、麻省理工学院(美国、1525人)、伊利诺伊大学(美国、1481人)、华盛顿大学(美国、1351人)。目前,我国尚无1所高校数学学者数量能够排进世界前十位。
多措并举建设中国数学强国
1.上升到国家的战略高度来重视数学。马克思说,“一门科学,只有当它成功地运用数学时,才能达到真正完善的地步。”而一个国家也只有数学蓬勃发展,才能展现出它国力的强大。数学是关系到国家命脉、深系国运的重要学科,发展数学是强国的必经之路。我国应把数学上升为国家的战略高度来重视数学、发展数学,全方位谋划国家数学强国战略,走数学强国之路,才能确保国家的长治久安。数学强国战略的制定应结合本土实际,借鉴数学强国的数学发展经验,包括世界一流数学学科名校建设、国际数学顶尖人才培养以及数学文化建设等方面。
2.教育更加侧重培养学生对数学的兴趣。中国的数学教育在国际上有成功之处,如能够培养学生多次取得世界奥数冠军,学生的计算能力较强等。这说明,中国的数学教育在解题技巧掌握层面能够达到国际领先,但是,在数学创新层面依然存在不足。
数学研究需要大量的思考,如果一个学者没有形成对数学持续的兴趣,往往难以坚持下去。世界数学强国存在大量对数学研究有着高度兴趣的学者。我国的数学教育只使得少数学生对学习数学产生了愉悦感。因此,我国的数学教育应更加侧重培养学生对数学的兴趣。数学既是一门科学,也是一门艺术。兴趣对于数学学科的学习,相比其他学科更为重要。培养学生兴趣更在于培养学生掌握数学最精华的部分。大部分学生对学习数学的感觉是枯燥的、难懂的,感受不到数学的美,体会不到学习数学的乐趣,原因在于其并未掌握数学的精华。掌握数学的精华需要学生付出更多的努力,也需要一线教师投入大量时间和精力,在教学方面为学生展现数学的精髓。
3.积极吸引流失海外数学人才归国效力。我国发展数学一方面需要培养数学顶尖人才,另一方面需要大量数学人才加盟,由于国际上数学强国对数学人才的吸引力优于我国等原因,造成我国本土数学人才流失海外。中国应营造更为有利于人才发展的科研环境和优厚待遇,吸引海外流失的数学人才归国效力,为中国建设数学强国贡献自己的力量。
(作者单位:沈阳师范大学社会学学院)