数学专业在自然科学中的地位与作用

数学教育的地位及传统的数学教育存在的弊端数学的应用范围急剧扩展，不仅被更广泛深入地应用于自然科学和工程技术，而且已经被成功地应用于生命科学、经济科学与社会科学等众多的新领域．因此，数学的科学地位也发生了巨大的变化，现代数学不再仅仅是其它科学的基础，而是已经在科技革命的第一线发挥着重要的作用，正在显示出它作为第一生产力的本性．“被人如此称颂的高新技术实质上是一种数学技术”已日益为人们的共识．早在1989年美国科学促进会（AmericanAssociationforAdvancementofScience）就发表了一份名为《美国人应用的科学素养》（ScienceofAllAmericans）的报告，指出“在下一个人类历史发展阶段，人类的生存环境和生存条件将发生迅速的变化．科学、数学和技术是变化的中心．……所以，科学、数学和技术将成为今日儿童面对明日世界的基础”．因此，可以说在现代和未来的社会中数学科学的重要性、基础性更是不可动摇的。

自然科学含括了许多领域的研究，自然科学通常试著解释世界是依照自然程序而运作，而非经由神性的方式。自然科学一词也是用来定位“科学”，是遵守科学方法的一个学科。自然科学是研究无机自然界和包括人的生物属性在内的有机自然界的各门科学的总称。认识的对象是整个自然界，即自然界物质的各种类型、状态、属性及运动形式。认识的任务在于揭示自然界发生的现象以及自然现象发生过程的实质，进而把握这些现象和过程的规律性，以便解读它们，并预见新的现象和过程，为在社会实践中合理而有目的地利用自然界的规律开辟各种可能的途径。

自然科学是研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学。它包括数学、物理学、化学、天文学、气象学等基础科学和农业科学、生物学、医学、材料科学等实用科学，是人类改造自然的实践经验即生产斗争经验的总结。它的发展取决于生产的发展。 原始社会中，人类对自然界的斗争，因生产工具简单、粗笨，还受到原始宗教及其他意识的影响，自然科学的发展是缓慢的。不过，人类取得的每一个科技进步，都推动了生产的发展，同时又促进自然科学知识的不断积累，预示着科技的新突破。因此，尽管当时的人们尚处于蒙昧与野蛮状态，但他们在与自然界的斗争中，以辛勤的劳动与聪明和智慧，不断地推动着科学技术的发展。 我国古代居民对天文学知识的认识与探索有着悠久的历史。早在旧石器时代，我们的祖先就已注意到暑往寒来的变化，月亮的盈亏圆缺，各种动物的活动规律，植物的生长与成熟的周期等等，并且逐渐摸索到它们的规律性。因此，差不多与进入新石器时代同时，农业与家畜饲养业便出现了。以后，人们为使农作物的生长不误农时，迫切需要掌握季节变化的规律。这就促使天文与历法知识的产生。从考古学提供的材料表明，可能在新石器时代早期，人们已经有意识地观测天象了，并用以确定方位、时间与季节。 方位的确定对人们的生产、生活有着重要的意义，所以人们很早就掌握了方位的辨别知识。他们从日出、日落及日落后北斗等星体出现的规律中探索出东、南、西、北的不同方位。他们在营造房舍、埋葬死者时，都注意到朝向。例如住房的朝向大多选择南向；同一个墓地，甚至同一个考古学文化的不同墓地中，绝大多数死者的头都朝着同一个方向。虽然其中有些朝向与正方向（正南、正北等）略有偏差，但基本方向都是不变的（少数不同方向的墓葬，应与死因有关）。如西安半坡墓地中墓葬的排列十分整齐，它们的方向基本一致，略有偏差者也与正西方向相差不超过

20°u12290X在年代更早的新郑裴李岗墓地清理的 114 座墓葬，均为长方形竖穴墓，排列密集，很有规律，所有头向均朝南或稍偏西。这些事例说明，距今 8000

年前的人们就已基本掌握了定向的方法。 季节的确定，大概是根据物候现象掌握农时而引发的。因为我国大部分地域地处温带，四季的变化比较明显：春暖花开之时，随着布谷鸟的啼鸣，人们开始播种；到了深秋，大地一片金黄，许多谷物都成熟了，人们进行收割；动物中的候鸟，如燕子春来秋去与大雁有规律的回归。自然界中如此年复一年的周期变化，使人们将寒往暑来、春华秋实与候鸟的有规律活动联系起来，寻找其间的变化规律，从而推定出农牧的时节。史前时期先民大概还缺乏春夏秋冬四季的明确概念，但是对农牧业的时节，则有了越来越多的认识。人们对天象的观测与探究，推进了天文知识的积累和天文学的出现。古代先民最早注意的星，大概是北斗七星。也有人说最早观测的星是红色亮星“大火”（心宿二）。传说在颛顼时代就有“火正”官，负责观测“大火”，以它的出没来指导农业生产。据推算，公元前 2400 年左右，黄昏时在地平线上见到“大火”时，正是春分前后，时值春播时节。像这样以观测天象来确定四时节令的方法，叫做“观象授时”。 相传黄帝时代已有了历法。帝尧时派天文官到东、南、西、北方去观测天象等等，都反映了古代先民对天象观测的重视。这些传说虽然还缺乏实物证明，但是，在新石器时代晚期出现原始的历法是完全有可能的。

远古时代的先民，在生活中已经注意到事物的数量与形状，但对数的概念是不清楚的。在分配与交换过程中，人们还不能确切地去判别多与少的差别。人们还不掌握 1、2、3、4……这些自然数的概念。交换是按照需要与意愿进行的，这是人类发展进程中必然要经历的一个过程。 到了新石器时代中期，可能出于记事或交换的需要，开始出现了刻划符号。距今 7000 年前的舞阳贾湖出土的龟甲上和七孔骨笛上都有刻划符号。骨笛上所刻的符号在孔的旁边。经过测试，这支骨笛的 7 个音孔各发一音，组成一个完整的音阶结构。而孔旁的符号作为等分的记号，反映了设计和制作这支骨笛的过程中的计算过程。因此有人认为它反映了 7000 年前的先民对数的认识。仰韶文化和年代稍晚的马家窑文化的彩陶钵口沿上也发现了各种刻划符号，据统计，总数有 50 多种。在龙山时期及稍后的考古学文化中也多有发现。传说古代有“结绳记事”、“契木为文”的时期，可能这些符号就已含有一定内容的记录刻符。所以，这些符号既有可能是我国古代文字的起源，也可能是数的起源。如果和商周时期的甲骨文或金文相比较，其中不少刻符与金文、甲骨文中的数字是一致或相似的，如一、二、三、五、十等等。有人提出仰韶文化的先民已具备了一、二、三……八的数的概念。 人们对形的认识也很早。当他们制作不同用途的工具时，无论是背厚刃薄的刀、斧，尖锐锋利的针、锥，还是滚圆的石球，或弯弯的木弓等等，都说明人们对各种几何图形有了认识，并加以应用。仰韶文化中，陶器的器形及其纹样，清楚地反映了人们对圆形、椭圆形、方形、菱形、弧形、三角形（包括等边三角形、直角三角形）、五边形、八角形等几何图形已具有明确的概念。同时，在几何图形的对称、圆弧的等分等方面都有许多实例。大溪文化中出土的空心陶球，球面上用三组一股的篦纹划出彼此相交的 6 个“米”字纹。在一个圆球表面进行刻划与分割，放置 6 个“米”字纹，若无一定的数学知识和计算能力是很难想象的。这些实例都说明仰韶文化与大溪文化的先民对数与几何图形的认识已达到一定水平。 正是人们对这些几何图形有了认识，因此，在当时的生产与生活实践中，大到建造房舍，小到制作工具、饰品，或者装饰图样的设计与记事符号的刻划，都能很好地体现方、圆、平、直的要求。如有些平面为方形的房屋，它的四边相等，木柱的对称和平行的排列。河姆渡遗址中发现的木构件，其梁柱与榫卯的受拉、受压都符合力学要求。彩绘花纹中所绘的直角三角形、菱形图案与人面比例的合理、匀称等等，都说明当时很可能已经掌握了绘划方、圆、平、直的方法与简单的工具。这种工具可能就是最早的规矩。

编辑本段自然科学各领域介绍

数学

数学是研究数量、结构、变化以及空间模型等概念的一门学科。透过抽象化和逻辑推理的使用，由计数、计算、量度和对物体形状及运动的观察中产生。数学家们拓展这些概念，为了公式化新的猜想以及从合适选定的公理及定义中建立起严谨推导出的真理。 很多人认为数学只属于逻辑学，这是错误的，数学属于自然科学，从自然科学的诞生开始就和数学紧密联系。从牛顿的《自然哲学的数学原理》一书的名字就可以很好的说明。数学分为基础数学和应用数学两部分，基础数学绝对是自然科学，具有自然科学的性质，1+1=2是客观事实，不是逻辑推导。应用数学则是把某些事物用数学模型来套，并不一定符合客观事实，这也是很多人认为数学不属于自然科学的原因。可是数学的本质是基础数学层面的。所以数学属于自然科学。

物理学

物理(physics)是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。是一门以实验为基础的自然科学,物理学的一个永恒主题是寻找各种序（orders）、对称性（symmetry）和对称破缺（symmetry-breaking）、守恒律（conservation

laws）或不变性（invariance）。

化学

化学（chemistry）是研究物质的组成、结构、性质、以及变化规律的科学。世界是由物质组成的，化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一，它是一门历史悠久而又富有活力的学科，它的成就是社会文明的重要标志。

天文学

天文学(Astronomy)是研究宇宙空间天体、宇宙的结构和发展的学科。内容包括天体的构造、性质和运行规律等。主要通过观测天体发射到地球的辐射，发现并测量它们的位置、探索它们的运动规律、研究它们的物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律。

地球科学

地球科学是以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。主要包括地理学(含土壤学与遥感)、地质学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学和空间物理学j以及新的交叉学科（地球系统科学、地球信息科学）等分支学科。

生命科学

生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。用于有效地控制生命活动，能动地改造生物界，造福人类生命科学与人类生存、人民健康、经济建设和社会发展有着密切关系，是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学。

心理学

心理学(Psychology)是研究人和动物心理现象发生、发展和活动规律的一门科学。心理学既研究动物的心理（研究动物心理主要是为了深层次地了解、预测人的心理的发生、发展的规律）也研究人的心理，而以人的心理现象为主要研究对象。

编辑本段自然科学研究方法

一、科学实验法

科学实验、生产实践和社会实践并称为人类的三大实践活动。实践不仅是理论的源泉，而且也是检验理论正确与否的惟一标准，科学实验就是自然科学理论的源泉和检验标准。特别是现代自然科学研究中，任何新的发现、新的发明、新的理论的提出都必须以能够重现的实验结果为依据，否则就不能被他人所接受，甚至连发表学术论文的可能性都会被取缔。即便是一个纯粹的理论研究者，他也必须对他所关注的实验结果，甚至实验过程有相当深入的了解才行。因此，可以说，科学实验是自然科学发展中极为重要的活动和研究方法。

二、数学方法

数学方法有两个不同的概念，在方法论全书中的数学方法指研究和发展数学时的思想方法，而这里所要阐述的数学方法则是在自然科学研究中经常采用的一种思想方法，其内涵是；它是科学抽象的一种思维方法，其根本特点在于撇开研究对象的其他一切特性，只抽取出各种量、量的变化及各量之间的关系，也就是在符合客观的前提下，使科学概念或原理符号化、公式化，利用数学语言（即数学工具）对符合进行逻辑推导、运算、演算和量的分析，以形成对研究对象的数学解释和预测，从而从量的方面揭示研究对象的规律性。这种特殊的抽象方法，称为数学方法。