当科学教育遇到计算,促成了无限可能
时间: 2025-11-28 发布者: 文章来源: STEM教育研究中心 审核人: stem 浏览次数: 10

初冬时节,暖意融融。“院士进师训·科学方法让科学教育无限可能”在浙江师范大学隆重开班。中国科学院院士、全国政协常委、中国科协副主席袁亚湘院士以“计算——第三种科学方法”带来了一场有深度、有温度的报告,助力提升教师科学教育素养,引导科学教师们感受计算魅力。图片

袁院士从科学研究本质切入,梳理科学研究“观察-提问题-做假定-实验-结论-应用”的核心流程,指出传统科学研究以实验、理论推导为主要方法,而随着计算机兴起,计算已成为与二者三足鼎立的第三种科学方法。以波音777飞机无物理实验直接通过数值模拟设计为例,袁院士直观展现计算通过虚拟仿真解决复杂问题的优势,凸显其在工程、科研领域的重要价值。袁院士认为:“数据科学、人工智能与计算存在交叉,有人将其视为广义的计算,也有人认为其缺乏严密数学模型,与传统计算有所区别,但无论如何,AI的兴起进一步凸显了计算思维的重要性。”

谈及计算与人类文明的关联,袁院士结合古今案例展开阐述。古巴比伦泥板记录的根号2精准数值、古埃及纸草书对圆周率的早期估算,印证古代文明对计算的探索;我国《九章算术》《周髀算经》等典籍以实用计算为核心,朱载堉用多档位算盘调校十二平均律,彰显中国古代数学的实用智慧。从远古兽骨计数、手指计数,到算筹、算盘等传统工具,再到1946年世界首台电子计算机诞生及如今每秒百亿亿次运算的超级计算机,他梳理计算工具迭代历程,展现人类对高效计算的持续追求。

袁院士重点解读十余种经典计算方法,从简化1到100求和的速算技巧,到牛顿方法、高斯消去法等专业算法,他以通俗语言拆解核心逻辑,如将共轭梯度法比作“结合过往路线爬山”,把随机梯度法类比“随机抽样了解学生情况”,让教师们轻松理解复杂原理。同时提及我国古代数学家刘徽对高斯消去法的早期探索、冯康先生奠定有限元方法基础等内容,彰显中国数学对计算领域的贡献。他强调,计算方法效率与计算工具性能同等重要,高效算法对解决问题的价值不亚于高速计算设备。他鼓励教师们关注计算科学发展,未来可引导学生感受计算魅力,培养观察思考能力。展望未来,随着定量化研究普及,计算在跨学科融合、量子计算等领域的作用将愈发凸显。

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  袁院士带领大家回溯了从古巴比伦泥板、古埃及纸草书到中国算筹、算盘的计算文明演进,详解了牛顿方法、高斯消去法、快速傅里叶变换等经典计算方法的核心思想,并分享了拟牛顿法、压缩感知等现代算法的创新应用。他以通俗的语言拆解复杂数学原理,强调“计算方法效率与计算工具性能同等重要”,鼓励教师们引导学生感受数学之趣、科学之美,培养理性思维与创新精神。

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“当科学教育遇见计算,很有可能促进无限可能”,院士进师训项目负责人黄晓提出袁院士分享的古今中外的19种计算方法,是有效践行与回应教育部七部门文件精神。本次研修的设计也是旨在引领科学教师们理解科学与数学、工程及其他学科的关系,立足科学方法的视角促进教师对科学本质的理解、科学的多元视野认知与应用,促进中小学科学教师创新发展,浙江师范大学堪萨斯大学联合教育学院院长黄晓介绍。


中国科学院院士袁亚湘:计算思维在跨学科融合等领域的作用将愈发凸显