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一、数学课堂教学――建构以数学小课题研究为主的学习模式
传统的数学优势是所传授的知识比较系统,知识点分散,学生容易掌握,不足的是知识分得比较零碎,学生在建构知识链的困难较大。开展数学小课题研究能培养了学生的探究能力和应用数学意识。
比如小课题:绘制我们的校园,就是以比例尺知识为主工具的实践活动。活动分为三个板块:第一板块:确定方位,测量长、宽。第二板块:绘制平面图。第三板块:制作模型。这个板块是在活动的过程中生成出来的,在绘制平面图后,学生想制作立体模型图,陈列到学校的门口。于是数学老师和美术老师同上一节课,数学老师解决测量中高的问题,美术老师解决制作立体模型的问题。
再比如二年级的“我们去春游”小课题研究,综合了活动策划、购买物品、购票策略等等,学生需要综合运用加减乘除的知识;“今天我当家”小课题研究,主要是让学生体验一天时间里的买菜、烧饭等活动的统筹安排,在这过程中学生对克、千克、秤的知识有了了解;还有“包装的问题”、“我爱学校”等小课题研究活动,让学生在探究学习过程中不仅学到了知识,而且还参与到社会、生活中,学习与人交往、与人合作、与人分享等人文的东西。学科之间还得到了很好的整合,学习方式也得到了很大的改善。
二、校本课程――把丰富的数学资源引进学习领域
进行数学文化建设,开发校本课程是一个重要的途径。通过数学校本课程建设,可以把丰富的数学文化资源引进到数学学习过程中。
由于每节课的时间有限,教师在完成知识教学的任务后,很少有时间让学生了解数学知识发展的历史。在当代国际数学教育视野中,数学史首先被看作理解数学的一种途径。数学史对于揭示数学知识的现实来源和应用,对于引导学生体会真正的数学思维过程,创造一种探索与研究数学学习气氛,激发学生对数学的兴趣,培养探索精神,揭示数学在文化史和科学进步史上的地位与影响,进而揭示其人文价值,都具有十分重要的意义。
小学数学文化史涉及的数学史知识包括:
1.数学知识的来源和背景;2.数学思想方法;3.数学欣赏;4.数学家的成长故事以及取得的成就。
此外,数学的理性品格应成为重要的数学文化内涵,许多大数学家在成长过程中遭遇过挫折,不少著名数学家都犯过今天看来相当可笑的错误。这些史料不仅可以使学生在数学方法上从反面获得全新的体会,对学生正确看待困难、树立学习数学的自信心,还可以使学生体会到数学不仅仅是训练思维的体操,是科学研究的工具,更有着丰富多彩的人文内涵。
三、数学专题网站――学生更自由而广阔的数学学习世界
在当今知识外储化的时代,学生的学习时空不应该局限于学校,数学教育应该随时随地满足学生的需求。网络,就能满足学生的这种需求。我们学校建设的数学网站就是动态传播数学文化的平台。该网站由6个板块组成:闯关GOGOGO,学生可以在这里进行智力冲浪,解决问题,获得积分,体验成功和竞争;数学小游戏,让学生在学习数学之余放松身心;数学故事,让学生在阅读一个个精彩故事中感受数学的好玩;数学小论文,让学生把自己的数学学习心得体会发表在网站上与同学共享;数学人物,让学生在网上与数学家“亲密接触”;数学思考,教会学生解决问题的策略,等等。
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参考文献:
[中图分类号]G640[文献标识码]A[文章编号]2095-3437(2013)08-0015-03
一、引言
数学不以客观世界的某一领域、过程或对象作为研究目的,故数学不能算自然科学;数学显然也不属于人文学科,这种矛盾性体现了数学逻辑性的思维和人文性的统一,数学教育应兼顾两者。数学教育的重要任务是要有助于完善学生的自我全面发展。德国数学家格瑞斯曼说:“数学除了锻炼敏锐的理解力,发现真理之外,还有另一个训练全面考虑,科学系统的头脑的开发功能。”数学文化的出现是顺应数学素质教育的产物,是对数学教育模式的改革。
“数学是一种文化”的观点是20世纪60年代美国学者怀尔德提出的。“数学文化”一词首次出现在中国是20世纪90年代。2001年南开大学率先开设了针对普通本科生的“数学文化”课,现已成为国家级精品课程。2003年,教育部颁布了新的“普通高中数学课程标准”,其第三部分单独安排了“数学文化”板块。自此以后,各高校相继开设数学文化课,探讨“数学文化”在新教育改革和促进大学数学教育中的作用的论文大量出现。关于数学文化的课程建设研讨会已经召开了两届,充分肯定了数学文化在提高大学生数学素质方面的作用和意义。
二、数学文化和数学素养
数学文化有两种解释,狭义的数学文化是指数学的思想、精神、方法、观点、语言,以及它们的形成和发展;广义的数学文化除具有狭义的内涵以外,还包含数学家、数学史、数学美、数学教育、数学与社会的联系、数学与各种文化的关系等等。面对本科生所讲的数学文化,一般是指狭义的表述。
如今,“数学是一种文化”的观点已被中国的数学教育界认同,它体现着文理交融。从文化角度分析,“数学是一种文化”包括人类在数学活动中所创造的两种结果。一是静态的,例如数学的概念、知识、方法等,以及其中所蕴含的真、善、美的客观因素;二是动态的,包括数学家的信念品质、价值判断、审美追求、思维过程等深层次的思想创造过程。静态和动态的结果以及它们所包含的各个因素之间的交互作用,构成了完整而庞大的数学文化系统。
什么是数学素养?通俗地说就是:把所学的数学知识都排除或忘掉后,剩下的东西。那么剩下的是什么呢?例如,从数学角度看问题的出发点、严密地求证、简洁和准确地表达问题、逻辑推理、合理简化所从事工作的能力等。
三、开设公选课的不足和解决办法
受到大学扩招的影响,理工科院校具有学生多、数学课授课任务量大的特点,大多数理工科院校只能开设数学文化公选课。例如作者在学校开设了《数学文化》公选课,共32学时,每次选修人数约150人。教材选用顾沛教授的《数学文化》,再融入作者感兴趣的一些内容和对数学文化的理解。学生对于《数学文化》课的反响是好的,但由于受到学时和人数的限制,很多精彩的内容没有时间上,很多学生也选不到此课。受到大学基础课总学时的限制,不可能对所有的学生都开设《数学文化》。本校在这方面的不足也是很多兄弟理工科院校的通病。理工科院校通过开设数学文化公选课来提高学生的数学素质和人文修养在目前还仅是理论上的可能,对全体学生并无多大的帮助。此外,因为是公选课,多数学生上课本着应付的态度,能认真听讲、思考、解决老师所留问题的是少数,多数学生只想拿到两个学分了事。以上所列因素都使得理工科院校以开设数学文化公选课的形式来提高学生数学素养的效果打了折扣。
考虑到高等数学、线性代数和概率论与数理统计是理工科院校的三门主干基础课,这三门课一般需要学生三个学期的时间来学习,具有授课时间长、学时多的特点。就课程内容来说,三门课内容多,包含的数学思想、方法丰富。需要特别提到的是《高等数学》,它将现代微积分的内容都融入进去了,其本身包含了极限、逼近、集合论、无穷、归纳等数学思想。如果能在三门课的授课过程中,融入数学文化,让学生了解数学的思想、发展、思维模式以及解决问题的方式等,那么必将对提高学生的数学和文化素质有很大的帮助。
综合上面的分析可得,通过开设数学文化公选课来提高学生的数学素养在学时、授课内容以及受益人数上有很大的不足。将数学文化融入理工科大学的三门主干基础课,对提高大学生的数学素养来说更具有可行性。
四、加强数学文化教育的必要性
第一,加强素质教育,实行文理交融的教育模式的必然结果。中国实行的是文理分科教育,从高中时候起,学生就分成了文科和理科,大学的专业设置也按文理科进行设置。理科生在高中接受的文科教育就不多,在大学接受的文科知识也较少。分科教育的结果就是理科生文科知识欠缺。数学是文化,是人类文明的重要基础,它包含着丰富的人文文化。学习数学文化,能促进学生的科学素质和人文素质,促进文理交融和学生的全面发展。
第二,提高学生人文素质的必然要求。人文素质,是指由知识、能力、情感、意志等多种因素综合而成的一个人的内在品质,表现为一个人的气质、人格、修养。人文素质教育主要通过吸取优秀的文化成果,让学生学会善良、宽容、刚强、不屈不挠和献身等美好的品质。人文素质教育和建设和谐社会的要求是一致的,是教育对学生只重视考试能力,不注重人格培养的修正。数学文化是人类文化的重要组成部分,在人文素质教育方面有着不可替代的作用。众所周知,数学家的献身、执着以及专注的精神是无与伦比的。数学天才牛顿就因专注于数学,而错过了两次结婚的机会。第一次是牛顿在剑桥大学求学期间,到乡下躲避鼠疫,与自己23岁的表妹心心相印。然而,牛顿生性腼腆,未能及时表达出自己的爱意;又因牛顿回到了剑桥后,钟情于数学,不重视自己的个人生活,很快忘记了自己的表妹。牛顿的表妹在长久的等待中心灰意冷,终于嫁给他人。后一次恋情更有戏剧性,有一次,牛顿轻轻握着自己中意姑娘的手,含情脉脉注视着姑娘,就在将要有什么事情发生的千钧一发之际,牛顿的心却莫名其妙地想到了无穷小量的二项式定理。结果是姑娘离开了牛顿,牛顿也决定终身不娶。三十岁执掌英国数学界牛耳的大师哈代也是一辈子不结婚。他有一个习惯,无论到哪里住宿,都是先用毛巾把旅馆的镜子盖住,他不想因为关注容貌而浪费时间。不同数学学派之间的宽容是有目共睹的,支持欧式几何学的人并没有与支持非欧几何学的人相互争论,反而在一起相互生存,相互发展。阿尔布斯纳特・约翰(Arbuthnot John)说过:“数学能唤起热情而抑制急躁,净化灵魂而使之杜绝偏见与错误。恶习乃是错误、混乱和虚伪的根源,所有的真理都与此抗衡。而数学真理更有益于青年人摒弃恶习。”
第三,数学素质能提高学生的美学欣赏力 。波莱尔说:“数学是一门艺术,因为它主要是思维的创造,靠才智取得进展,很多进展出自脑海深处,只有美学标准才是最后的鉴定者。”科学求真,人文求善,真和善又都导致美。美,具有文化的属性,而数学是美的,数学的美表现数学思想深刻之美。例如黄金分割的再生性、“等于”的思想和逼近的思想都体现着数学的美。数学是人们求真、求善、求美的殿堂,柏拉图言:“几何把我们的灵魂引导到真理面前。”数学是静谧、深奥和典雅的音乐,其书写语言和符号是理性的音符,数学追求美,创造美,数学与艺术的结合更加灿烂绚丽。理解数学的美,必将提高理工科大学生美学欣赏力。
关于提高学生的数学文化教育的意义已在多篇论文中阐述,在此不再赘述。
五、数学文化教育的具体策略
第一,重新编写三门基础数学课(高等数学、线性代数和概率论与数理统计)教材,将数学文化融入新教材中。随着教育大众化时代的到来,现在的大学生在知识和能力水平、学习动机、精力投入等方面与精英教育时代相比,差距很大。中国传统的数学教材来源于前苏联时代,有很强的研究色彩。少数学生通过投入大量时间和精力,会获得超强的计算能力、深厚的数学基础。但是大多数学生会感觉听不懂、学不会。新编的教材应以学生为本,在保留教育部规定的教学内容后,应加强数学内容的思想性、方法性;从文化的角度阐释数学内容,引入数学的应用背景;降低数学抽象所带来的难度,适当融入数学建模的方法,介绍最新的数学软件和编程方法。新教材应体现数学的亲和力,注重对学生个性化能力的培养。
第二,教师在教学过程中应重点阐述数学思想,少些复杂的运算过程。大多数数学老师授课方式都是采用先介绍定义,定理,然后给出证明,最后给出一两个例子结束。至于为什么要有这个定义、定理及其包含的数学思想就基本不讲了。这种教学方式使得学生是被动地接受知识,结果就是学生越学越糊涂,以至最后放弃数学。通过阐述数学思想,解释定义、定理出现的原因,能够使得学生明白“为什么”,体会到学习数学的乐趣。例如在讲授微积分的中值定理时,可按照认知规律从特殊到一般来介绍罗尔定理、拉格朗日定理和柯西定理及其包含的数学思想。
第三,教学过程中,适当加入数学史,讲发展和过程,讲数学体现的文化内涵,包括存在的问题,展望前景,让学生学会思考,学会提出问题。
数学是一个连续性很强的学科,任意一个知识点必有其源头,必有若干数学家在此方面做出过重要贡献。通过介绍数学史,能让学生明白众多数学家为此付出的努力,让学生明白做人做事的道理。讲数学知识点的发展和过程,能让学生体会数学的逻辑和思考问题的方式,理解发展过程中出现的问题,学会思考和提出问题。
第四,教师应揭示数学与生活、数学和其他学科的联系,展示数学的应用价值,吸引学生的学习兴趣。学生不重视数学的一个重要原因就是尽管数学在现代社会有着广泛的应用,但这些应用却鲜为人知。例如,搜索引擎如何在浩瀚的互联网上找到所需要的网页,如何计算炮弹的弹着点,在面临选择时,如何运用概率论的知识增加自己成功的机会等等,这些都需要大量的数学知识。如果在上课的过程中能展示数学的应用价值,必将大大吸引学生的学习兴趣。
最后,以上这些能够实现,都需要一个前提,那就是教师本身的数学文化素养达到一定的高度,熟悉数学史、了解数学有哪些思想、方法等等。因此,加强授课老师数学文化修养就很重要。这不仅需要教师努力提高自身的数学素养,还需要学校为他们提供学习交流的平台。
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1. 教学方式和教学方法过于传统
在高中数学教学中,教师通常忽视学生的真正需求,仅仅进行教学内容的传授,将教师作为课堂教学主体,进行“填鸭式”的教学方法,导致课堂气氛过于压抑,不利于激发学生的学习热情.在教学过程中,缺少师生之间的互动和交流,教师不注重数学文化的渗透,严重影响学生创新意识、自主学习意识、团队合作意识的培养,也限制了学生运用数学知识解决实际问题能力的提高.
2.教学内容缺乏创新和拓展
在数学教学过程中,教师没有将数学知识和数学文化进行有机融合,影响了学生的学习兴趣.由于教材中的数学知识不够生动形象,教师在教学过程中又缺乏对教学内容的创新和拓展,使数学知识和数学文化之间没有建立联系,导致学生的数学思想无法得到充分发挥,一定程度上抑制了学生数学素质的培养.
3.教学评价不够具体
教学评价结果,能够反映学生的学习情况,数学知识的掌握情况,同样能够反映出教师的教学情况.教学评价主要依据是教学目标,通过对教师教学工作的考查、分析和评价,判断教师的教学质量.然而目前教学评价的内容相对简单,很难全面地了解教师的教学情况和学生的学习情况,对于数学文化的渗透教学评价中也没有体现,不利于学生树立正确的数学观.
二、高中数学教学中渗透数学文化的策略
1.结合数学教材,创设教学情境
在苏教版高中数学教材中,每个章节开头都会有一个图,章节的引言中还会出现数学家的名言,教师可以利用教材中的数学信息,创设与教学内容相关的教学情境,吸引学生注意力,帮助学生了解中国的数学文化,增强学生对于数学学科的喜爱.
例如,在讲“钢琴与指数函数”时,教师可以通过优美的钢琴曲引入教学内容,介绍钢琴的高音频率和琴弦长度,建立函数关系y=2x,画出指数函数曲线.学生进行乐曲欣赏的同时,加深了对指数函数的印象,有助于提高指数函数的教学效果.
2.在应用数学知识的过程中渗透数学文化
数学知识的发展和形成,不仅是一种解题方法,还蕴涵着数学文化的演变过程.在教学过程中,教师不仅传授数学知识,还应该帮助学生了解数学知识的由来、发展和演变,使学生全面了解并掌握数学知识.
例如,在讲“无理数”时,教师可以引入无理数发展史,增强学生对于数学知识的好奇心理,激发学生的学习热情,促使学生对无理数的特点和性质进行深入探讨.教师还可以通过分组的形式,为学生提供沟通交流的机会,促进学生之间的相互学习.然后通过反证法和变式训练等方式,强化学生的思维模式,使数学文化得到有效渗透,从而提高学生的学习效率.
3.在掌握数学概念的基础上渗透数学文化
数学知识的掌握和运用,需要理解数学概念.在高中数学概念教学中,教师要适当地渗透数学概念的内涵、本质和相关的拓展内容.教师可以通过诗词的引入,具体讲解数学概念.
例如,在讲“仰角、俯角”时,教师可以引入诗人李白《静夜思》中的“举头望明月,低头思故乡”,通过“举头”代表仰角,“低头”代表俯角,引发学生的思考,促使学生通过诗句更好地理解数学概念,从而提高教学效率和教学质量.
4.在课外实践活动中渗透数学文化
关键词:数学文化;科学价值;应用价值;人文价值
中图分类号:G632 文献标识码:B 文章编号:1002-7661(2013)28-188-01
数学是人类的一种文化,体现数学教育的价值,成为数学课程改革的基本理念之一。新的课程改革促使我们再一次来反思数学教育中的文化价值体现,数学应该作为一种文化走进课堂,渗入实际数学教学,努力使学生在学习数学过程中真正受到文化感染,产生文化共鸣,体会数学的文化品位。这就是要求数学学习的内容在范围、题材和呈现方式上更多地反映社会现实,联系学生生活实际以及数学的现实和历史,让数学课堂充满生命活力。如何让数学文化的价值融入中学数学课堂?以下是我在实践中进行的一些探讨。
一、数学文化的“科学价值”――通过数学文化丰富数学课堂,激发学生学习数学的兴趣
“数学原本是有趣的。作为一名学生,不以这样的心情去学习是学不好数学的。作为一位教师不能激发起学生的学习兴趣,就不是好老师。”兴趣是推动学生学习的内在动力,它决定着学生能否积极、主动地参与学习活动。在新的教育理念下,培养学生学习数学的兴趣,使其变被动学习为主动学习已成为数学教学的目标之一。
(1)在数学教学中融入数学史充实教学内容。数学史是研究数学概念、数学方法和数学思想的起源与发展的一门学科。它记载了各时期数学家的数学成就及各种数学研究的思维方法。例如被开普勒誉为几何学两大法宝之一的勾股定理在古代中国、希腊、印度、阿拉伯以及近现代欧洲都有证明,其中毕达哥拉斯、欧几里得、赵爽(3世纪)、刘徽(3世纪)等人的证明方法都非常精彩,完全可以引入课堂教学。
历史上利用几何图形证明数学公式的方法更是妙不可言,将其引入课堂教学,不仅能够帮助学生直观地理解数学公式,还能使他们感受到数学的美。
在教学中,教师若能适当将数学史有机结合于教学,便能使课堂教学丰富多彩,使学生的思维得到启迪,能力得到更好的训练。
(2)插入数学家的故事或数学名题等活跃课堂气氛
许多学生不喜欢数学是因为他们觉得数学课枯燥无味。如果我们在数学课堂上能适当插入数学家的故事或数学名题,不仅能活跃课堂气氛,激发学生学习数学的兴趣,还能使学生在轻松愉快的学习中扩展知识面,更重要的是促进了学生的数学思想水平的提高。
同时,还可以布置一些与教材内容相适合的阅读材料,拓宽学生的知识面,培养学生学习数学的兴趣,从而改变学生旧有观念。如:学习解析几何前,让学生阅读笛卡尔生平;在学习勾股定理时,让学生阅读毕达哥拉斯定理的发现,以及中国古代的弦图等。
二、数学文化的“应用价值”――通过数学文化培养学生“用”数学的能力
数学活动是培养学生“用”数学的能力重要途径。《数学课程标准》中关于数学教学活动是这样要求的:教师要向学生提供充分从事数学活动的机会,帮助他们在自主探索和合作交流过程中真正理解和掌握基本的数学知识和技能、数学思想和方法,获得广泛的数学活动的经验。因此,学生在老师的指导下所进行的以拓展数学知识、培养数学能力、提高数学素养为目的数学活动,可以引导学生更好的体验数学、理解数学、运用数学,激发他们的创新意识,培养他们科学探索精神,启迪科学思维,开拓知识视野。开展数学活动的方法与途径主要有以下几种:
(1)开展数学讲座和数学竞赛。
(2)创办学生自己的刊物。
(3)进行初步数学建模实践活动。
(4)进行数学小论文评比。
为什么要开设数学课?也许最简单的一个理由就是“有用”。正如“学以致用”是我们一直所倡导的。有些教师理解数学在实际生活中的应用,常常是干巴巴的几道应用题,所选题材也常常让学生感觉数学距生活依然遥远。我们强调应用是要培养学生用数学的意识,学会用数学的理论、思想和方法分析解决其它学科问题和生活、生产实际问题,真正体现数学的应用价值。
三、数学文化的“人文价值“――通过数学文化实现数学教育的德育功能
数学作为一种文化,其重要性不仅在于它与其它学科有着重要的联系,以及它在社会实践中有着广泛应用,更重要的是数学的学习能训练人的思维,完善人的个性品格。数数学教育作为学校教育的重要组成部分,以它独特的风格,承担着德育的任务。
(1)爱国主义教育。从《九章算术》到《陈氏定理》,都是极具说服力的史料,都是向学生进行爱国主义、民族自尊、勤奋自强的思想教育的好素材。中学数学课本中多次涉及数学家、数学发现、数学方法等方面的内容,并以习题、注解、课文、附录等多种形式出现。这些内容都是进行爱国主义教育的生动素材。例如:刘徽的“割圆术”,祖冲之的“圆周率”,杨辉三角,华罗庚教授发起、推广的优选法等。这些真实典型的数学史实不仅可以激发学生强烈的爱国热情和民族自豪感,而且也激励起学生学习的进取精神。
(2)辩证唯物主义教育。教材内容中充满了辨证唯物主义观点,教师可利用教材中极其丰富的辨证唯物主义内容,有的放矢的对学生进行辨证唯物主义教育,运用此观点、立场和方法传授知识,有助于学生形成科学思维方式和正确的世界观。如“已知与未知”、“相等与不等”、“有限与无限”、“分析与综合”等都充满着“对立与统一”的辨证关系。
(3)个性品质方面的教育。数学精神是指在数学发展过程中凝结并体现出来的人类精神。数学教育必须充分揭示数学与人类文化的联系、数学精神与人类精神的联系,方能达到其应有的德育功能,培养学生的个性品质。数学精神主要包括以下几个方面:数学的理性精神;数学的求真精神;数学的创新精神;数学的合作精神。
四、对“数学文化“的思考
新一轮课程改革无疑是对传统数学教学的挑战,从理念到内容,从方法到模式,蕴含着古今中外杰出数学人才成长史、数学演变史、数学思维发展史。。在中学数学教学中渗透数学文化,进行数学愉快教学,让学生学会体验、欣赏数学,是中学数学教学必须承担的任务。
作为一名新形势下的数学老师,对数学文化的研究应该更加深入。在平时的教育教学中,合适而巧妙地让数学文化走进课堂,渗透到实际数学教学中,充分体现数学文化的科学价值、应用价值、人文价值,让学生在学习数学过程中寻求数学进步的历史轨迹,激发对于数学创新原动力的认识,真正受到文化感染,产生文化共鸣,体会数学的文化品位。当数学文化的魅力真正渗入教材、到达课堂、溶入教学时,数学就会更加平易近人,数学教学就会通过文化层面让学生进一步理解数学、热爱数学,进而领会数学的美学价值,从而提高学生的数学素养和创新意识。
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古老的中华民族早就有数学文化的传统,并闪闪发光,而我们在初高中所接触的数学却是丝毫提不起学生的精神,那我们的数学教育究竟有什么问题呢?为什么在别人的眼里我们国家的数学教育是那么成功,而我们国人却把我们的数学教育批评得一文不值、学生学得那么痛苦?通过学习数学文化这门课,我对这个问题有了深入的思考。
很多中学生认为数学不好,没什么用,只是考试的工具,每天把他们的头都学疼了。是我们的数学无用无趣,还是我们的学生意识不到数学的价值与乐趣?以前的我,也是对数学厌烦,没有好感,像很多学生一样,只是迫于高考才学习数学。但是自从学了数学文化这门课后,我才知道原来数学这么有价值、有用,而且历史悠久。数学的魅力让我赞叹。蜗牛、波浪、植物、蜘蛛网、建筑物,几乎一切事物都有数学的影子。数学无处不在。有了数学才让建筑物妙不可言,有了数学才让预测如此准确,有了数学才让科学的宝塔如此坚固。我们的哲学家赞美数学,我们的科学家喜欢数学,可是怎么才能让我们的中小学生热爱数学呢?
数学作为一种文化,它不仅仅包括我们中小学生每天接触的加减乘除,还包括其他宝贵丰富的内容。例如,数学精神,它也是数学文化的一部份。日本数学家、数学教育家米山国藏就曾提出过七种数学精神,其中包括应用化的精神、扩张化的精神、系统化的精神、致力于发明发现的精神、统一建设的精神、严密化的精神以及思想经济化的精神。[1]虽然说我们不能完全体会到数学的所有精神,但是数学所具有的独特的精神足可以让我们赞叹不已。没有一个学科可以像数学这样言简意赅却严密、不可击破。我们要学会欣赏数学这种简单、严密的美。这就要求我们教育工作者,不仅仅教授我们学生那些运算、定理,还要传递给我们学生数学的精神、数学的美。记得上数学文化课时,梅老师曾说:“我们的传统数学教育的一个弊端就是向我们的学生提供的更多的是符号变换方面的知识与技能。”其实,我们完全可以去教给学生那些知识,但是当我们在教的时候,应该引导学生去欣赏数学的美。数学有了符号去抽象表达事物、定理,数学就有了这种简单、朴素的美。我们知道一种知识它越抽象,它就越具有概括性与普适性,也就越有用、越高级。当我们的学生学会欣赏数学的这种简单美,他也就不会那么讨厌数学了,同时,我们的数学教育也会更进一步。数学家的理性思维、锲而不舍的探索精神也是值得学生去学习的。例如,欧拉是科学史上最多产的一位数学家,他十九岁开始,直到七十六岁,他一生共有八百多本著作和论文。他三十一岁右眼失明,晚年视力极差,最终双目失明,也没有停止对数学的研究与创作。如果我们的学生了解了欧拉,再来学习他的公式定理,那么我们的教学一定会取得成功。[2]学生要在数学这块土壤上汲取的营养太多太多,而不仅仅是课本上的定理。数学文化需要去丰富我们的数学课堂,我们的数学教育要多方面开展。
数学作为一种文化,它有着悠久的历史。从古至今,在这漫长的时间旅途中,出现了多少数学伟人,创造了多少有利于人类发展的文明成果。例如,欧拉公式和欧拉解决的著名哥尼斯堡七桥问题,黄金分割比的发现,我们中国的祖冲之与他的圆周率、刘徽的割圆术等等这些数学成果都为我们人类的文明发展做出了卓越贡献。就像我上高中时一样,有很多学生和我一样都不知道数学这些悠久灿烂的文明以及它们的重大意义。其实,每一次数学的重大发现,都会推动历史的脚步向前发展。我们的学生要更多地了解数学的历史,了解数学家的事迹,了解那些对我们有过重大意义的数学发明发现。历史是一面镜子,如果我们不知道历史,我们就会对现在的东西不相信,不感兴趣,不珍惜。如果我们知道了它的历史,我们就会更好地认识今天的事物,去珍惜、学习它。我们的教师要多让我们的学生了解数学的历史,给学生们提供学习的机会。例如,在高一数学第一章《集合与函数概念》时,我们的教师可以先插入康托创立的集合论的历史知识。这样的教学,就会改变传统的一味授受知识的境况,不仅教师讲得有趣,学生听得也有味。虽然说这样的教学好,但是这给我们的教师带来了难度与挑战,所以很多教师即使知道这样好也不愿意这样做。我们的教育者要真正担负起教书育人的职责,既然你来当教师,你就要对你的学生负责,对你自己负责。不要应付教学的差事,而是要在平常课余时间多看些有关自己科目的书,了解一下它的历史,它的名人趣事,这样才会在教学时有话可讲。我们的学生才会愿意听课,愿意学习,这样才能使我们的数学课堂生气盎然。
数学作为一种文化,它的作用、价值无处不在。我们要让学生了解数学的价值,从而给予他们学习数学的动力。可以这样说,如果一个人不懂得数学,不懂得数学文化,他将不能在未来这个世纪生存。数学促进了整个社会的发展,同时社会的发展离不开数学。数学被应用在各个领域,艺术品的设计、建筑物的创造、国家财政的预算、统计工作的完成都离不开数学。我们的学生知道了数学的价值如此之大,他就会自觉自动地去学习数学了。当学生看到了他所要学习的东西的效益,他就会对它抱以积极的兴趣。那么就需要我们的教育工作者在传递知识的同时,还要向我们学生展示数学的价值。比如我们在讲授数学知识时,可以联系生活中的实例来激发学生的学习兴趣,例如购房分期付款问题等。总之,数学教育就是要贴近生活、贴近自然,让学生自己去体会数学的价值。没有数学的创新,也就没有科技的创新。我们的教育工作者也可以在上课时多教授学生依靠数学科技进步的例子,让学生认识到数学的巨大价值,意识到数学离我们不远,数学就在我们身边。同学们可以自己利用数学去创新,可以是在学科内部,也可以是跨学科的,我们现在就可以学以致用。如果我们同学都意识到这一点了,我们民族也就有了希望。
年过花甲、有着四十年教龄的天津著名教师王连笑曾经说过:“数学不仅是计算、解题,数学中还包括学科思想文化、科学的思维方法以及人生哲理。对于学生来说,这些比数学知识本身更重要。教师不可能将每一个学生都培养成数学家,但是可以做到使每一个学生学会欣赏数学之美,感受数学带来的快乐。作为一名数学教师,不仅要教会学生数学的理性思维,更应将美好的人类情感交给学生,滋润学生的心灵。”[3]是的,我们的数学教育并不是把学生都培养成数学家,我们的教育工作者要开阔学生的视野,丰富课堂教育,提高我们学生对数学的认识,增强他们对数学的好感。
小结
我们国家今天的中小学生数学基础教育已经很成功了,人们都说我们到任何一个国家去,我们国家的小孩数学过硬。但为什么我们的数学教育不好呢?我们的数学教育缺的已不是那些加减乘除,缺的更多的是数学精神、数学思维、数学方法。数学文化需要灌注课堂,课堂需要数学文化。只有充满了数学文化气息的数学课堂才是飞舞的,洋溢着活力的。
参考文献:
本校中学部十名数学教师及本年级六个班的220名同学,其中119名男生,101名女生.
(二)调查数据分析
教师问卷调查数据分析:1.你了解数学史吗?非常了解10%,基本了解80%,稍微了解10%.2.你在平常的教学中渗透数学史吗?经常渗透20%,偶尔渗透80%,从不渗透0%.3.你觉得数学史融入课堂教学有必要吗?非常有必要20%,必要70%,没必要10%.4.你认为将数学史融入数学课堂教学这项工作实施最困难的原因是什么?考试不考,课程标准没有明确提出40%,日常教学任务重,教学时间紧张50%,初中生年龄太小,渗透数学史没必要10%,其它0%.学生问卷调查数据分析:1.你了解数学史吗?非常了解0%,基本了解0%,稍微了解63.29%,不了解36.71%.2.你的老师在平常的教学中渗透数学史吗?天天渗透0%,经常渗透15.94%,偶尔渗透55.90%,从不渗透28.16%.3.你觉得老师将数学史融入课堂教学有必要吗?非常有必要27.27%,有必要60.45%,随便10%,没必要2.28%.4.你认为将数学史融入平常的课堂教学,起到的作用中最重要的是什么?更加激发自己学习数学的兴趣35.27%,加深了对数学概念的理解,更能从本质上了解数学15.60%,拓宽视野,全方位的认知和理解数学20.65%,提高数学文化修养,形成良好的数学素养23.44%,其它5.04%.
(三)由数据总结出的结论
大多数教师,意识到了数学史的有用之处,但是碍于现在一线教师的教学升学压力,无法将数学史在日常的课堂教学中很好地渗透.而学生对数学史引入课堂持积极、欢迎的态度.他们认为这样一来能够增强数学教学的有趣性,改变以往数学教学的呆板、枯燥的状态;二来有助于自己全面了解数学,提高自己的数学文化修养,来增强自己的数学素养.由此可见,我们多数的数学教师,只是把自己定义为一名数学知识的传授者,而没有把自己定位成数学文化的传播者.我们忽略了教育本身的实质,也误解了数学这门课程设置的意义与目的.教育的实质是通过发展人,来发展社会.而数学课程的设置从宏观上来讲也是为了发展人,从微观上讲是为了培养人的思维,发展人的技能与能力.数学史恰好就是一部数学思想方法发展史,它记录了人类在数学方面思维进程的记录,学习数学史,实质就是继承前人优秀的数学思想.美国数学史家M•克莱因说过,“数学是一种理性的精神,正是由于这种精神,激发、促进、鼓舞并驱使着人类思维得以运用到最完善的程度”.
二、实施过程的三个注意点
1.适合的才是最好的
数学史的引用最忌生搬硬套,脱离实际教学.我们应该学会见缝插针,要将数学史的知识与自己所传授的知识有机结合起来,这样才能起到辅助教学的目的.
2.切勿喧宾夺主,本末倒置
数学史的引用,是为了辅助课堂教学,是加餐而非正餐.每节课我们都有教学目标,教学任务.我们不能因为为了渗透数学史,而耽误日常的课堂教学.我们应该把数学史的渗透当成常态化的任务在课堂教学中实施,不急于一次,也不急于一时.
3.多环节渗透
很多数学老师误以为,渗透数学史,就是在课堂引入的环节,介绍相关的数学家及故事,如同语文中的作者及写作背景一样,亦或者在涉及到有关解法时,介绍前人的一种思想.数学史应该是通过适当的手段,应用于我们教学中的多个环节.
本校中学部十名数学教师及本年级六个班的220名同学,其中119名男生,101名女生.
(二)调查数据分析
教师问卷调查数据分析:
1.你了解数学史吗?非常了解10%,基本了解80%,稍微了解10%.2.你在平常的教学中渗透数学史吗?经常渗透20%,偶尔渗透80%,从不渗透0%.3.你觉得数学史融入课堂教学有必要吗?非常有必要20%,必要70%,没必要10%.4.你认为将数学史融入数学课堂教学这项工作实施最困难的原因是什么?考试不考,课程标准没有明确提出40%,日常教学任务重,教学时间紧张50%,初中生年龄太小,渗透数学史没必要10%,其它0%.学生问卷调查数据分析:1.你了解数学史吗?非常了解0%,基本了解0%,稍微了解63.29%,不了解36.71%.
2.你的老师在平常的教学中渗透数学史吗?天天渗透0%,经常渗透15.94%,偶尔渗透55.90%,从不渗透28.16%.3.你觉得老师将数学史融入课堂教学有必要吗?非常有必要27.27%,有必要60.45%,随便10%,没必要2.28%.4.你认为将数学史融入平常的课堂教学,起到的作用中最重要的是什么?更加激发自己学习数学的兴趣35.27%,加深了对数学概念的理解,更能从本质上了解数学15.60%,拓宽视野,全方位的认知和理解数学20.65%,提高数学文化修养,形成良好的数学素养23.44%,其它5.04%.
(三)由数据总结出的结论
大多数教师,意识到了数学史的有用之处,但是碍于现在一线教师的教学升学压力,无法将数学史在日常的课堂教学中很好地渗透.而学生对数学史引入课堂持积极、欢迎的态度.他们认为这样一来能够增强数学教学的有趣性,改变以往数学教学的呆板、枯燥的状态;二来有助于自己全面了解数学,提高自己的数学文化修养,来增强自己的数学素养.由此可见,我们多数的数学教师,只是把自己定义为一名数学知识的传授者,而没有把自己定位成数学文化的传播者.我们忽略了教育本身的实质,也误解了数学这门课程设置的意义与目的.教育的实质是通过发展人,来发展社会.而数学课程的设置从宏观上来讲也是为了发展人,从微观上讲是为了培养人的思维,发展人的技能与能力.数学史恰好就是一部数学思想方法发展史,它记录了人类在数学方面思维进程的记录,学习数学史,实质就是继承前人优秀的数学思想.美国数学史家M•克莱因说过,“数学是一种理性的精神,正是由于这种精神,激发、促进、鼓舞并驱使着人类思维得以运用到最完善的程度”.
二、实施过程的三个注意点
1.适合的才是最好的
数学史的引用最忌生搬硬套,脱离实际教学.我们应该学会见缝插针,要将数学史的知识与自己所传授的知识有机结合起来,这样才能起到辅助教学的目的.
2.切勿喧宾夺主,本末倒置数学史的引用,是为了辅助课堂教学,是加餐而非正餐.每节课我们都有教学目标,教学任务.我们不能因为为了渗透数学史,而耽误日常的课堂教学.我们应该把数学史的渗透当成常态化的任务在课堂教学中实施,不急于一次,也不急于一时.
3.多环节渗透很多数学老师误以为,渗透数学史,就是在课堂引入的环节,介绍相关的数学家及故事,如同语文中的作者及写作背景一样,亦或者在涉及到有关解法时,介绍前人的一种思想.数学史应该是通过适当的手段,应用于我们教学中的多个环节.
三、对数学史融入数学课堂教学的展望与设想
将数学史融入初中的课堂教学,这是以后数学教学发展的趋势,也是实施素质教育的体现.数学教育的目的是通过培养使学生养成一定的数学素养,来起到发展人,乃至发展社会的目的.如何将数学史较好的融入我们的课堂教学,我相信这是我们从事数学教学人的责任与义务.在此,我有一些设想与建议.
(1)在以后的教学中,每天给学生欣赏一条关于数学的名人名言,可以是关于数学概念、数学本质、数学方法、数学思想等等的.
(2)每周开辟一节课,讲学生感兴趣的又可以启迪思维的数学史内容,以趣味性、启发性的故事,去感染学生,真实地让学生感受到数学有趣、数学有用.
现行的中学数学教学大纲的教学目的中,除规定了具体的数学知识和基本技能外,还规定了“进一步培养学生的思维能力、运算能力、空间想象能力、解决实际问题的能力,以及数学创新意识;进一步培养良好的个性品质和辩证唯物主义观点”。就数学课程来说,数学的具体知识和能力要求可通过教材得以体现,是教学要实现的重点目标,是显性的;而后者不易被具体的数学知识所表示,是隐性的。方明一老师认为隐性目标是指:“学习的兴趣、信心和毅力,科学态度,探索创新精神以及欣赏数学的美学价值。”
实际教学中,笔者认为教学目标通常分为三个层次:一是知识目标,即本课时所要讲授的具体的数学知识,包括定义、定理、公式以及怎样运用这些定义、定理、公式解题。二是能力目标,即本课时的概念教学和解题教学中所涉及的技能技巧,这些技能技巧即为数学能力。三是隐性(素质)目标,如果把大纲中的内容细化,可分为思想方法目标、德育目标、数学人文目标.即以数学知识为载体,以数学思想方法、数学思维品质为突破口去揭示事物的本质属性(可上升到哲学层面),重视数学教育对学生的全面发展所起的作用。
应试教育与素质教育的区别就在于前者只关注显性目标,而后者关注两种目标的统一。
数学教学中隐性目标的意义有:一是突出数学思想方法对理解数学知识、解决数学问题的指导作用(具有方法论意义);二是体现数学作为一种文化的特点,把数学中具有文化共性的内容、思想、方法揭示出来,让学生感悟到数学在人类进步中所起的巨大作用。
一、注重数学思想方法的渗透,使学生成为会归纳、抽象和善于类比的人。
数学思想是人们对数学内容的本质认识,是对数学知识和数学方法的进一步抽象和概括,属于对数学规律的理性认识.而数学方法则是解决数学问题的手段,具有一定的可操作性.同一数学成果,当用它去解决别的问题时,就称为方法;当论及它在数学体系中的价值和意义时,则称为思想.要将数学思想和数学方法区分开来是困难的,于是人们把它们统称为数学思想方法。课堂教学中既要重视它的解题功能,也要重视它的文化功能。
如整体思想贯穿于数学教学的全过程,从小学加减法中的加数合并到一起,减数合并到一起到初中的合并同类项、解方程(不等式)的换元法、各种代(变)换等.这种思想折射到电子技术中便有集成电路,折射到管理学中便有1+1>2,通俗地说,“团结就是力量”。这些可看做是数学中整体思想在社会生活中的运用。
数学思想方法的重要作用是让学生学会解数学题,这是目前师生对数学思想方法感兴趣的主要原因。若教师对问题的分析鞭辟入里,学生则觉得这样的解题思路是合情合理的,即使是特殊的解法,也是智慧的结晶,体现了数学思想方法的重要性.不重视数学思想方法的数学教学常被异化为解题“训练”。学生只知其然,不知其所以然.必然会影响学生学习数学的主动性和积极性。
数学教学中不仅要把一些解题规律和程式化的做法归纳提炼成思想方法,还要善于把数学思想类比到日常生活中,在教育上的作用是使学生能数学地思考问题,使数学教育的文化价值得以体现。这要靠老师恰当的点拨与引导,也是学习数学的根本原因。数学思想方法在教学中出现频率高、实用性强,应不失时机地抓住教育机会。
二、注重德育教育的渗透,把学生培养成求真务实的人。
陶行知先生说:“学校教育千教万教,教人求真。”数学学科中德育教育的主要内容有:辩证唯物主义、美育、爱国主义、人格教育.其目的在于运用数学知识,使学生能初步运用辩证唯物主义观点认识世界。通过古今数学成就的介绍培养学生的爱国主义思想、民族自尊心和自信心。通过数学问题的发生和解决过程的教学,培养与锻炼学生知难而进的坚强意志,败而不馁的心理素质,一丝不苟的学习品质,勤于思考的良好学风,勇于探索的创新精神,实事求是的科学态度。数学课中有丰富的素材可用于对学生进行德育教育。
坐标轴的平移是教育学生思想解放的好机会。在此之前学生已习惯于平移图象(曲线),是以坐标轴为参照系,现在要平移坐标轴,岂不“太岁头上动土”?坐标平移不仅是技术问题,更是思想观念问题.不突破平移图象的旧思想的束缚,就不敢想象能提出坐标平移问题.在分析平移前后的位置关系中,学生发现:图象向左(右)移相当于y轴向右(左)移,图象向上(下)移相当x轴向下(上移),它们的相对位置没变.这里的变与不变揭示了事物的运动规律,学生由此可加深对唯物主义辩证法的理解。
由此可教育学生对待传统的做法,当我们感到它在某些方面有些不便时,可以想到用别的办法来试试,如果成功了,就是一种创新。关键是我们要敢于去想、去做、去碰壁、去尝试.我们教学中要留有时间给学生思考、发言,对学生的想法(不管多么幼稚甚或错误),教师都要倾听,并给予鼓励。
对学生意志等品质的培养几乎随处都可进行.当学生解题遇到困难要退却时,教师加以点拨并给予鞭策;当学生有创新的解法或想法时,教师给予褒扬;当学生解题常犯低级错误时,教师给予耐心的指导……这些对学生形成健全的人格都是至关重要的。
三、注重数学教学的文化功能,使学生做一个通晓文理的人。
数学从本质来讲是一种文化,因而数学教学首先是文化的教学。数学文化的基本特征有:数学文化是传播人类思想的一种基本方式,数学语言演变成一种世界语言;数学文化是自然与社会相互联系的一个尺度,许多重大社会问题的论证要用到控制论、数理统计、运筹学等数学知识;数学文化具有相对的稳定性与连续性;数学文化具有高度渗透和无限的发展可能性。这些功能虽然不是每堂课都能得到体现,但我们还是应尽量让学生多感受。
如极限的概念是教学的难点。若用学生熟知的“一尺之棰,日取其半,永世不竭”来引入,再借助于多媒体演示其变化趋势,则能有效地帮助学生理解极限的定义,突破这个难点.若在极限概念给出后,用“孤帆远影碧空尽,唯见长江天际流”来描述,不仅能使学生用更开阔的眼光、更高的观点来理解极限,而且还是一种妙不可言的美学欣赏。这样适度营造文化氛围的教学过程,既有利于学生理解教学内容,又有利于提高学生的文化品位,应是我们孜孜以求的。
数学归纳法可以说是“中西合璧”,是中西方两种思想的集中体现.杨振宁教授认为,中国传统文化里最重要的一点就是要追求一个“理”。用什么方法来追求这个“理”呢?就是归纳法.中国数学更着重实用,要求把问题算出来,即更重视“构造性”数学,而不追求结构的完美与理论的完整;西方文化的一大特点是崇尚理性,将数学和哲学紧密地联系在一起.西方数学强调数学的逻辑结构和整体把握及理性认识,追求严密推理的、理想完美的数学。解某些数学题,用归纳法推(猜)出结论,是中国方法,后面的归纳证明则是西方思想。
打开历史的长卷,中国五千年灿烂文化不光是诗词歌赋,还有数学这朵生生不息的奇葩。《周髀算经》《九章算术》……折射出来的不光是数学作为文化的魅力,更是对中华民族的智慧见证。充分挖掘这些数学文化的内涵,会使单薄的课堂变得有纵深感,从而增加知识的厚重度和文化意味。
教学“长方形的面积”时,我们可以增加这样的设计:你知道《九章算术》中“方田术曰:广从步数相乘得积步”中“方田”指的是什么吗?这里的“广”又是什么意思?“从”呢?
教学“圆的认识”时,不妨先出示“圆,一中同长也”。引导学生从字面得出:中,中间;同,相同;长,长度。意思是圆中间的每一条经过中点对折出来的线段是一样长的。从而引出学生对圆内所有直径、半径都相等的验证与探究。
在教学“负数”时,可以让学生了解负数的形成与发展过程,以及古往今来对于负数的书写形式等。
这样的设计,可以让学生在掌握知识技能的同时,感受中华民族数学历史的源远流长,博大精深,了解世界和中国的数学发展史,树立民族自豪感。
二、数学的耐人寻味
“或句上有句,或句下有句,或句中有句,或句外有句,说出者少,不说出者多。”(《论文偶记》)这种艺术境界就是含蓄美。千百年来,中国古代诗歌之所以为众多的读者所喜爱,其主要原因就是中国古代诗歌语言凝练,内涵丰富,具有浓厚的含蓄美。
古时曾有人在家门口贴了一副与众不同的对联:
上联:二二三三四四五;
下联:六六七七八八九;
横批:二四七三。
这是一副特殊的对联,它是由数字组成的,而且是一副隐字联,上联缺“一”、下联少 “十”,利用数字谐音连起来就是“缺衣少食”,而横批则是“儿(二)死(四)妻(七)散(三)”。原来这户人家在利用数字对联向人们诉说社会的黑暗呢!数学这份耐人寻味,不光在数字对联中有它的踪迹,在数学思考中更是将它表现得淋漓尽致。
如张聪、王仁、陈明三名教师负责五(2)班的语文、数学、英语、音乐、美术、体育六门课的教学工作,每人教两门。现在知道:①英语老师和数学老师是邻居;②王仁年龄最小;③张聪喜欢和体育老师、数学老师来往;④体育老师比语文老师年龄大;⑤王仁、语文老师、音乐老师三人经常一起做操。请判断他们三人分别教的是哪两门课程。
根据③,我们可以知道张聪不教体育和数学;根据⑤,我们可以知道王仁不教语文和音乐;根据②④,我们可以断定王仁绝对不教体育。既然张聪、王仁都不教体育,那么陈明一定教体育。再根据③,就能推出教数学的是王仁。根据④,教体育的肯定不教语文,那么就只能是张聪教语文。根据⑤,我们可以推导出陈明教音乐。然后根据①,可以知道教数学的绝对不教英语,那么既然王仁、陈明都不教英语,就只能是张聪教英语。那么最后一门美术自然是王仁教的。
用列表法揭去层层面纱,终于露出了庐山真面目。细细玩味,细细推敲,你会发现原来数学中亦有“众里寻他千百度,那人却在灯火阑珊处”的奇妙,也有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”的欣喜。
三、数学的抑扬顿挫
两个黄鹂鸣翠柳,一行白鹭上青天。
窗含西岭千秋雪,门泊东吴万里船。
这首诗中的数词:“两”对“一”,“千”对“万”;颜色词:“黄”对“白”,“翠”对“青”;方位词:“西”对“东”。所以历来被誉为对仗极工整的一首绝句。
诗词中有“对仗”,数学中有“对称”“平移”“旋转”……大自然中还蕴涵着许多数学的美。如花瓣的瓣数、向日葵的花盘、音乐的和声、行星的轨迹、黄金分割比例……这一切中无不透出数学的美。
如在学习“比的意义”时,可以让学生充分感受黄金比例的美和它的无处不在。它在我们的身上,在数学书封面里,在16K、A4、8K纸上,在《蒙娜丽莎的微笑》油画里……
一、数学文化的定义
从狭义上讲,数学文化是指数学的思想、精神、方法、观点、语言,以及它的形成和发展;从广义上说,除上述内涵以外,数学文化还包含数学家、数学史、数学以及数学发展中的人文成分、数学与社会的联系、数学与各种文化的关系,等等。
二、数学文化的存在价值
在高中数学课程标准中,数学文化是一个单独的板块,其重要性不言而喻。20世纪初的数学曾经存在着脱离社会文化的孤立主义倾向,并一直影响到今天的中国。数学的过度形式化,使人错误地认为数学只是少数学天才脑子里想象出来的“自由创造物”,数学的发展无须社会的推动,其真理无须实践的检验,当然,数学的进步也无须人类文化的哺育。于是,西方的数学界有“经验主义的复兴”。怀特(White)的数学文化论力图把数学回归到文化层面。克莱因(Kline)的《古今数学思想》《西方文化中的数学》《数学:确定性的丧失》相继问世,力图营造数学文化的人文色彩。
国内最早注意数学文化的学者是北京大学的教授孙小礼,她和邓东皋等合编的《数学与文化》汇集了一些数学名家的有关论述,也记录了从自然辩证法研究的角度对数学文化的思考。稍后出版的有齐民友的《数学与文化》,主要从数学非欧几何产生的历史阐述数学的文化价值,特别指出了思维的文化意义。郑信等出版的专著《数学文化学》,特点是用社会建构主义的哲学观,强调“数学共同体”产生的文体效应。
以上的著作以及许多的论文,都力图把数学从单纯的逻辑演绎推理的圈子中解放出来,重点是分析数学文明史,充分揭示数学的文化内涵,肯定数学作为文化存在的价值。
三、认识数学文化的民族性和世界性
每个民族都有自已的文化,也就一定有属于这个文化的数学。古希腊的数学和中国传统数学都有辉煌的成就和优秀的传统。但是,它们之间有着明显的差异。
古希腊是奴隶制国家。当时希腊的雅典城邦实行奴隶主的民主政治。男隶主的全体大会选举执政官,对一些战争、财政大事实行民主表决。奴隶主之间讲民主,往往需要用理由说服对方,使学术上的辩证风气浓厚。为了证明自已坚持的是真理,先设一些人人皆同意的“公理”,规定一些名词的意义,然后把要陈述的命题,称为公理的逻辑推论。欧氏的《几何原本》正是在这样的背景下产生的。
中国在春秋战国时期也有百家争鸣的学术风气,但是没有实行古希腊统治者之间的民主政治,而是实行君王统治制度。春秋战国时期,也是知识分子自由表达见解的黄金年代。当时的思想家和数学家,主要目标是帮助君王统治臣民、管理国家。因此,中国的古代数学,多半以“管理数学”的形式出现,目的是为了丈量田亩、兴修水利、分配劳力、计算税收、运输粮食等国家管理的实用目标,理性探讨在这里退居其次。因此,从文化意义上看,中国数学可以说是“管理数学”和“木匠数学”,存在的形式则是官方的文书。
古希腊的文化时尚是追求精神上的享受,以获得对大自然的理解为最高目标。因此,“对顶角相等”这样的命题,在《几何原本》里列入命题15,借助公理3(等量减等量,其差相等)给予证明。在中国的数学文化里,不可能给这样的直观命题留下位置。
同样,中国数学强调实用的管理数学,却在算法上得到了长足的发展。负数的运用、解方程的开根法以及杨辉(贾宪)三角、祖冲之的圆周率计算、天元术那样的精致计算课题,也只能在中国诞生,而为古希腊文明所轻视。
我们应当充分重视中国传统数学中的实用与算法的传统,同时又必须吸收人类一切有益的数学文化创造,包括古希腊的文化传统。当进入21世纪的时候,我们作为地球村的村民,一定要融入世界数学文化,将数学的民族性和世界性有机地结合起来。
四、数学文化内涵
走出数学孤立主义的阴影,数学的内涵将十分丰富。但在中国数学教育界,常常有“数学=逻辑”的观念。据调查,学生把数学看作“一堆绝对真理的总集”,或者是“一种符号的游戏”。“数学遵循记忆事实―运用算法―执行记忆得来的公式―算出答案”的模式,“数学=逻辑”的公式带来了许多负面影响。正如一位智者所说:“一个充满活力的数学美女,只剩下一副X光照片上的骨架了!”
1.数学的内涵
包括用数学的观点观察现实,构造数学模型,学习数学的语言、图表、符号表示,进行数学交流。通过理性思维,培养严谨素质,追求创新精神,欣赏数学之美。
半个多世纪以前,著名数学家柯朗在名著《数学是什么》的序言中这样写道:“今天,数学教育的传统地位陷入严重的危机。数学教学有时竟变成一种空洞的解题训练。数学研究已出现一种过分专门和过于强调抽象的趋势,而忽视了数学的应用以及与其他领域的联系。教师、学生和一般受过教育的人都要求有一个建设性的改造,其目的是要真正理解数学是一个有机整体,是科学思考与行动的基础。”
和所有文化现象一样,数字文化直接支配着人们的行动。孤立主义的数学文化,一方面拒人于千里之外,使人望数学而生畏;另一方面,又孤芳自赏,自言自语,令人把数学家当成“怪人”。学校里的数学,原本是青少年喜爱的学科,却成为过滤的“筛子”、打人的“棒子”。伴随着先进的数学文化,数学教学会变得生气勃勃、有血有肉、光彩照人。
2.数学素养
数学素养属于认识论和方法论的综合性思维形式,它具有概念化、抽象化、模式化的认识特征。具有数学素养的人善于把数学中的概念、结论和处理方法推广应用于认识一切客观事物,具有这样的哲学高度和认识特征。具体地说,一个具有“数学素养”的人,他在认识世界和改造世界的活动中,常常表现出三个特点:
A.在讨论问题时,习惯于强调定义(界定概念),强调问题存在的条件;
B.在观察问题时,习惯于抓住其中的(函数)关系,在微观(局部)认识基础上进一步做出多因素的全局性(全空间)考虑;
C.在认识问题时,习惯于将已有的严格的数学概念如对偶、相关、随机、泛函、非线性、周期性、混沌等概念广义化,用于认识现实中的问题。比如可以看出价格是商品的对偶,效益是公司的泛函等。
更通俗地说,数学素养就是数学家的一种职业习惯。我们希望把我们的专业搞得更好,更精密,更严格,有这种优秀的职业习惯当然是好事。一位名家说:“真正的数学家应能把他的东西讲给任何人都能使其听得懂。因为任何数学形式再复杂,总有它简单的思想实质。”在现代科学中,数学能力、数学思维十分重要,这种能力不只表现为死记硬背,不光表现在计算能力方面,特别表现在建模能力上,建模能力的基础就是数学素养。思想比公式更重要,建模比计算更重要。学数学,用数学,对它始终有兴趣,是培养数学素养的好条件、好方法。学生要消除对数学的畏惧感,培养对数学的兴趣,增强学好数学的信心,了解更多的现代数学的概念和思想,提高数学悟性和数学意识,培养数学思维的习惯。
3.数学素养的作用
下面举一个例子,看看数学素养的作用。18世纪,德国哥德堡有一条河,河中有两个岛,两岸与两岛间架有七座桥。问题是:一个人怎样才可以不重复地走遍七座桥而回到原地?这个问题好像与数学关系不大,它是几何问题,但不是关于长度、角度的欧氏几何。很多人都失败了,欧拉以敏锐的数学家眼光,猜想这个问题可能无解(这是合情推理)。然后他以高度的抽象能力,把问题变成了一个“一笔画”问题,能否从一个点出发不离开纸面而画出所有的连线,使笔仍回到原来出发的地方。“一笔画”的要求使得图形有这样的特征:除起点与终点外,一笔画问题中线路的交岔点处,有一条线进就一定有一条线出,故在交岔点处汇合的曲线必为偶数条。七桥问题中,有四个交叉点处都交汇了奇数条曲线,故此问题不可解。欧拉还进一步证明了:一个连通的无向图,具有通过这个图中的每一条边一次且仅一次的路,当且仅当它的奇数次顶点的个数为0或为2。这是他为数学的一个新分支――图论所作的奠基性工作,后人称此为欧拉定理。
这个例子是使用数学思维解决了现实问题。1928年,英国物理学家狄拉克(Dirac)在研究量子力学时得到了一个描述电子运动的Dirac方程,由于开平方,得到了正负两个完全相反的解。也就是说,这个方程除了可以描述已知的带负电的电子的运动,还描述了除了电荷是正的以外,其他结构、性质与电子一样的反粒子的运动。1932年,物理学家安德森(Anderson)在宇宙射线中得到了正电子,并于1936年获得诺贝尔物理学奖。我国物理学家赵忠尧1930年正在加洲理工学院读研究生,他的试验结果一出来,在他隔壁办公室的安德森立刻意识到试验结果表明一种尚未认知的物质出现了,于是,进一步做工作将获得成功。赵忠尧与诺贝尔奖擦肩而过。
把“复杂问题”转化为“简单问题”的思考――从探索四面的重心问题谈起:
问题1:为什么三角形三条中线的交点称之为三角形的重心,它是如何被发现的?
问题2:如何求一个四面体的重心?
实验:用针头顶着三角形木板的重心,木板保持平衡,这就验证了三角形三条中线的交点确实是三角形的重心。可以说我们对三角形重心的认识也就停留在验证这样的层面上。
至于四面体的重心问题,猜测:四面体的重心应该是四个顶点和相对底面重心连线的交点,但无法像三角形那样可以通过实验进行验证。
数学的重要功能之一就是教给人们认识客观世界的方法。而处理复杂问题的基本方法之一就是尽可能把问题简单化,直至该问题足够简单为止。如寻求四面体的重心问题,首先退而寻找三角形的重心,由于三角形的重心问题仍不够简单明了,我们能否再退到更为明显的问题呢?
设想一根粗细均衡的木棒,它的重心显然位于它的中点,这是一个非常明显的基本事实。抽象成数学命题就是:线段的中点就是该线段的重心。由此我们不难推导出三角形和四面体的重心。
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