重返数学发现的伟大时刻—— 《 数系的扩充与复数概念的引入》

发表时间:2020/9/4   来源:《教育学文摘》2020年4月11期   作者:张溪珊
[导读] 本文在分析数学文化价值的基础上通过案例分析了数学文化在高中数学中的渗透及其在人类历史的巨大推动作用。
        【摘要】本文在分析数学文化价值的基础上通过案例分析了数学文化在高中数学中的渗透及其在人类历史的巨大推动作用。
【关键词】高中数学;数学文化;数学史
        在传统的数学教学中,可能很大一部分的一线教师偏重于对课本知识和习题解题技巧的讲授,往往对数学文化重视不够。甚至可能很多高中数学教师本身也缺乏数学文化意识,在平时课堂教学的过程中,没有对数学文化进行适当讲授渗透。在新课程改革下,越来越多的教师已经逐步意识到高中数学不应该局限与对定义、定理的死记硬背以及题海战术,更应该让学生在数学思维方面、数学创新层面有更大的发展。数学史是数学文化的重要构成部分,它在高中数学教学中起着不容忽视的作用。新课改以来,教学情景的设置是课堂45分钟教学中一个很重要的环节,我们完全可以把数学史带进课堂教学情境的设置里,数学史大多具有故事性,是故事就可以吸引学生,挑起学生对数学的兴趣。下面就从一节新课的讲授谈谈数学文化在课堂里的渗透。
   在讲授《数系的扩充与复数》这节内容时,我考虑到本节内容比较枯燥,如果直接平白地讲授,学生可能兴趣乏乏,假如在授课过程中能进行数系扩充小史的渗透,那学生的学习兴趣会不会被调动呢?“还是试试看吧,或许会有惊喜呢!”我告诉自己。
   在课堂上,我首先给学生展示了这几个句子:平方得负岂荒唐?左转两番朝后方。加减乘除依旧算,方程有解没商量。立马引起了学生的兴趣,对这几句文字稍作解释后,我告诉学生人类认识数的范围是一步一步扩充的。到底是如何扩充的呢?
   在PPT上给学生展示了这些内容:
        1.自然数的原始概念在人类的文字尚未出现时即已形成。例如前人清点猎物的数目,拿过一只猎物(例如山鸡)就扳一个指头,或在一个小土坑里放上一颗石子,或在绳子上打一个结。这些事物的多寡都自然形成的,所以后人称其为自然数。据考古学家估计大约在5万年以前,有的甚至说30万年以前,人类已有自然数的概念。
        2.公元元年左右,中国《九章算术》中由除法与减法引入了分数和负数。
                3. 公元前6世纪毕达哥拉斯学派的著名数学家希帕苏斯提问单位正方形的对角线有多长,当时毕达哥拉斯学派的信条是“万物皆数”,他们和当时全人类都认为就是正分数和正整数,此外不存在别的什么数。但由勾股定理,单位正方形对角线长  是既约分数,则会引出矛盾。
                于是出现了第一次数学危机。
                所以从那之后人们发现了一种不是自然数与分数的数,名曰“无理数”。数学家们把有理数与无理数统称为实数。到这里,数系已经扩充到了实数,学生的学习兴趣也被充分调动起来了。那么接下来引入问题。
                问题1:如果把10看成某两个数的和,让这两个数的积等于40.
            
                设计意图:先用数学家卡丹的真实故事激发学生的学习兴趣,再引导学生,打破原有认知认知水平,自己发现根,激发学生的求知欲。
                问题2:根据原有的知识体系,有没有这两个数?如果没有,怎么解决这个问题?
                提示:方程x+1=0在正数范围内有解吗?如果没有,怎样让其有解?方程在有理数里有解吗?怎样让其有解的?
                设计意图:让学生重新回顾数系的扩充,从出发,思考-15开平方问题,即“负数开方”的问题怎么行得通。
                问题3:要解决上面这个问题,就是要找到一个数,使得它的平方等于-15,那我们应该找一个怎样的数呢?我们找的这个数需要满足什么?
                设计意图:引导学生再现卡丹问题,启发学生“引进一个新数,使其平方等于-1”。
               
                提示:是英语单词“imaginary”(虚幻的)的第一个字母
               
                问题5:
(1)这些找到的新数可不可以用某个统一的数学符号或格式来表示呢?
                (2)这些找到的新数构成的集合与我们学过的实数集又有怎样的包含关系呢?
                设计意图:我们通过前面若干问题的铺垫,慢慢引导学生得出复数的代数形式,目的是为了培养学生上一章节学过的合情推理中的归纳数学思维能力。第二问是为了启发学生对复数进行分类,引入虚数、纯虚数的概念,可以让学生更深刻的理解本节的概念。
                到这里,我们完成了复数概念的引入。
   本节课我主要采用问题引入、启发的模式,几个问题层层相扣,逐步引导帮助学生在原有知识体系的基础上构建新的知识体系,这样新的知识的引入也就顺理成章,不再显得突兀了。
   在整节课中,从介绍人类认识的数的范围的逐步扩充史到卡丹问题,再到欧拉引进虚数单位,让学生觉得数学发现并不神秘,数学课堂也并不枯燥,原来我们也有可能“创造新知”。这个过程极大的激发了高中生的创造热情,从而产生主动学习数学的热情,课堂效果自然显著。
                数学文化是科学文化的重要内容,它不仅包含着数学知识,更教会我们用数学思想、眼光来观察问题、思考问题,而且还能提高我们的数学素养。
                在接下来的实践教学中,我将把“以数学文化来育人、化人”作为教育目标,最后谨以屈原的名句“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”勉励自己。
参考文献
【1】张景中,黄楚芳.普通高中课程标准实验教科书选修1-2(文科)[M].
【2】尤善培.感悟数学文化 体验数学魅力[J].高中数学教与学,2017(06):1-4.
【3】王静,胡典顺.数学史融入高中教材的分析与思考[J].中学数学教学参考,2016(08):5-8.
【4】梁梦倩,马岷兴.数学文化课堂教学设计[J].中学数学教学参考,2016(08):28-30.
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