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高校数学分析课程中融入数学文化的教学研究

时间:2017-04-24 12:19来源:未知 作者:admin 点击:
摘要:在高校数学分析课程的教学中,融入数学文化,使学生可以更好地掌握数学分析的知识体系和思维方法。文章首先叙述了数学文化的内涵,之后论述在教学中融入数学文化的意义,最后以教学案例的方式,从四个不同的角度阐述在数学分析课程中融入数学文化的方

  摘要:在高校数学分析课程的教学中,融入数学文化,使学生可以更好地掌握数学分析的知识体系和思维方法。文章首先叙述了数学文化的内涵,之后论述在教学中融入数学文化的意义,最后以教学案例的方式,从四个不同的角度阐述在数学分析课程中融入数学文化的方法。
关键词:教学改革;数学分析;数学文化;教学案例
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)14-0063-03
高校数学分析课程,作为数学、统计学、金融学、保险精算学等专业一门重要的专业基础课,是学生后续课程的基础,对于培养学生良好的专业素养非常重要。进行高校数学分析课程的教学改革,在教学中融入数学文化,既可使学生体会到数学的独特文化内涵,又可激发学生的学习兴趣,更好地掌握数学分析的知识体系和思维方法,更为高效地完成学习。
一、数学文化的内涵
所谓数学文化,狭义的是指数学的思想、精神、方法、观点、语言以及它们的形成和发展。广义指除这些之外,还包含数学史、数学家、数学美、数学教育、数学与人文的交叉、数学与各种文化的关系[1]。
数学文化是一个开放、多元、动态的系统。研究学者视角的多元化,导致数学文化的界定并不一致。Wilder R.L.[2]指出数学家拥有的文化内含一个共享的带有数学特征的部分;Bishop A.J.[3]认为数学文化是文化视角下的数学,既包含Wilder精英主义的数学亚文化,即数学知识背后的隐性成分或观念性成分,也包含人类文化中的数学成分。张奠宙[4]认为数学知识不是数学文化的内容,背后隐性存在的观念才是;王宪昌[5]认为数学文化是数学现象背后的文化传统流变的文化分析;孙宏安[6]认为数学文化是人类适应数学活动的环境与创造数学活动自身及其成果的综合。
二、在数学分析课程中,融入数学文化的意义
1.数学分析理论体系完整,逻辑思维严密,课程具有无穷魅力。在这些有趣的数学知识和数学现象之外,数学分析还蕴含着数学思维,蕴含着“有限与无限”“变中有不变”等数学哲学,有着微积分发展中丰富的历史故事,有着数学先驱勇攀科学高峰的精神。数学分析课程实质上也是在传播一种文化,一种有趣的数学文化。在教学过程中应当有效地体现其文化价值。
2.著名数学教育家张奠宙先生在《数学文化的一些新视角》[7]中指出:“数学文化必须走进课堂,在实际数学教学中使得学生在学习数学的过程真正受到文化感染,产生文化共鸣,体会数学的文化品位和世俗的人情味。”在传统的数学分析教学中,只是局限于其知识成分,抽取了理性的定理、公式、结构等骨架,而舍去了其中数学文化、实践创新等丰富血肉。这种“茧氏”的课程文化丢失了数学的思想、精神,也丢失了课程的许多精华和其中的乐趣。数学分析课程不但具有科学的价值,而且还具有文化的价值。数学文化有其独立思考、勇于批判的理性精神;有其浓厚的文化积淀,以及踏实细微的人文精神;有其在生产生活中的实际应用性;有其相对稳定性和延续性,有其世界性等[8]。在教学过程中,从教学内容、教学方式、评价方式等诸方面体现数学的文化价值,将数学文化渗透到数学分析教学的全过程之中。
3.数学分析课程理论性强,其逻辑推理的严密严谨性,需要教师和学生投入很多的精力。而且,作为大学入学的第一门数学专业课,学生需从初等数学向高等数学转变,学习和适应不同的思考和解决问题的角度与方法,这也进一步增加了教学和学习的难度。教学中在严谨推导的同时,融入数学文化,一方面让学生了解数学文化,另一方面,增强教学的趣味性,提高学生学习的兴趣,使学生可以更好地汲取知识。
三、在数学分析课程中融入数学文化的方法
数学文化的渗透。学生理解与感悟数学是一种自然渗透、逐步深化的过程。不可将知识孤立、零散地分割开,最终只让学生学到了一个个孤立的知识点,却无法学到纵横联系的知识结构与网络,这也无法使学生最终获得数学理性观的升华直至感悟。
在将数学文化融入数学分析教学的过程中,需要教师与学生一起感受数学文化的内涵、领会数学文化的真谛。更需要教师在深刻而丰富的数学文化观的引导下,引发课堂教学行为的改变,从而提高教师的教学质量和学生的学习水平。
1.以数学文化作为课程新知识的引入点。以有趣的数学现象、数学史料等作为数学分析课程新知识引入时的切入点。
教学案例:以“无穷悖论”这一“奇怪”的数学现象,作为数项级数收敛和发散,以及条件收敛时数项级数的加法交换律和结合律不成立这两个知识点的引子。
捷克哲学家Bolzano在《无穷悖论》(1781-1848)中提到一个例子:1和-1交替出现的级数,即1-1+1-1+1-1+…。为了计算这个级数,通过三种不同的方法会得出三种不同的答案。方法一:一开始就进行相邻两数的归纳计算,则有1-1+1-1+1-1+…=(1-1)+(1-1)+(1-1)+…=0+0+0+…=0,答案是0。方法二:從第二个数开始再进行相邻两数的归纳计算,则有1-1+1-1+1-1+…=1+(-1+1)+(-1+1)+…=1+0+0+…=1,答案是1。方法三:Grundy用代数方法,设级数和为x,则有x=1-1+1-1+1-1+…=1-(1-1+1-1+1-…)=1-x,解方程知x=1/2,因此答案是1/2。
利用这一悖论首先激发学生的好奇心和兴趣,之后自然引出数项级数的和,以及数项级数的收敛和发散。柯西发现,无穷级数的求和运算也可能没有答案。若以方法三假定它存在,其结果必会引起混乱。从而引出数项级数的敛散性。
另外,有限个数相加时,不管相加的顺序如何变化,答案相同。但柯西发现这一加法法则在无穷个数的加法运算中已经不成立了,这便是方法一和方法二悖论产生的原因之一。从而引出无穷级数的加法交换律和结合律不一定成立这一知识点,进而引出数项级数条件收敛的知识。 

 2.以“项目”为导向,加强“问题解决”的教学设计。数学文化中一个重要的方面,就是数学在生产生活中的应用。为了增强学生学习的自主性,采用以项目为导向,加入让学生研究实际案例、解决问题这一教学环节,进行数学分析知识的讲授。所谓项目,在夏德斯的教学方法体系下是指:为了解决技术与实践中的生活问题而设计的问题解决过程。在数学分析的教学中,融入数学应用,这样既可以体现数学分析课程的应用价值,让学生理解数学的产生背景与发展,体会生活中的数学,揭开数学的神秘面纱,又可在应用中进一步渗透数学分析的思想方法,帮助学生加深理解。
教学案例:在数学分析“多元函数极值问题”的教学中,提出有实际应用背景方面的例题,比如销售收入和广告费用支出之间的关系。学生通过数学建模的方法,发现这一问题所对应的模型为一元线性回归模型参数的最小二乘估计问题,也就是数学分析中的多元函数极值问题。之后,我们再开始进行课程相关知识点的教学。
3.以数学史为载体,体现数学分析的人文性。我国老一辈数学家余介石等人主张“历史之于数学,不仅在名师大家之遗言轶事,阻生后学高山仰止之思,收闻风兴起之效,更可指示基本概念之有机发展情形,与夫心理及逻辑程序,如何得以融和调剂,不至相背,反可想成,诚为教师最宜留意体会之一事也。”[9]将数学史融入数学分析的教学中,激发学生学习兴趣,以及对数学史知识的渴求,加深对数学相关知识的理解。另外从数学史的整个发展趋势中,学生可以初步了解微积分知识的基本框架。
而且,在教学中,谈谈数学界的名人轶事,使其成为课堂上严谨的证明推导之余的兴奋剂。通过在知识点处闪现数学家为了追求真理,坚持不懈的精神,帮助学生正确看待学习过程中遇到的困难,执着追求。
教学案例:三次数学危机。在数学史上,贯穿着矛盾的斗争与解决,当矛盾激化到涉及整个数学的基础时,就会产生数学危机。而危机的解决,往往能给数学带来新的内容、新的发展,甚至引起革命性的变革。
在教学中,引入数学发展的三次关于基础理论的危机。以华东师范大学版《数学分析》教材为例,在第一章“实数集与函数”的教学中,引入第一次数学危机的故事:有理数。危机的产生——希帕索斯悖论(边长为1的正方形,其对角线长度为多少呢);危机的缓解——两百年后,欧多克索斯建立的比例论,巧妙地避开无理数这一逻辑上的危机;危机的解决——直到19世纪下半叶,实数理论的建立,无理数的本质被彻底搞清。通过了解第一次危机,既可提高学生的学习兴趣,鼓励学生开展创新,又使学生对无理数有了更深刻的理解,增加了对实数性质学习的兴趣。
在“无穷小量”的教学中,引入第二次数学危机的故事:无穷小是零吗。危机的产生——贝克莱悖论(无穷小量在牛顿的理论中一会儿是零,一会儿又不是零);危机的缓解——实数理论基础上,建立起极限论的基本定理;危机的解决——在实数论的问题,导致了集合论的诞生。通过第二次数学危机,学生可以加深理解:无穷小是一类趋向于零的常数,而常数零数列是一类特殊的无穷小量。
之后,可继续给学生讲第三次数学危机的故事:集合论中自相矛盾的理发师问题。危机产生——罗素悖论(理发师只给所有不给自己理发的人理发,不给那些给自己理发的人理发,那么他要不要给自己理发呢);危机的缓解——哥德尔不完全定理的证明结束了关于数学基础的争论,宣告了把数学彻底形式化的愿望是不可能实现的。
4.在教学中体现数学分析之美。大数学家克莱因说过:“数学是人类最高超的智力成就,也是人类心灵独特的创作。音乐能激发或抚慰人的情怀,绘画使人赏心悅目,诗歌能动人心弦,哲学使人获得智慧,科学可改善物质生活,但数学能给予以上的一切。”在教学中,利用图案、录像,让学生以数学欣赏为切入点,发现数学之美,为数学的魅力所吸引,增强学习动力。
教学案例:在定积分、重积分的应用中,辅以图形加以讲解,在教学中让学生感受数与形的调和,感受几何学的优雅。在傅里叶级数的教学中,如果按传统方式教学,傅里叶公式及其推导证明的严肃复杂性,会使学生望而生畏。我们配以生动的图像来讲解,既使学生易于理解,又可增加学生学习的兴趣和乐趣。
总之,通过将数学文化融入数学分析的教学之中,让学生可以更好地掌握数学分析的知识体系和思维方法,了解数学文化,激发学习兴趣,使其更为高效地学习。
参考文献:
[1]顾沛.“数学文化”课与素质教育[R].宁波:2007教育部数学教育高级研修班报告,2007.
[2]Wilder R.L. The cultural basis of mathematics[A].Thomas Tymoczko,New Directions in the Philosophy of Mathematics[C](2ed).Princeton:Princeton University Press,1998:185-200.
[3]Bishop A.J. Mathematical Enculturation:A cultural perspective on Mathematics Education[M].Dordrent:Kluwer Academic Publishers,1991:,18.
[4]张奠宙.数学文化[R].宁波:2007教育部数学教育高级研究班报告,2007.
[5]王宪昌.关于数学文化研究的几点思考——兼评《高中数学课程标准》中数学文化内容的设置[J].数学教育学报,2007,16(1):44-48.
[6]孙宏安.关于数学文化的思考[J].大连教育学院学报,2007,23(2):64-70.
[7]张奠宙,梁绍君,金家梁.数学文化的一些新视角[J].数学教育学报,2003,12(1):37-40.
[8]罗晓芳.数学文化视角下课堂教学文化氛围的构建[J].职教论坛,2009,10:15-17.
[9]金玲玉,房少梅,刘文琰.数学分析教学改革的几点认识和体会[J].大学数学,2012,28(4):25-30.
Abstract:By incorporating mathematics culture into the course of mathematical analysis in colleges and universities,the teaching can enable students grasp the knowledge system and the way of thinking better in mathematical analysis. The article first describes the connotation of mathematics culture. And then discuss the significance of incorporating mathematics culture into the course. Finally,by quoting teaching cases,the article states the methods of incorporating mathematics culture into the course of mathematical analysis from four different aspects.
Key words:educational reform;mathematical analysis;mathematics culture;teaching cases. 

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