基于數(shù)學(xué)文化觀的“數(shù)列的概念”教學(xué)實(shí)踐與思考*

江蘇省常熟市滸浦高級中學(xué) (215512)

殷偉康

基于數(shù)學(xué)文化觀的“數(shù)列的概念”教學(xué)實(shí)踐與思考*

江蘇省常熟市滸浦高級中學(xué) (215512)

殷偉康

數(shù)學(xué)是一種文化，已逐步成為數(shù)學(xué)教育工作者的共識.美國著名數(shù)學(xué)家莫里斯·克萊因認(rèn)為“數(shù)學(xué)文化應(yīng)該包括兩個方面：作為人類文化子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)文化，它所涉及的是數(shù)學(xué)與其他文化、與整個文明的關(guān)系；另一方面就是數(shù)學(xué)本身作為一個文化系統(tǒng)，它的發(fā)生、發(fā)展及其結(jié)構(gòu).”筆者認(rèn)為：數(shù)學(xué)文化作為一種基本的文化形態(tài)，是屬于科學(xué)文化范疇的，從系統(tǒng)觀點(diǎn)看，數(shù)學(xué)文化是一個以數(shù)學(xué)學(xué)科體系為核心，以數(shù)學(xué)思想、精神、知識、方法、技術(shù)、理論等所輻射的相關(guān)文化領(lǐng)域?yàn)橛袡C(jī)部分的具有強(qiáng)大精神與物質(zhì)功能的動態(tài)系統(tǒng).從物質(zhì)形態(tài)上看，“數(shù)學(xué)本身就是文化”，是以數(shù)學(xué)學(xué)科和數(shù)學(xué)發(fā)展為背景，以數(shù)學(xué)課程和數(shù)學(xué)教學(xué)為載體所展現(xiàn)的文化.從意識形態(tài)上看，“數(shù)學(xué)文化”是指蘊(yùn)涵在數(shù)學(xué)知識形成過程中的觀點(diǎn)、信念、態(tài)度和方法，是比數(shù)學(xué)成果更有價值的內(nèi)容.著力構(gòu)建數(shù)學(xué)文化的課堂，讓學(xué)生通過經(jīng)歷、體驗(yàn)、感悟、欣賞與交流的數(shù)學(xué)活動，沐浴“數(shù)學(xué)文化”的陽光，潛移默化地接受數(shù)學(xué)文化的感染和熏陶，產(chǎn)生數(shù)學(xué)文化的共鳴，逐步提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)文化修養(yǎng)，讓數(shù)學(xué)課堂煥發(fā)出生命的活力.那么，如何使數(shù)學(xué)文化從理念走進(jìn)課堂，真正融入到學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)之中？筆者以“數(shù)列的概念”為例，闡述數(shù)學(xué)文化觀下的數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐與思考.

一、以史引趣，激發(fā)探究

情境1 數(shù)列3，6，12，24，48，96，192，…，這是一個非常平常的一列數(shù)，普魯士天文學(xué)家提丟斯運(yùn)用它作一個運(yùn)算：在這組數(shù)據(jù)前加上“0”得到“0，3，6，12，24，48，96，192，…”然后每個數(shù)加上4后，再將每個數(shù)除以10，得到一列數(shù)0.4，0.7，1.0，1.6，2.8，5.2，10.0，16.9，…(這一列數(shù)中的后一個數(shù)與前一個數(shù)之差組成新的一列數(shù)0.3，0.3，0.6，1.2，2.4，4.8，6.9，…)再把這一列數(shù)和太陽到各行星的距離作比較，得到了下面結(jié)論：(單位為天文單位)

行星距離類別水星金星地球火星?木星土星?……實(shí)際距離0.390.721.01.52?5.29.5?……計算距離0.40.71.01.62.85.210.019.6……

觀察表格，發(fā)現(xiàn)第二組數(shù)與太陽距離六大行星的實(shí)際距離有密切聯(lián)系，提丟斯就是利用這個表格預(yù)言了天王星的存在.1781年發(fā)現(xiàn)的天王星，證實(shí)了提丟斯的猜想，它到太陽的距離為19.2個天文單位(19.2接近于19.6),使人們對提丟斯定則更加確信無疑.觀察上表，是否在距離太陽約為2.8個天文單位的區(qū)域內(nèi)存在尚未被發(fā)現(xiàn)的行星？根據(jù)這一猜測，天文學(xué)家們開始在此區(qū)域內(nèi)尋找.1801年意大利天文學(xué)家比亞茲，果然在這個距離發(fā)現(xiàn)了谷神星，它與太陽的近似距離為2.7個天文單位.天文學(xué)家利用行星與太陽之間的距離與這一數(shù)列的變化規(guī)律，運(yùn)用數(shù)學(xué)的聯(lián)想和合情推理而研究發(fā)現(xiàn)了谷神星.由此可見，通過對這一組神奇的一列數(shù)的研究揭開了宇宙運(yùn)行的神秘面紗.

設(shè)計意圖：教師注重開發(fā)數(shù)列概念教學(xué)中的文化資源，運(yùn)用科學(xué)史上的真實(shí)故事，能極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)列的興趣熱情，從而為學(xué)好數(shù)列這一章奠定了情感基礎(chǔ)，激發(fā)了探究的欲望.

二、以史為鑒，創(chuàng)設(shè)情境

情境2 古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的數(shù)學(xué)家經(jīng)常在沙灘上畫點(diǎn)或用小石子表示數(shù).他們研究過三角形數(shù)(如圖1)：1，3，6，10，15，…；類似地(如圖2)：1，4，9，16，25，…被稱為正方形數(shù).

相繼的三角形數(shù)之和為正方形數(shù)，類似地，相繼的正方形數(shù)之和為金字塔數(shù)1，5，14，30，55，….(用PPT展示畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的成果，其中三角形數(shù)和正方形數(shù)在數(shù)學(xué)史上稱為“形數(shù)理論”，古代數(shù)學(xué)家用“形數(shù)理論”推導(dǎo)或證明了許多公式.)

圖1 圖2

情境4 某種細(xì)胞，如果每個細(xì)胞每小時分裂為2個，那么每過1小時，1個細(xì)胞分裂的個數(shù)依次為1，2，4，8，16，….

情境5 常熟市2015年2月16日至20日的全天最低氣溫(單位：攝氏度)依次是1.1，-1.2，2.3，-0.4，-0.8.

情境6 從1984年到2016年我國共參加了9次奧運(yùn)會，各次參賽獲得的金牌總數(shù)依次為15，5，16，16,28，32，51，38,26.

設(shè)計意圖：古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派崇尚“萬物皆數(shù)”，并將數(shù)與圖形結(jié)合研究，通過介紹古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的三角形數(shù)與正方形數(shù)，讓學(xué)生了解數(shù)學(xué)的歷史與切身體驗(yàn)數(shù)學(xué)家的思考過程，感受數(shù)學(xué)文化的熏陶.展現(xiàn)數(shù)學(xué)知識生成的文化背景，是數(shù)學(xué)教學(xué)過程的自然流露，使學(xué)生體會到其中的趣味性、文化性和思想性.

三、辨析探究，建構(gòu)概念

問題1 請同學(xué)們觀察上面的幾組對象，這些對象有什么特點(diǎn)？

問題2 從數(shù)的角度分析這幾組對象描述的語言中有何共同特點(diǎn)？如何表述？

設(shè)計意圖：通過觀察、討論、質(zhì)疑與交流，讓學(xué)生歸納出數(shù)列概念——按照一定次序排列的一列數(shù)稱為數(shù)列.在數(shù)列概念形成過程中，讓學(xué)生感覺概念的生成自然而然，水到渠成.

問題3 1，2，4是數(shù)列嗎？它與數(shù)列4，2，1是同一數(shù)列嗎？

問題4 數(shù)列與我們學(xué)過的哪一個數(shù)學(xué)概念很像？它們一樣嗎？能總結(jié)出二者之間的區(qū)別嗎？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生對集合與數(shù)列進(jìn)行辨析，集合中的元素具有互異性，數(shù)列中的數(shù)可以重復(fù)，而集合中的元素不可以重復(fù)；數(shù)列中的項(xiàng)是數(shù)，而集合中的元素可以是數(shù)，也可以不是數(shù)；數(shù)列中的數(shù)是有次序的，而集合中的元素具有無序性.通過學(xué)生的判斷、辨析，加深對數(shù)列概念的理解.

四、類比探究，深化概念

問題5 給定一個數(shù)列，應(yīng)能夠指明第一項(xiàng)是多少，第二項(xiàng)是多少，……，每一項(xiàng)都是確定的，即指明項(xiàng)數(shù)，對應(yīng)的項(xiàng)就確定．所以數(shù)列中的每一項(xiàng)與其項(xiàng)數(shù)有著對應(yīng)關(guān)系，這與我們學(xué)過的什么有密切關(guān)系？

問題6 你能用直觀的方法表示情境3、4中的數(shù)列嗎？它還有哪些表示方法？

問題7 分別利用列表、圖像、公式表示同一個數(shù)列.這三種表示法的共同特征是什么？都涉及哪些量，它們之間有什么關(guān)系？

問題8 數(shù)列是函數(shù)嗎？你能說出為什么嗎？函數(shù)的要素是什么？類比函數(shù)可知，數(shù)列{an}中，什么相當(dāng)于函數(shù)的自變量？什么相當(dāng)于函數(shù)的因變量？

設(shè)計意圖：三種表示方法都反映了項(xiàng)與序號的對應(yīng)關(guān)系，即數(shù)列中項(xiàng)的序號n與an是逐一對應(yīng)，符合函數(shù)的最顯著的特征——單值對應(yīng)，由此可猜想數(shù)列是函數(shù)，顯得自然而然、水到渠成.引導(dǎo)學(xué)生類比映射和函數(shù)知識來研究數(shù)列.

設(shè)計意圖：逐步揭示數(shù)列是函數(shù)的實(shí)質(zhì)，數(shù)列通項(xiàng)公式可看作是相應(yīng)函數(shù)的解析式，從而將數(shù)列概念成功納入到函數(shù)的概念體系中去，深化對數(shù)列概念本質(zhì)的理解.

問題10 如圖3所示的三角形圖案稱為謝賓斯基三角形.在下面4個三角形圖案中，白色的小三角形的個數(shù)依次構(gòu)成一個數(shù)列的前4項(xiàng)，請寫出這個數(shù)列的一個通項(xiàng)公式.

圖3

問題11 設(shè)初始等邊三角形面積為1，白色三角形表示除去的面積，分別求出上述4個三角形圖案中黑色三角形的面積和周長，若面積和周長分別構(gòu)成數(shù)列{bn}、{cn}，請寫出這二個數(shù)列的一個通項(xiàng)公式.

問題12 觀察數(shù)列{bn}和{cn}的變化趨勢，你能得出什么結(jié)論？

設(shè)計意圖：1951年波蘭數(shù)學(xué)家謝賓斯基創(chuàng)造了一個美妙的藝術(shù)品“謝賓斯基三角形”.取一個實(shí)心的正三角形，三邊中點(diǎn)的連線將它分成四個小三角形，去掉中間的那個小三角形，對其余的小三角形重復(fù)以上步驟.以上步驟可以不斷重復(fù)，無限進(jìn)行下去，得到的圖形的面積趨于零，而它的周長越趨近于無窮大(即小圖形的數(shù)目趨于無窮，作為小圖形的邊的線段數(shù)目趨于無窮).

五、教學(xué)反思，感悟提升

數(shù)學(xué)文化具有極強(qiáng)的內(nèi)在邏輯性、歷史發(fā)展的延續(xù)性和廣泛的外部聯(lián)系，教師要善于挖掘數(shù)學(xué)史料中有關(guān)數(shù)學(xué)概念的獨(dú)特文化背景，利用數(shù)學(xué)概念的背景或者產(chǎn)生的曲折歷程，對數(shù)學(xué)史料進(jìn)行再加工，將其融入數(shù)學(xué)概念教學(xué)之中，使數(shù)學(xué)課堂教學(xué)更具數(shù)學(xué)魅力.

1.融入數(shù)學(xué)文化，激發(fā)探究欲望

“數(shù)列的概念”作為章節(jié)的第一課，更多地承載著傳遞數(shù)學(xué)文化的重任，有效地融入數(shù)學(xué)史料，營造濃郁的數(shù)學(xué)文化氣息的課堂氛圍，能以豐富的數(shù)學(xué)文化給學(xué)生以美的享受和啟迪.因此，筆者以提丟斯數(shù)列引入課題，讓學(xué)生感覺數(shù)學(xué)的神奇，原來浩瀚的宇宙處處存在著數(shù)學(xué)規(guī)律，有利于激發(fā)學(xué)生探究欲望.這樣的課堂引入不僅直接引入課題，而且蘊(yùn)涵豐富的數(shù)學(xué)文化元素，使數(shù)學(xué)課堂更具有濃厚的數(shù)學(xué)味道.問題情境設(shè)計要關(guān)注數(shù)學(xué)文化背景，挖掘文化資源，如情境2介紹了古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派研究成果：三角形數(shù)與正方形數(shù)(平方數(shù))，并適當(dāng)進(jìn)行拓展，相似地，將平方數(shù)列相繼求和，則可得到金字塔數(shù)，使學(xué)生了解這些數(shù)列背后更深刻的文化意義，并從數(shù)學(xué)家身上看到富有啟發(fā)的數(shù)學(xué)思想、創(chuàng)新意識和理性精神.從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探究的興趣，提高數(shù)學(xué)思維的能力.

2.凸顯數(shù)學(xué)文化，彰顯數(shù)學(xué)本質(zhì)

特級教師俞昕認(rèn)為：在一定意義上，個體數(shù)學(xué)認(rèn)識過程具有與數(shù)學(xué)文化發(fā)展的相似性．因此，可以從數(shù)學(xué)文化曲折的發(fā)展路徑去洞察數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的本質(zhì)，為此課堂教學(xué)要凸顯數(shù)學(xué)文化，挖掘數(shù)學(xué)知識中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)文化和探究知識過程中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)文化現(xiàn)象.在探究數(shù)學(xué)概念形成與發(fā)展過程中，要揭示數(shù)學(xué)概念中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)思想、方法和觀點(diǎn)，展示數(shù)學(xué)概念中數(shù)學(xué)文化背景，才能更好地促進(jìn)學(xué)生對數(shù)學(xué)概念本質(zhì)的理解和領(lǐng)悟.如通過對問題6-8的探究，引導(dǎo)學(xué)生類比研究函數(shù)的方法來研究數(shù)列，有利于學(xué)生辨清數(shù)列與函數(shù)的關(guān)系，領(lǐng)悟數(shù)列概念的本質(zhì)，并掌握運(yùn)用類比思想研究問題的方法.

3.滲透數(shù)學(xué)文化，提升數(shù)學(xué)素養(yǎng)

數(shù)學(xué)史是從一個側(cè)面反映了人類文化史，又是人類文明史的重要組成部分.對數(shù)學(xué)史料中的有關(guān)數(shù)列問題進(jìn)行有效地選擇、重組、加工，結(jié)合知識的邏輯順序和學(xué)生的心理發(fā)生順序，設(shè)計成符合學(xué)生認(rèn)知水平和可探究的問題情境.如對情境2和問題10-12的探究，引導(dǎo)學(xué)生對畢達(dá)哥拉斯學(xué)派研究的各種多邊形數(shù)以及經(jīng)典的謝賓斯基三角形進(jìn)行探究，引領(lǐng)學(xué)生接受數(shù)學(xué)文化的洗禮與熏陶，感受數(shù)學(xué)的文化價值．引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)學(xué)史中的數(shù)列問題進(jìn)行探究，這不僅是一種教材的“二次開發(fā)”，更是一種數(shù)學(xué)文化的有效滲透，有利于提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)．

基于數(shù)學(xué)文化觀的課堂教學(xué)理念是：從“傳授數(shù)學(xué)知識”走向“傳播數(shù)學(xué)文化”，從數(shù)學(xué)文化的視角出發(fā)，結(jié)合學(xué)情，運(yùn)用數(shù)學(xué)史的有效融入方式，對教材進(jìn)行“二次開發(fā)”，嘗試“重構(gòu)式”教學(xué)方法，將數(shù)學(xué)文化的精髓依附在數(shù)學(xué)知識發(fā)生、發(fā)展的過程之中.因此，在教學(xué)中，要注重創(chuàng)設(shè)以數(shù)學(xué)史料為背景的問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，再現(xiàn)數(shù)學(xué)歷史原貌，展示數(shù)學(xué)概念的發(fā)生、發(fā)展過程，讓學(xué)生在獲得知識的過程中，體驗(yàn)其中蘊(yùn)含的思想方法，促進(jìn)學(xué)生去感悟和建構(gòu)數(shù)學(xué)新概念，同時讓學(xué)生經(jīng)歷數(shù)學(xué)文化的熏陶，提升學(xué)生數(shù)學(xué)文化修養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng).

[1]俞昕.平凡中閃耀出數(shù)學(xué)的本質(zhì)——賞析一堂常態(tài)課“數(shù)列的概念與簡單表示法”[J]．中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)參考,2015(3)：12-13．

[2]殷偉康.構(gòu)建數(shù)學(xué)文化課堂的思考與實(shí)踐[J]．?dāng)?shù)學(xué)教學(xué)研究,2012(1)：2-5．

[3]吳進(jìn)，殷偉康.問題引領(lǐng) 誘發(fā)探究 促進(jìn)建構(gòu)——數(shù)列的概念教學(xué)實(shí)錄與反思[J]．中學(xué)數(shù)學(xué)月刊,2015(9)：34-37．

[4]袁芹芹.從“數(shù)列的概念”教學(xué)談數(shù)學(xué)課堂中的德育教育[J]．中學(xué)數(shù)學(xué)月刊,2014(6)：13-14．

本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”重點(diǎn)資助課題：構(gòu)建數(shù)學(xué)文化課堂的教學(xué)實(shí)踐研究(課題批準(zhǔn)號B-a/2013/02/069)研究成果之一.