談數(shù)學(xué)概念表象的深刻直覺

曹榮榮+田磊+王彩芬+紀(jì)春靜

摘要：高等數(shù)學(xué)的概念教學(xué)是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，學(xué)生獲得一個(gè)數(shù)學(xué)概念的理解意味著要形成該概念的表象，僅僅知道概念定義并不能保證真正理解這個(gè)概念。個(gè)體擁有的概念表象是具有一定層級(jí)水平的，而深刻直覺是概念發(fā)展的一個(gè)特定階段。本文在Tall數(shù)學(xué)“三個(gè)世界”的理論框架下針對(duì)具體案例進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：概念表象；數(shù)學(xué)“三個(gè)世界”；深刻直覺；三角形；四面體

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）20-0236-02

一、理論背景

高等數(shù)學(xué)中的概念在教與學(xué)中起著重要的作用?！案拍疃x”和“概念表象”之間的不同在數(shù)學(xué)認(rèn)識(shí)論和教學(xué)法上具有重要意義，正如Vinner指出的“當(dāng)我們執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時(shí)，思維并不是訴諸于概念定義，而是受概念表象的指導(dǎo)。在遇到新任務(wù)的時(shí)候，學(xué)生們就需要頭腦中的概念表象”。

“概念表象”和“概念定義”理論最初是由Vinner&Hershkowitz提出的，后來由Tall&Vinner進(jìn)行了發(fā)展，再后來Morre又進(jìn)行了修改。在我們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，其實(shí)存在概念定義和概念表象兩個(gè)不同的“細(xì)胞”。概念定義是直接描述的，它是以詞語和符號(hào)的形式被教師或教科書用來定義數(shù)學(xué)概念的。Tall&Vinner指出“概念表象”是個(gè)體在頭腦中對(duì)概念的整個(gè)認(rèn)知表征，包含思維圖像、相關(guān)性質(zhì)和過程等。這種思維表征是在不同水平上建立的，因此會(huì)產(chǎn)生不一致或者概念表象本身可能會(huì)產(chǎn)生混淆或不協(xié)調(diào)。Semadeni認(rèn)為“深刻直覺”是概念表象發(fā)展的一種水平，它是概念表象發(fā)展到一定的水平結(jié)果，這也是在Tall的數(shù)學(xué)“三個(gè)世界”的理論框架下提出來的。

概念表象是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過多年累積形成的，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念實(shí)體，它是不斷發(fā)展的，每個(gè)學(xué)生一般都擁有不同的概念表象，比如減法概念，首先是涉及到正整數(shù)的一個(gè)過程，在這個(gè)階段，學(xué)生可能觀察到數(shù)的減法總是減少，對(duì)他們來說這個(gè)觀察就是概念表象的一部分，但后來這種理解可能會(huì)引起問題。

Tall的數(shù)學(xué)“三個(gè)世界”理論區(qū)分了數(shù)學(xué)思維的三個(gè)模式。這“三個(gè)世界”在某種意義上來說是具有層級(jí)的，第一世界稱為“概念—感知”世界，又稱為“具體化世界”。個(gè)體利用他們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的物理感知來完成思維實(shí)驗(yàn)，比如兒童對(duì)現(xiàn)實(shí)世界物體的分類或?qū)O限的直覺體驗(yàn)等。第二個(gè)世界稱為“程序—符號(hào)”世界，又稱之為“符號(hào)化世界”，個(gè)體開始對(duì)來自于第一世界的思維想法進(jìn)行程序性操作，通過符號(hào)的使用凝聚為概念，這個(gè)符號(hào)既表示過程也表示概念，比如“數(shù)”和“和”概念等。第三個(gè)世界稱為“形式—公理化”世界，又稱之為“形式化世界”，這里關(guān)注的則是數(shù)學(xué)公理化體系理論。

二、具體案例

在20世紀(jì)，整個(gè)數(shù)學(xué)共同體中并沒有形成統(tǒng)一的關(guān)于“三角形”正式的形式化定義，但卻存在以下三方面的共識(shí)。

1.三角形就是一個(gè)無序的、不共線的三點(diǎn)A，B，C的集合{A，B，C}。他們認(rèn)為點(diǎn){A，B，C}其實(shí)是一個(gè)“零維”集合，可以形象地認(rèn)為三角形就像是天空中的三顆星星。

2.三角形是一個(gè)含有三個(gè)頂點(diǎn)的多邊形，即三條線段AB、BC、CA的一個(gè)集合，Hilbert認(rèn)為三角形上的點(diǎn)即是AB∪BC∪CA上的點(diǎn)。這其實(shí)是把三角形看作“一維”圖形，在他們看來，三角形就是要畫出三角形的三條邊。

3.三角形△ABC可以看作三個(gè)半平面相交而形成的圖形。事實(shí)上，這是在“二維”視角下將三角形看作是一個(gè)扁平的圖形。

對(duì)“三角形”概念的所有認(rèn)知都是不同“具體化”理解的結(jié)果。當(dāng)個(gè)體進(jìn)行三角形命題的推理時(shí)，三角形的所有這些概念表象的混合可能會(huì)同時(shí)被激起，也就是說當(dāng)個(gè)體能夠理解簡(jiǎn)單的涉及三角形的歐幾里得幾何證明時(shí)，此時(shí)三角形的概念表象則達(dá)到了深刻直覺的水平。事實(shí)上，個(gè)體在執(zhí)行任務(wù)時(shí)不需要知道三角形的上述圖形，但是個(gè)體需要理解他們以及彼此的關(guān)系。

從形式化的觀點(diǎn)上看，這幾個(gè)圖形是不同的數(shù)學(xué)對(duì)象，因此三角形會(huì)有不同的概念定義，但是在深刻直覺下他們卻是同一個(gè)思維對(duì)象，因此對(duì)“三角形”概念的多元化認(rèn)知會(huì)幫助個(gè)體靈活地運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)對(duì)象。

再比如“四面體”，我們可以把四面體看作是有邊界的封閉固體點(diǎn)的集合，也可以看作是包含四個(gè)面、六個(gè)邊、四個(gè)頂點(diǎn)的一個(gè)結(jié)構(gòu)體。同時(shí)，如果把四面體可以看作一個(gè)三棱錐，這樣有一個(gè)面和其他三個(gè)面不同，則稱之為三棱錐的底。這些觀點(diǎn)都是建立在“具體化世界”的基礎(chǔ)上而形成的概念表象。事實(shí)上，四面體是一個(gè)度量空間，它是向量空間或仿射空間中的一個(gè)凸集。這種認(rèn)知?jiǎng)t是在“公理化世界”的背景下建立的，同樣適用于“符號(hào)化世界”。

所有這些關(guān)于四面體的不同觀點(diǎn)在Freudenthal針對(duì)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的討論中都提及到了。如果個(gè)體的概念表象包含了上述一個(gè)或更多方面，這時(shí)我們就說個(gè)體達(dá)到了概念理解的深刻直覺水平。

三、建議結(jié)論

深刻直覺，作為概念表象發(fā)展的一個(gè)特定水平，它其實(shí)是深深植根于數(shù)學(xué)“三個(gè)世界”的“具體化世界”中。盡管深刻直覺并不能直接觀察到，也不能推斷出，但是它卻能提供一種思路來探究數(shù)學(xué)。深刻直覺可以假定為概念理解的一個(gè)臺(tái)階，在個(gè)體能夠理解演繹推理之前，他們就需要事先形成一些具體特定的深刻直覺。擁有概念的深刻直覺，個(gè)體就可以把它作為一種內(nèi)在思維靈活、自由地運(yùn)用。同時(shí)，發(fā)展深刻直覺也是培養(yǎng)學(xué)生演繹推理的關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)：

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