第三十一章數學思維的理論與教學實驗探索(3)(1 / 3)

中學期間,有數篇數學論文發表於全國發生的數學雜誌上,三篇獲青少年論文獎(一篇為全市第一名)。

他於1978~1980年自學數學(題目自編,"自學叢書"),自習作業本共41冊,摘要分析如下。

(1)1977年7月~9月

有理數運算(以方程,比例形式進行)(分數運算)。

(2)1977年9月~10月

幾何入門:三角形內角(計算、度量)、角的概念、角的分類、平行線、一次函數圖像。(有理數運算同時進行)

兩周後學三角形全等。開始因式分解。

(3)1977年10月~12月

代數:解方程、配方、展開與因式分解、應用題、方程組。

幾何:三角形全等、等腰三角形性質、平行四邊形、直角三角形、圓。

(4)1978年開始做"自學叢書"練習,1978年1月1日~3月27日(至"第一冊")。

代數:列方程組解應用題、指數冪的運算、行列式。

幾何:圓、四邊形。

(1978年2月24日用初三試卷考得90+10分)。(注:幾何卷)

(5)1978年3月28日~8月5日

代數:根式、不等式、一元二次方程。

幾何:綜合練習、麵積計算。(補:小學應用題)

(6)1978年8月6日~10日

三角:銳角三角函數求值。解三角形。

代數:根式、二次方程。

(7)1978年11月~12月

整數的性質。

(8)1979年1月~1980年1月

三角恒等式的證明。(幾何"基本圖形分析法")

(9)1980年2月~10月(初中代數總複習)

代數恒等式的證明、不等式的證明、對數。

1980年9月進入中學,兩年中自學完高中代數。

高中階段自學高等數學(微積分、概率論等)。

中學六年參加市數學學校的學習,智力在更高層次上得到開發,自學能力的培養是奠基性的。

1985年10月參加全國數學競賽,名列全市第11名。1986年免試直升複旦大學理論物理係,其間,基礎數學隻聽過幾堂課,靠自學取得優等成績。在楊福家教授親自指導的小班中,選修《費米物理學講義》。

畢業後從事計算機軟件開發工作,在程序編製方麵顯示出了出眾的創造能力。

林慶紛(1975年生。1987~1992年在附中學習)。

該生聰穎、活潑,是一個很可愛的小姑娘。父母親是高校數學教師,母親在中學時曾得過市數學競賽第7名。小慶紛在小學學習時就才能出眾,學習能力強,記憶力過人。功課門門皆優,且學得十分輕鬆。母親就以趣味數學開發其智力,使她很小就掌握了排列組合(如"郵筒投信"問題)、古典概率等知識。初一時,她在競賽中的優異成績引起了數學老師與班主任的重視,經學校同意跳級至初三,並確定指導老師來帶這個"研究生"。

指導計劃的主導思想:充分發揮其思維能力與自學能力的優勢,縮短學習曆程,深化知識的運用水平。她自學完解析幾何花了兩個月時間,用高二試卷測驗得了98分,花了45分鍾(一半時間)。進入高一後,與高三同學一起聽競賽輔導,兩個月後即在市級競賽中獲獎。半年後學完高中課程,潛心攻競賽題。指導老師提供的參考書放了書架一格,暑假中把典型的競賽題做了一道又一道。老師還指導她自學掌握了高層次數學分支:組合基礎、向量與幾何變換、循環數列、一些著名不等式等,開拓了知識麵,更優化了思維素質。從幾次競賽中顯示了她屬於"分析型",指導老師又對她作了"幾何強化訓練"。在中美競賽前夕有一段師生對話--"我直覺你這次可得滿分。""我想也應如此,知識上無缺陷,碰運氣了。"如願以償,她在第43屆"中美數學競賽"中成了滬上第一位滿分女選手。同年還在全國數學競賽中得到一等獎(名例全市第12名)。

免試進入交通大學後,在強手如林的市"21世紀英才"五項全能賽中獲第5名。

林慶紛的成長過程,為我們提供了如下經驗:對數學能力方麵超常的學生,在學校中可以用"同步教學"方法,以"研究性教學法"為手段,提高其思維素質的品位,縮短數學奠基的時限,為天才脫穎而出提供機遇。數學美學的思想及其教學實驗探索

數學中是否包含有美的因素?

數學的發展是否受美學思想的影響?

對此,回答是肯定的。

古代的哲學家、數學家普洛克拉斯斷言:"哪裏有數,哪裏就有美。"

法國數學家龐加萊寫道:"數學家們十分重視他們的方法和理論是否十分優美,這並非華而不實的作風,那麼,到底是什麼使我們感到一個解答、一個證明優美呢?那就是各個部分之間的和諧、對稱,恰到好處的平衡。一句話,那就是井然有序,統一協調,從而使我們對整體以及細節都能有清楚的認識和理解,這正是產生偉大成果的征兆。"他又說:"能夠作出數學發現的人,是具有感受數學中秩序、和諧、對稱、整齊和神秘美等能力的人,而且隻限於這種人。"

數學家馮·諾意曼認為:"歸結到關鍵的論點,我認為數學家無論是選擇題材還是判斷成功的標準主要都是美學的。""數學家成功與否和他的努力是否值得的主觀標準,是非常自足的、美學的、不受(或似乎於不受)各種經驗的影響。"

以下情境是每個數學工作者都碰到過的--

凝神苦思,千轉百回......驟然,似電光一閃,思路頓開,柳暗花明,拍案歡呼:"嗬,太美了!"這不正是數學世界沉思中的一種常見的情境嗎?

數學是美的。

大數學家克萊因認為:"數學是人類最高超的智力成就,也是人類心靈最獨特的創作。音樂能激發或撫慰情懷,繪畫使人賞心悅目,詩歌能動人心弦,哲學使人獲得智慧,科學可改善物質生活,但數學能給予以上的一切。"

美,作為現實的事物和現象、物質產品和精神產品、藝術作品等的屬性總和,具有:勻稱性、比例性、和諧性、色彩變幻、鮮明性和新穎性。作為精神產品的數學就具有上述美的特征。

數學是人類最偉大的精神產品之一。這是一個全然人造的金碧輝煌、自給自足的世界。10個數字,構築起一個無限真與美的王國。數學,就是人造的宇宙。

古希臘畢達哥拉斯學派主張"萬物最基本的元素是數,數的和諧--這就是美。"

一、數字世界奇妙無窮

122=144,換一下次序,212=441。同樣的數還有一串:

1022=10404,2012=40401;1122=12544,2112=44521;

1222=14884,2212=48841;1132=12769,3112=96721;

......

還有更一般的形式

(100...02)2n個=100...04 n個00...04n個,倒一下

(2 00...01n個)2=4 00...04 n個00...01n個。誰也難以回答這是"為什麼"?天知道這種數究竟有多少。這種蘊藏在大千世界中的"自然美"是何其地對稱、和諧。

還有更奇妙的精靈:幻方。

所謂幻方,是由1到n2的連續自然數按一定規律排成n行、n列的方陣。方陣中每一橫行、每一縱列以及每一條對角線上n個數的和全是相等的。由於它變幻無窮,引來國際上眾多的數學家為之絞盡腦汁。

美國的馬丁教授畢生從事幻方研究,他排出了880種不同結構的四階幻方。然而,有一天,一個叫亞當斯的人給他寄來了六角幻方,馬丁教授查遍所有資料,也未發現有六角幻方的記載。1969年,大學生阿萊爾利用電子計算機探索六角幻方的種類,結果驚人:六角幻方隻有一個,就是亞當斯排出的那一個。於是它就成為數學寶庫中的稀世奇珍。然而,這個小小的六角幻方的得到,竟花去亞當斯52年的時間!人們對美的追求竟如此執著。

二、幾何王國詩意朦朧

難以想象的是,看來嚴謹到近乎於刻板的數學公式,竟然會與如此優美的幾何圖形(如曲線)相映成趣,交織成大自然一幅幅絢麗無比的圖畫。當你漫步在山花爛漫的幽境之中時,你是否想得到,有些花的形狀,居然從屬於一個精確的曲線方程式。

每一個數學公式,就是一首詩,公式C=2πR就是其中一例。司空見慣的圖形--圓,內含的周長與半徑有著異常簡潔、和諧的關係,一個傳奇的數π把它們緊緊相連。天地間有無數個圓,唯有C=2πR這個純粹的圓最精致,最完美。這是數學家的智慧與大自然靈氣撞擊而再生的哲理美,無怪乎人們用"圓滿"言喻十全十美。

造物主作下了精妙的"安排":在天體運動著的星球遵循四種軌道,人造衛星、行星、彗星等依據運動速度的不同(即7.9千米/秒、11.2千米/秒、16.7千米/秒三種宇宙速度)順從地運行在圓、橢圓、拋物線及雙曲線的軌道中。

河上架著一座座的橋,筆直地延伸不是既省時又省力嗎?可人們偏要修成"九曲橋"、"拱形橋",為的是它不僅合於力學原則,還有觀賞價值。

曲線之美,普天公認。畫家與美學家經多年細心觀察發現,物體輪廓凡由波浪線構成的都顯得優美,這就是"曲線美"的美學規律,並由此推論:一切曲線中首推人體曲線最美。

曲線不僅有柔和而流暢的外形,它還有豐富又深刻的意蘊--圓,完美無缺,無可非議;螺旋線蜿蜒伸拓,暗示著某種人生真謗;漸近線欲達而不能,激起人們不竭地追求。

比例與對稱的數量關係,以其天造地設的美感令人歎為觀止。把長為c的線段分為a(較長),b(較短)兩段,使之符合a∶b=c∶a,得到a∶c=0618。這0618正是最美、最巧妙的比例,人們稱之謂"黃金分割"。法國巴黎聖母院、中國故宮的構圖都融入了"黃金分割"的匠心。希臘人按"黃金分割"建造起了莊嚴肅穆的帕提儂神廟。埃及胡夫金字塔、米洛的維納斯中的一些長度比值,都采用了"0618"。舞台上報幕員的最佳位置,"最後的晚餐"中猶大的形象都處在"黃金分割"點上。運動員上、下身之比接近5∶8,看上去修長而挺拔,遺憾的是一般人上身長了二寸左右,有些女孩就用鞋跟來彌補這個缺陷。

大自然的鬼斧神工使幾何圖形的對稱美成了造型藝術、建築美學的基礎。雪花的對稱性就是大自然的傑作。晶體的平麵對稱極為精巧,並由此內含著深刻的物理性質。在人類賴以生存的建築群中,小到衣物裝飾,大到房屋建築(諸如屋頂、窗格、地麵、雕梁、畫棟),幾乎處處都有美麗的對稱形裝飾,古代皇宮中壁畫的邊飾、項光和藻井,無不含有極為壯麗的對稱美,以至亡國之君李煜在身受軟禁之際,還深情地懷戀昔日的"雕闌玉砌應猶在"。