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小学数学教学中的若干问题
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史宁中
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问题1 数量是什么?数量关系的本质是什么?
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数量是对现实生活中事物量的抽象 / 数量关系的本质是多与少
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问题2 如何认识自然数?
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数是对数量的抽象 / 数关系是对数量关系的抽象:大与小 / 可以有两种方法实现这种抽
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象:对应的方法和定义的方法
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问题10 为什么说减法是加法的逆运算?
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四则运算源于加法 / 减法是加法的逆运算 / 相反数 / 整数集合
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种解多元高次联立方程组的方法、提出的“招差术”是一种高次内插法;书还述说了从立体角度思考的数学问题,比如,书中提出的“垛积术”就是一种从立体层面考虑的三维的级数求和方法。可惜的是,在朱世杰的这部书中,无论是问题的提出、还是结果的描述几乎都是具体的数值,没有抽象成一般性的符号表达,因此,很难让人理解问题的本质和结果的含义,也能难让人揣摩解决问题的思路,因此明清以后几乎就没有人能够理解朱世杰的工作了。
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数学抽象的本质。由此可见,用抽象的符号来表述概念从而形成数学的研究对象,用抽象的符号来表示研究对象之间的关系从而形成命题,对数学是何等重要。那么,到底什么是数学的抽象呢?数学抽象的本质是什么呢?我们还是回顾亚里士多德的论述。在《形而上学》一书中,亚里士多德对抽象的方法阐述到:
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数学家用抽象的方法对事物进行研究,去掉感性的东西诸如轻重、软硬、冷热,剩下的只有数量和关系,而各种规定都是针对数量和关系的规定。有时研究位置之间的关系,有时研究可通约性,还研究各种比例等等。…… 数学家把共同原理用于个别情况,…… 等量减等量余量相等,这便是一条对所有量都适用的共同原理。对于数学研究而言,线、角,或者其他的量(的定义),不是作为存在而是作为关系。
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数学抽象的本质。由此可见,用抽象的符号来表述概念从而形成数学的研究对象,用抽象的符号来表示研究对象之间的关系从而形成命题,对数学是何等重要。那么,到底什么是数学的抽象呢?数学抽象的本质是什么呢?我们还是回顾亚里士多德的论述。在《形而上学》一书中,亚里士多德对抽象的方法阐述到:
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数学家用抽象的方法对事物进行研究,去掉感性的东西诸如轻重、软硬、冷热,剩下的只有数量和关系,而各种规定都是针对数量和关系的规定。有时研究位置之间的关系,有时研究可通约性,还研究各种比例等等。…… 数学家把共同原理用于个别情况,…… 等量减等量余量相等,这便是一条对所有量都适用的共同原理。对于数学研究而言,线、角,或者其他的量(的定义),不是作为存在而是作为关系。
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事实正是如此,数学抽象至少要把握两条:一条是去掉现实世界中事物的那些感性的东西,只保留事物的数量特征或者图形特征、以及数量或者图形之间的关系,并且创造符号、建立概念来表达这些特征和关系,比如,创造自然数的符号、并且建立等于、大于这样的概念来表示自然数之间的关系;再比如,抽象出点、线、面、角这样的图形、并且建立属于、之间这样的概念来表示图形之间的关系;另一条是数学的使命不是研究那些抽象出来的概念本身
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话题23 路程模型:绝对时间与相对时间
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在问题18 中讨论了小学数学涉及到的几种模型,这个话题将深入讨论其中的路程模型。讨论的目的想说明:模型的重要性不仅仅在于数学的表达,而更重要的是对现实世界的解释。模型中的每一个量都有其现实意义,而且在许多情况下,现实意义解释的不同会使模型发生质的变化。我们借用路程模型来述说其中的道理。
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路程模型表述的是:距离、速度、时间这三者之间的关系。如果用 x 表示距离,用 v 表示速度,用 t 表示时间,那么,路程模型可以用符号表示为
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那么,光的速度是最快的吗?这个问题似乎是荒谬的,因为在小学数学中就有顺水行舟的问题,解决问题的关键是知道:
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真实速度 = 船的速度 + 水流速度。
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根据同样的道理,如果在飞驰的火车上向前射出一束光,那么射出光的速度就应当比原来的光速快,这不就否定了光速最快的假说吗?可是,爱因斯坦用“思维的实验”告诉我们,这是不可能的:光的速度与发光物体的速度无关。后来,这个结论被迈克尔逊的实验验证。
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话题20 除法运算规定0不能为除数
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话题21 除数是分数时的除法运算
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话题22 数学中的符号表达
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问题10。
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话题21 除数是分数时的除法运算
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话题22 数学中的符号表达
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话题23 路程模型:绝对时间和相对时间
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问题6 如何认识分数?
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虽然可以把分数看作是除法运算的一种表示(参见
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洛伦兹懂了相对论的数学,可是没有懂其中的物理学,庞加莱则是懂了相对论的哲学,但也没有懂其中的物理学。
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现在,还是回到现实世界,我们不能不提出这样的问题:在不同的惯性系中时间不同,这是可能的吗?这个结论意味着:时间的度量是由所在惯性系决定的,这是可能的吗?也就是说,同样一个钟表,在惯性系 A 中度量的时间与在惯性系 B 中度量的时间是不同的,钟表的运行速度与所在惯性系有关,这是可能的吗?为什么会这样呢?
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相对时间的可能性。到目前为止,最精准的度量时间的仪器是原子钟。如果时间是相对的,那么同一台原子钟,在不同的惯性系中得到的时间将是不同的。这真是一件不可思议的事情,但实验结果表明,事实确实如此。比如,带电 π 介子的半衰期是一亿分之十七秒,也就是说,在通常情况下,带电 π 介子每隔一亿分之十七秒粒子就要衰变一半;但是,如果把这种粒子加速到光速的 90% ,则半衰期将会增加两倍多,达到一亿分之三十九秒
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现在,还是回到现实世界,我们不能不提出这样的问题:在不同的惯性系中时间不同,这是可能的吗?这个结论意味着:时间的度量是由所在惯性系决定的,这是可能的吗?也就是说,同样一个钟表,在惯性系 A 中度量的时间与在惯性系 B 中度量的时间是不同的,钟表的运行速度与所在惯性系有关,这是可能的吗?为什么会这样呢?
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相对时间的可能性。到目前为止,最精准的度量时间的仪器是原子钟。如果时间是相对的,那么同一台原子钟,在不同的惯性系中得到的时间将是不同的。这真是一件不可思议的事情,但实验结果表明,事实确实如此。比如,带电 π 介子的半衰期是一亿分之十七秒,也就是说,在通常情况下,带电 π 介子每隔一亿分之十七秒粒子就要衰变一半;但是,如果把这种粒子加速到光速的 90% ,则半衰期将会增加两倍多,达到一亿分之三十九秒。正是根据这个原理,在科学实验中,人们利用高速的粒子加速器研究各种粒子的特性。这个结果意味着,在更快的惯性系原子钟将会变慢。
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不知道为什么,古代中国先民凭借直觉似乎感悟到:在不同的场合时间的度量是不同的,因为古代中国的几乎所有涉及到上天的故事,其中关于时间的说法是统一的:天上一日,人间数年。根据爱因斯坦狭义相对论,当相对速度 v 非常接近光速 c 时,洛伦玆因子γ可以非常大,这样,相对时间也可以相差非常大。借助现代科技,人们在宇宙射线中发现,氢原子的原子核的速度与光速相差无几,如果按照地球的时间计算,这种质子穿过银河系的
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尼罗河在泛滥的时候,它不仅泛滥到三角洲上去,而且也泛滥到被认为是属于利比亚和阿拉伯的那些地方上去;它泛滥到距离两岸有两天的路程的地方,有时远些,有时则近些。
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当尼罗河泛滥到地面上来的时候,只有市镇才可以被看到高高地在水面之上并且是干燥的,和爱琴海上的岛屿非常相似。只有这些市镇露在水面之上,而埃及的其他地方则完全是一片水。… 船只实际上就是经过金字塔的近旁的 … 。
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尼罗河泛滥对于古埃及人们的生活以及经济发展影响重大,以至于政府的税收政策也与洪水的泛滥有关。国家规定:根据每年洪水的高度和耕种的土地面积大小征税,关于这一点,希罗多德在《历史》这部书中是这样记载的:
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当尼罗河泛滥到地面上来的时候,只有市镇才可以被看到高高地在水面之上并且是干燥的,和爱琴海上的岛屿非常相似。只有这些市镇露在水面之上,而埃及的其他地方则完全是一片水。… 船只实际上就是经过金字塔的近旁的 … 。
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尼罗河泛滥对于古埃及人们的生活以及经济发展影响重大,以至于政府的税收政策也与洪水的泛滥有关。国家规定:根据每年洪水的高度和耕种的土地面积大小征税,关于这一点,希罗多德在《历史》这部书中是这样记载的:
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如果河水冲毁了一个人分得的土地的任何一部分土地,这个人就可以到国王那里去把发生的事情报告他;于是国王便派人前来调查并测量损失地段的面积;今后他的租金就要按照减少后的土地面积来征收了。我想,正是由于有了这样的做法,埃及才第一次有了量地法,而希腊人又从那里学到了它。
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话题24 几何学的由来
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话题25 欧几里得《几何原本》
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话题26 几何基本概念的进一步抽象
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问题13和附录中的
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个定义,这些定义描述了平面几何研究的基本对象,依次为:点、线、面、角、多边形、三角形、平行线。事实上,通过长期的日常生活和生产实践,人们已经创建了这些术语并且能够用这些术语进行交流,说明人们已经清楚这些术语的含义。但是,要明确给出这些术语的定义却是一件非常困难的事情,这不仅需要把握术语含义的本质,还必须进行高度的抽象概括。现在我们来分析欧几里得给出的定义,关于点、线、面是这样(其中序号是原序号):
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1. 点是没有部分的。2. 线只有长度没有宽度。5. 面只有长度和宽度。
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进一步,他又定义了直线和平面:
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1. 点是没有部分的。2. 线只有长度没有宽度。5. 面只有长度和宽度。
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进一步,他又定义了直线和平面:
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4. 直线是它上面的点一样的平放着的线。7. 平面是它上面的线一样的平放着的面。
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进一步,他又定义了直线和平面:
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4. 直线是它上面的点一样的平放着的线。7. 平面是它上面的线一样的平放着的面。
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关于角、平角、直角和垂直是这样定义的:
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4. 直线是它上面的点一样的平放着的线。7. 平面是它上面的线一样的平放着的面。
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关于角、平角、直角和垂直是这样定义的:
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8. 平面角是在一平面但不在一条直线上的两条相交线相互的倾斜度。
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关于角、平角、直角和垂直是这样定义的:
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8. 平面角是在一平面但不在一条直线上的两条相交线相互的倾斜度。
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9. 当包含角的两条直线是一条直线时,这个角叫做平角。
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8. 平面角是在一平面但不在一条直线上的两条相交线相互的倾斜度。
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9. 当包含角的两条直线是一条直线时,这个角叫做平角。
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10. 当一条直线和另一条直线交成的邻角彼此相等时,这些角的每一个叫做直角,而且称其中一条直线垂直于另一条直线。
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23. 平行直线是在同一平面内的直线,向两个方向无限延长,在不论哪个方向它们都不相交。
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欧几里得的定义是幼稚的,这至少表现在两个方面:首先,定义中使用了没有定义的术语,比如长度和宽度;其次,定义中使用了“没有部分的”、“只有长度没有宽度”、“一样的平放着”等令人费解的描述。我们称这样的定义为具有物理属性的定义。
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虽然欧几里得的定义是幼稚的,可是,即便是在两千多年以后的、科学技术已经如此发达的今天,我们能够给出比欧几里得的更好的、具有物理属性的定义吗?或许可以这样认为,数学知识的最后确立通常需要两步抽象:第一步抽象是为了创造新的方法,就像欧几里得所作的这样,这样的抽象往往带有物理属性;第二步抽象是为了更好地解释这些方法,就像下一个话题将要讨论的希尔伯特所作的那样,第二步抽象就是要尽量摆脱物理属性。
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