在数学教程中如何给出定义,经常是值得研究的 。好的定义应当揭示概念的本质,是“what”层面的,而不是“how”层面的 。撰文|姜树生本文所讨论的数学问题,主要与数学教育有关 。对于一个数学概念的理解,直观、定义与表达这三个方面都是需要的,但有各不相同
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在数学教程中如何给出定义,经常是值得研究的 。好的定义应当揭示概念的本质,是“what”层面的,而不是“how”层面的 。
撰文 | 姜树生
本文所讨论的数学问题,主要与数学教育有关 。
对于一个数学概念的理解,直观、定义与表达这三个方面都是需要的,但有各不相同的作用 。
在小学数学的初级教程(具体说就是自然数的认识)中,这三个方面是混合在一起的,既要有直观(从扳着手指头数数开始,实际上要做很多实验),又要学记数法(进而就可以计算),最终要形成自然数的概念 。在这个过程中,难免有不适当的做法,甚至走弯路、犯错误,但如果最终形成了自然数的概念,在学习过程中有些缺点出些错误都无可非议 。就如孩子学走路,难免跌跌爬爬,磕磕碰碰,甚至受点伤,但只要最终学会走路就行 。
然而近年来,有些自以为高明的教学法,从很小就教孩子学习记数和计算,不重视甚至忽略直观 。其结果可能使得孩子在速算比赛中获奖,但却不能自觉地应用数学解决生活中的问题,更没有培养创新能力 。其实只是一种虚荣而已 。
到了中学数学教程中,上述三个方面逐渐分开,教学法与小学有显著的不同 。
首先来看无理数的概念 。在早年的大多数教科书以及当今的一些教科书中基本上是这样讲的: 首先以例子说明无理数存在,具体说就是有的“数”不等于两个整数的比,最常见的是边长为 1 的正方形的对角线的长度(有的教科书中给出其无理性的证明) 。认识到无理数的存在,就可以进一步形成实数的概念,即有理数与无理数的全体 。至于无理数表达为无限不循环小数,很多教科书是不讲的,或者仅举具体的例子让学生体会 。这样的讲法尽管没有给出实数的定义,却是适合大多数学生 。实际上大多数人一辈子也没见过实数的定义,但这并不妨碍他们在工作中使用实数,因为数学的严谨性是由数学家保证的,一般人尽可以放心大胆地使用 。
但是,如果有学生问“什么是无理数”,准确地说就是不满足于直观,希望从根本上搞清楚实数的概念,教师应该怎样回答呢?这样的学生是千里挑一,而能回答这样问题的中学教师也是千里挑一 。问题仅在于千里挑一的学生能否遇到千里挑一的老师 。
有的老师会回答说:“无理数就是无限不循环小数”,在有些教科书或课外书中也看到这样的“定义” 。然而,“无限不循环小数”只是无理数的一种表达方式,而不能作为定义 。从哲学上说,任何一个定义必须是针对一个客观存在的对象,否则就可能落入逻辑陷阱 。(一个典型的例子就是“所有集合的集合”,若引入这个“定义”,整个数学体系就崩溃了 。)首先需要明白实数是一种客观存在,然后才能谈它的表达 。
有效的实数定义至少有两个,一是用戴德金分割,一是用基本叙列 。两个定义是相互等价的,但风格迥异,前者几何味较浓,后者代数味较浓 。(从数论的眼光看,实数是整数在“阿基米德位”的局部化 。)要想理解实数的实质,最好两个定义都读懂(若能从数论的角度理解当然更好) 。但这两个定义都颇不简单,而且定义后还要建立各种运算、大小关系、极限等 。对于一般的中学生甚至大学生,难度都是相当高的 。因此,在中学数学教程和大学高等数学教程中不引入实数的定义,是明智的 。
但若在中学或大学数学教程中以“无限不循环小数”作为无理数的定义,则是非常不明智的,非但不能使学生明白,反而会使很多学生误以为懂了 。如 [4] 中所说:
“不怕不懂,就怕不懂还自以为懂 。”
再来看平面几何 。在几何教科书中有很多定义,但这些定义都不是“原始”的,原始的概念如点、直线、平面等都是只有直观没有定义的,但它们由公理体系界定 。用现代的语言,几何对象可以定义为满足一些条件 (公理) 的若干集合所组成的体系 。硬要定义直线、平面等是不会有好结果的,所幸还没听说有这样的教科书 。
不过在现行中学数学统编教科书中,很多几何概念的定义有严重缺陷,例如把直观当作定义,或语义含混 (详见 [2]) 。
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