☉華中師范大學(xué)教育學(xué)院 劉師妤
☉湖北武漢市英格中學(xué)
眾所周知,數(shù)學(xué)總以“抽象、嚴(yán)謹(jǐn)”的面目示人,殊不知背后推進(jìn)的每一步都體現(xiàn)了簡潔性,追求著這份無與倫比的美.“問題解決”作為數(shù)學(xué)課程中一個重要的實踐環(huán)節(jié),在擔(dān)負(fù)起培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)的能力的責(zé)任時,更要讓學(xué)生體會到“做數(shù)學(xué)”究竟是怎樣一回事.由未知轉(zhuǎn)化到已知的過程實際上就是我們常說的化簡,也是數(shù)學(xué)的求簡精神的體現(xiàn),盡管轉(zhuǎn)化的方式和手段不一致.“簡單是真的印記”,數(shù)學(xué)知識邏輯結(jié)構(gòu)的簡約、解題方法的簡捷、表達(dá)形式的簡明無不反映出數(shù)學(xué)的“簡”的內(nèi)涵,求簡是我們科學(xué)工作者始終追求的目標(biāo).
大寶有句經(jīng)典的廣告詞:“把簡單的事搞復(fù)雜——麻煩;把復(fù)雜的事情做簡單了——貢獻(xiàn).”數(shù)學(xué)這一模式的科學(xué)從認(rèn)識自然、描述自然的過程中以刻畫規(guī)律的“使者”身份走出來,經(jīng)歷了極大的抽象演變,遵循著“大道至簡”的求簡原則,才鑄就了“自然科學(xué)中數(shù)學(xué)皇后”的無上榮耀!
雖至今日,數(shù)學(xué)的本質(zhì)還沒有定論,但數(shù)學(xué)研究工作是離不開化簡的,簡化是分析問題、解決問題的基本策略.常見的簡化形式有符號化、形式化、數(shù)學(xué)抽象與直觀化.
1.符號化.
數(shù)學(xué)符號體系的建立是近代數(shù)學(xué)發(fā)展最為明顯的標(biāo)志之一.符號成為數(shù)學(xué)的基本工具,亦是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的重要內(nèi)容.數(shù)學(xué)運用數(shù)學(xué)符號表達(dá)、交流,高度抽象、簡化或量化研究對象,從而推動數(shù)學(xué)思維的長足發(fā)展.皮亞諾曾坦言:“數(shù)學(xué)的一切進(jìn)步都是對引入符號的反應(yīng).”從這個意義上講,數(shù)學(xué)符號體系的發(fā)展與完善組成了數(shù)學(xué)語言系統(tǒng),更催生了數(shù)學(xué)多個分支(如代數(shù)學(xué)、解析幾何學(xué)、數(shù)理邏輯學(xué)等),實現(xiàn)了由煩瑣向簡潔的轉(zhuǎn)化.當(dāng)然,數(shù)學(xué)圖式也可看作數(shù)學(xué)符號的一種.
我們可以從數(shù)向式的演變過程中體會數(shù)學(xué)符號化的重要意義.
數(shù)學(xué)的發(fā)展、演變過程跟數(shù)是息息相關(guān)的.小學(xué)數(shù)學(xué)教育中,培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)感是很重要的一項教學(xué)目標(biāo).為理解數(shù)字表達(dá)的含義,我們用蘋果、橘子等實物演示,以求再次運用這些抽象的數(shù)字時,能完全脫離它與具體對象的聯(lián)系.進(jìn)而到學(xué)會數(shù)數(shù),我們要對數(shù)的概念中基數(shù)與序數(shù)有清晰的認(rèn)知,基數(shù)是數(shù)的個數(shù),序數(shù)是從1開始,數(shù)到幾就是幾.
數(shù)字的表達(dá)上是簡明的.到國際通用的“阿拉伯?dāng)?shù)字”后,為了進(jìn)一步的便利,我們引進(jìn)了更多、更簡潔的數(shù)學(xué)符號.方程x+1=0在正數(shù)范圍內(nèi)沒有解,中國古代算籌中的“以紅色為正,黑色為負(fù)”又太過煩瑣,表示負(fù)數(shù)的符號“-”才應(yīng)運而生.既將數(shù)的研究范疇擴(kuò)充到了有理數(shù),又優(yōu)化了表達(dá)書寫.至此,0的概念也從抽象狀態(tài)的“沒有”思辨化成了正數(shù)與負(fù)數(shù)的分界;實際生活中的5℃與-5℃雖然都是5攝氏度,但有了正負(fù)的區(qū)別,數(shù)的表達(dá)就更具準(zhǔn)確性了.
有理數(shù)數(shù)系系統(tǒng)形成后,我們也多了些任務(wù):要辨認(rèn)數(shù)的特性,給數(shù)歸類.文氏圖的做法又是一個符號記法上的創(chuàng)新,在圓圈或矩形框內(nèi)的數(shù)在這個特定的集合內(nèi),不在其內(nèi)的說明有不同的性質(zhì).但我們還是無法簡化生活中的方位與距離問題,本質(zhì)上講,就是數(shù)的序的問題沒有得到簡化.一條具有正方向、原點及單位長度的直線(即數(shù)軸)產(chǎn)生了!任何有理數(shù)都能用這條特殊直線上的點唯一表示出來,以點代數(shù),點的有序性就瞬間轉(zhuǎn)化為了數(shù)的有序性.雜亂無章的有理數(shù)就規(guī)規(guī)矩矩地在數(shù)軸上站成了一排,我們不得不感嘆以形助數(shù)、化抽象為直觀具體的壯舉.
利用數(shù)軸這一工具,我們觀察到除了原點,到原點距離相等的點總是成對出現(xiàn),它們所表示的數(shù)符號相反、數(shù)值相同,我們稱之為相反數(shù).相反數(shù)概念的引入,又使得有理數(shù)減法的操作規(guī)則簡化為加法規(guī)則,在運算上做了簡化.但我們不禁要問,倒數(shù)的概念是否也發(fā)揮了類似的作用呢?答案是肯定的.五大運算律又大大簡化了數(shù)的運算.似乎我們正在談及的數(shù)的運算的簡化是題外話,但數(shù)的表達(dá)形式縱使有千萬種,沒有了運算的功能也只是“不實用的花瓶”罷了!
還有很多的記法也十分簡約.如因式相同的乘法我們可以寫成乘方(an)的形式,基于此,極大或極小的數(shù)就可寫成科學(xué)記數(shù)法的形式.超出有理數(shù)范疇,已知冪和指數(shù)2,我們就能開方((a≥0)).科學(xué)記數(shù)法保留了原始數(shù)字大小,但有些數(shù)的表達(dá)是無需精確或難以精確的,近似取代又成了一種表達(dá).
上述對于數(shù)的表達(dá)都有一個共同特征,就是一對一,確定對確定.如數(shù)軸上的某點A代表某數(shù)a,代表2的算術(shù)平方根等.數(shù)字1與字母x對話后,我們發(fā)現(xiàn)以字母代數(shù)的思想就把數(shù)的表達(dá)往前大大推進(jìn)了一步.x可以表示任何具體的數(shù),能保證運算及推理的一般性,能表示未知,能實現(xiàn)一對多,不確定對確定.
也正是因為字母代數(shù)的思想誕生,數(shù)學(xué)符號語言才迅猛發(fā)展,日趨完善.字母還能代表更抽象的運算,如集合、命題、空間等.因而,說數(shù)學(xué)是一門關(guān)于數(shù)的學(xué)科絕對是有很充分的理論依據(jù)的.克萊因曾說:“如果沒有符號體系,數(shù)學(xué)將迷失在文字的荒原中.”此外,符號體系的建立是不必與具體的研究對象關(guān)聯(lián)起來的,也就是說抽象這一行為帶來了簡化,革除了那些干擾或影響我們做出判斷的非本質(zhì)的東西.
2.形式化.
數(shù)學(xué)符號化雖說是數(shù)學(xué)形式化的一部分,但更廣泛意義上的形式化還包括命題及推理系統(tǒng)的公式化及對所有具體內(nèi)容、對象、模式、過程及方式所采用的數(shù)學(xué)表達(dá)與數(shù)學(xué)概括.因而,形式化是一定程度上的數(shù)學(xué)化,使用數(shù)學(xué)這一工具研究客觀世界與規(guī)律必然會帶來便利,只是與內(nèi)容關(guān)聯(lián)多少的問題.
就拿我們熟悉的三段論證明范式來說,由于形式化了的推理過程與代數(shù)演算具有相似性,這類推理的正確性僅依賴于它們的形式,而與內(nèi)容無關(guān).在這里,概念、推理等被分解為最基本的元素,推理過程被表示為由開始公式出發(fā)根據(jù)某些具體規(guī)則而做的形式變形.其目的在于向前推理,或由因以成果.所謂三段論,是指大前提、小前提和結(jié)論.邏輯學(xué)上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆瘩g必須要經(jīng)過這三步.
其格式為:
大前提:凡M是P;
小前提:凡S是M;
結(jié)論:凡S是P.
又比如假設(shè)檢驗理論的基本步驟往往被概括為:
(1)建立假設(shè),確定檢驗水準(zhǔn);
(2)選擇檢驗方法,并計算統(tǒng)計量;
(3)根據(jù)統(tǒng)計量與確定假設(shè)檢驗成立的可能性P的大小,做出統(tǒng)計推斷.
其形式化過程體現(xiàn)在算法步驟的概括和每一步驟中數(shù)學(xué)的表達(dá)與演繹中,這應(yīng)是更高層次的形式化.
但從解題的角度講,我們期盼的是試題適度的形式化表達(dá)(較低程度的形式化又不太可能),否則轉(zhuǎn)化或還原出問題的本真是困難的,那這種掩蓋了本質(zhì)的形式對培養(yǎng)學(xué)生的思維能力也起不到太大的效果.新課程的課堂教學(xué)理念之一就是教學(xué)向生活回歸,體現(xiàn)生活性.架構(gòu)起“數(shù)學(xué)與實際生活”橋梁的科學(xué)方法就是建構(gòu)模型,數(shù)學(xué)模型是形式化的美好產(chǎn)物.數(shù)學(xué)建模包括模型準(zhǔn)備、模型假設(shè)、模型構(gòu)成、模型求解與模型分析等過程,基于明了對象特征及內(nèi)在規(guī)律的前提下,使用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具輔以數(shù)學(xué)方法(特別是計算機(jī)技術(shù)手段)作數(shù)學(xué)上的必要分析(擬合分析、穩(wěn)定性分析等).因此,不能為了追求一味的簡潔而接受過度的形式化,知識產(chǎn)生與發(fā)展的背景或創(chuàng)設(shè)的有關(guān)情境也能使形式化的結(jié)果更加簡練,本質(zhì)也更為突出.
3.數(shù)學(xué)抽象.
數(shù)學(xué)抽象是數(shù)學(xué)哲學(xué)的基本概念,指抽取出同類數(shù)學(xué)對象的共同的、本質(zhì)的屬性或特征,舍棄其他非本質(zhì)的屬性或特征的思維過程.抽取出本質(zhì)特征而忽略其他非本質(zhì)特征,屬于簡化無疑.當(dāng)然,形式化應(yīng)該也是數(shù)學(xué)抽象的一種情形.但由于數(shù)學(xué)抽象的方式各異,也就決定了數(shù)學(xué)抽象有不同于形式化的“求簡”之道.數(shù)學(xué)知識間是盤根錯節(jié)的,是相互關(guān)聯(lián)的,我們的任何發(fā)現(xiàn)、發(fā)明甚至是一些小的創(chuàng)新與突破一定是基于已有的研究結(jié)果或研究方法的,或者是有著千絲萬縷的關(guān)系的,能善用這些“現(xiàn)有資源”比起從無到有,重新開辟一個新的領(lǐng)域要經(jīng)濟(jì)得多、簡單得多!遵照“特征分離概括化法則”,我們從數(shù)學(xué)對象的眾多屬性或特征中辨認(rèn)出本質(zhì)屬性或特征,從貌似不同的同類數(shù)學(xué)對象中找出共同的東西;遵照“關(guān)系定性特征化法則”,我們把一些表面上看來互不相關(guān)的數(shù)學(xué)概念聯(lián)系起來,引進(jìn)某種新的關(guān)系結(jié)構(gòu),并把新出現(xiàn)的性質(zhì)作為特征規(guī)定下來;我們根據(jù)數(shù)學(xué)發(fā)展的邏輯上的需要,構(gòu)想出不能由現(xiàn)實原型直接抽取的、完全理想化的數(shù)學(xué)對象,作為一種新元素添加到某種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中去,使之具有完備性;有時我們又需要根據(jù)數(shù)學(xué)發(fā)展的需要,構(gòu)想出完全理想化的新的公理(或基本法則),以排除數(shù)學(xué)悖論,使整個數(shù)學(xué)理論體系恢復(fù)和諧統(tǒng)一,非歐幾何學(xué)平行公理、非阿基米德公理等都是公理化抽象的產(chǎn)物.
對于“數(shù)學(xué),為什么搞這么抽象”的振聾一問,中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所閔應(yīng)驊教授給出了他平實且富含哲理的解答:
數(shù)學(xué)的思維之所以抽象,就是要簡化問題的描述,把最本質(zhì)、最重要的因素提出來,使得問題清晰可見,而不是混雜在一片混亂之中.如果抽象得有錯誤,那也是明顯可見.工程問題中引入數(shù)學(xué)模型,也許是為了優(yōu)化,也許是為了局限一些漫無邊際的思維領(lǐng)域,也許是考慮某個變量的上下界,如此等等.沒有數(shù)學(xué)模型,許多客觀現(xiàn)象得不到精確的描述,對策也就常常不能有的放矢.網(wǎng)絡(luò)流量模型就是至今沒有很好解決的一個數(shù)學(xué)模型.沒有它,我們不能模擬產(chǎn)生逼真的網(wǎng)絡(luò)流量,不能很好地控制流量,不能保證很好的服務(wù)質(zhì)量.所以,數(shù)學(xué)的抽象是科研人員重要的本事,其本身也是科研成果.
數(shù)學(xué)抽象作為數(shù)學(xué)學(xué)科的優(yōu)勢(工具屬性)使數(shù)學(xué)煥發(fā)著魅力與光彩.南京大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院顧沛教授在開設(shè)的數(shù)學(xué)文化課中著重介紹了數(shù)學(xué)的抽象性,課中列舉了“哥尼斯堡的七橋問題”,如何將哥尼斯堡的一條小河上的7座橋一次性走完又不重復(fù)呢?居民在多次嘗試無果后,來請教大數(shù)學(xué)家歐拉.于是聰明的歐拉首先經(jīng)過三步抽象——地圖的抽象,問題的抽象,把問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方式的敘述,最終將一個全新的問題抽象成一筆畫問題,成功地抓住并突出了事物的本質(zhì),開創(chuàng)了數(shù)學(xué)的新的分支——圖論.這正好印證了“數(shù)學(xué)與其他科學(xué)的不同之處是容許抽象,只要是美麗的,就足以主宰一切”.(丘成桐語)
4.數(shù)學(xué)直觀.
以數(shù)學(xué)的眼光看世界,以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)世界,數(shù)學(xué)直觀就是一種手段.我們認(rèn)識事物總是遵循著“直觀(實物直觀、模象直觀、言語直觀)—抽象—直觀(對象可見)”的螺旋式發(fā)展結(jié)構(gòu),因而總地來看,數(shù)學(xué)直觀是一種以具體載體為對象,未經(jīng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评矶鴮κ挛锏膶傩约疤卣餮附莸刈龀鼍哂幸欢茖W(xué)性的判定(如猜想、類比、聯(lián)想、轉(zhuǎn)化及預(yù)估等),當(dāng)然,我們還面臨著犯錯的風(fēng)險.但對于認(rèn)識水平的提高及更有價值的結(jié)論的發(fā)現(xiàn)來說,直觀往往是通向精確化與簡化表達(dá)的必經(jīng)之路.我們通常所說的數(shù)學(xué)直觀包括代數(shù)直觀與幾何直觀.我國著名數(shù)學(xué)家華羅庚就說過“數(shù)形結(jié)合百般好,隔離分家萬事休”,兼思兩種直觀才會“百般好”!
《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》指出:“幾何直觀主要是指利用圖形描述和分析問題.借助幾何直觀可以把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題變得簡明、形象,有助于探索解決問題的思路,預(yù)測結(jié)果.幾何直觀可以幫助學(xué)生直觀地理解數(shù)學(xué),在整個數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中都發(fā)揮著重要作用.”著名數(shù)學(xué)家徐利治先生也有過對幾何直觀的描述:“幾何直觀是借助于見到的或想到的幾何圖形的形象關(guān)系,產(chǎn)生對數(shù)量關(guān)系的直接感知.”比如,說探求圓內(nèi)接三角形的最大面積或周長,通過對不同內(nèi)接三角形的直觀觀察,我們發(fā)現(xiàn)特殊三角形——正三角形可能具有最大面積或周長,事實也是如此.將幾何直觀作為合情推理的“問路石”,探求的路徑也短不少.
我們再看一例,以體會“以形助數(shù)”的精妙.
如圖1,在邊長為1的正三角形紙片ABC的邊AB、AC上分別取D、E兩點,使沿線段DE折疊三角形紙片后,頂點A正好落在邊BC上(設(shè)為P),在這種情況下,求AD的最小值.
圖1
相信通過解三角形的一般思路(用正弦、余弦定理刻畫邊角關(guān)系)求出AD的最小值不是難事,但對于特定的問題情境(折疊問題)是不具備針對性的,解決方案還有進(jìn)一步簡化、優(yōu)化的可能性.由折疊過程中的不變量知DA=DP,即以D點作為圓心、DA作為半徑的圓與邊BC有交點,直觀地,該圓與邊BC相切時AD取得最小值.
理解的推進(jìn)方式有兩種.一種是把細(xì)節(jié)集合于既定模式之內(nèi),另一種是發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)新細(xì)節(jié)的新模式.我們往往會不自覺地將代數(shù)直觀局限理解為“代數(shù)式的幾何意義”這一全部,而忽略了代數(shù)式的模式直觀,也就是忽視了新模式的構(gòu)建.數(shù)學(xué)是一門模式的科學(xué),對模式結(jié)構(gòu)的重新賦義(往往具有可操作性)會大大簡化代數(shù)演算.結(jié)構(gòu)是引發(fā)直觀聯(lián)想的“啟發(fā)器”.
比如對組合公式“Cm=Cm+Cm-(1m,n≥2)”的理解與nn-1n-1記憶,我們可借助“能否取到某個指定球”的實際背景模型進(jìn)行詮釋;對不等式“<(0<b<a,m>0)”的一個很好的直觀支撐就是“糖水中加糖,糖水變甜了!”.
章建躍先生的“理解數(shù)學(xué),理解學(xué)生,理解教學(xué)”教育思想對于中學(xué)數(shù)學(xué)教師提升自我的數(shù)學(xué)教學(xué)效率意義重大.這“三個理解”也應(yīng)該是有層次遞進(jìn)關(guān)系的,學(xué)科教學(xué)的基石應(yīng)是認(rèn)識學(xué)科特征,在此基礎(chǔ)上才能夠談發(fā)揮學(xué)科的育人功能.
1.何以“教”以至于“不教”?
葉圣陶先生的“教是為了不教”教育思想在我國教育教學(xué)改革實踐中產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響.師者傳道授業(yè)解惑最終是為了培養(yǎng)有自主學(xué)習(xí)能力、有質(zhì)疑與批判精神且能開拓創(chuàng)新、能適應(yīng)社會發(fā)展的人.有絕大一部分教師認(rèn)為教師的“教”應(yīng)是遵循“多教—適當(dāng)教—少教,甚至不教”的動態(tài)變化過程的,這是現(xiàn)今中學(xué)數(shù)學(xué)教育的真實寫照.但試問又有多少教師能在初三或高三兩個關(guān)鍵性的復(fù)習(xí)提升階段少教甚至不教呢?從這個意義上講,我們要讓這個過程的后半階段占有更大的比重,讓教師的智慧教學(xué)服務(wù)于學(xué)生的能力提升.鄭毓信教授提出教師應(yīng)具備的“善于舉例、善于比較、善于優(yōu)化”三大基本能力,實際上已然給出了“如何智慧教學(xué)”的答案.俗話說,理論與實踐結(jié)合是掌握真知的最好途徑.中學(xué)階段數(shù)學(xué)定義、概念、定理與公式繁多,過多的理論辨析與探討往往沒有一兩個適當(dāng)?shù)睦觼淼妹靼?,善于舉例就是換一個角度闡釋對象,并且其中的說理成分也大大精簡.相信我們都不會否認(rèn)一個共識,經(jīng)過反復(fù)斟酌、打磨后的教學(xué)設(shè)計一定是所有設(shè)想中最簡的.最簡的教學(xué)設(shè)計也恰恰是最自然的,它不會在細(xì)枝末節(jié)上下功夫而將簡單問題復(fù)雜化,它不會刻意地制造課堂亮點與特色而增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān),它不會太過拘泥于預(yù)設(shè)而局限學(xué)生的思維,它需要以比較與優(yōu)化為保障.
可以毫不夸張地說,促進(jìn)教師的專業(yè)發(fā)展、教師的教學(xué)業(yè)績的提升的最關(guān)鍵因素就應(yīng)是簡化的能力.我們實踐教學(xué)行為時,要足夠的簡,并要能保證教學(xué)效益不受損.從教育理論到教學(xué)實踐,從教育形態(tài)到知識形態(tài),從知識到能力,從能力到素養(yǎng),都應(yīng)該受簡化意識的驅(qū)使.小到數(shù)學(xué)作業(yè)的布置,有的教師節(jié)選教材后面的習(xí)題,有的教師選教輔資料,有的教師針對學(xué)生的掌握情況精挑細(xì)選甚至自主編題,長此以往,教學(xué)效果差異自然浮現(xiàn).
2.解題就等同于化簡.
我們都不會否認(rèn),提高數(shù)學(xué)能力的有效方式之一便是學(xué)會解題.著名美國數(shù)學(xué)家和數(shù)學(xué)教育家G·波利亞在《怎樣解題》中用一張“怎樣解題表”概括了解題的四個步驟——“弄清問題”“擬定計劃”“實現(xiàn)計劃”“回顧”,他把尋找并發(fā)現(xiàn)解法的思維過程分解為五條建議和23個具有啟發(fā)性的問題,這本身就是對普遍的解題過程的一個簡化工作(抽象也是一個求簡的過程).而對一個具體的問題,我們要試圖以不同視角去理解,給出不同的解題思路與方案,這是一題多解;網(wǎng)撒出去了,不能忘記收攏回來.若能抓住這些解法共同的本質(zhì)特征,掌握解答此類問題的規(guī)律,就是多解歸一;在這個“歸”的過程中我們自會收獲“最肥美的那條魚”——最優(yōu)的、最簡的解法.
在追求最優(yōu)解的過程中,我們難免會在某些邏輯分析的節(jié)點處或在抽象的某個環(huán)節(jié)處多依賴直覺思維,從而過分簡化以致出錯的結(jié)果產(chǎn)生.但過分簡化比循規(guī)蹈矩要好,因為前者對思維的再造特別是思維的深刻性有所幫助.要知道,思想上的長足進(jìn)步往往是那些僥幸的錯誤的結(jié)果,而這些錯誤是過分簡單化的結(jié)果.我們要鼓勵學(xué)生大膽嘗試這項工作,并最終受益.
之所以能靜心去發(fā)掘并賞析數(shù)學(xué)的美,是因為我們被她簡潔的表現(xiàn)形式及背后的“理性”所吸引.中學(xué)數(shù)學(xué)教材是體現(xiàn)這一特征的絕好載體,求簡精神蘊含在很多內(nèi)容中,我們應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生積極開發(fā)與利用,并在新知探究學(xué)習(xí)及解題實踐中體悟“求簡”精神,切實培養(yǎng)“求簡”精神.