中職數(shù)學(xué)作為中等專業(yè)學(xué)校學(xué)生學(xué)習(xí)的一門基礎(chǔ)學(xué)科,其最新發(fā)布的《職業(yè)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出了數(shù)學(xué)教學(xué)的基本任務(wù)之一是提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會用數(shù)學(xué)眼光觀察世界、用數(shù)學(xué)思維分析世界、用數(shù)學(xué)語言表達世界、用數(shù)學(xué)文化溝通世界。因此如何將數(shù)學(xué)文化與數(shù)學(xué)思想通過實際的教學(xué)活動滲透至日常的數(shù)學(xué)授課中,切實提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)是一個亟待解決的問題。
數(shù)學(xué)文化的概念
“數(shù)學(xué)文化”一詞自20世紀(jì)中期被提出后,教育學(xué)界的眾多研究學(xué)者也都給出了自己的定義,但到現(xiàn)在為止還沒有一個明確統(tǒng)一的定論?!段迥曛聘叩嚷殬I(yè)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2023年)》中的拓展模塊-數(shù)學(xué)文化專題也給出建議:內(nèi)容選擇上主要通過包括中國數(shù)學(xué)史、西方數(shù)學(xué)史、數(shù)學(xué)家的故事和數(shù)學(xué)美學(xué)等,滲透數(shù)學(xué)文化,幫助學(xué)生提升核心素養(yǎng)。筆者主要從數(shù)學(xué)史和數(shù)學(xué)的現(xiàn)實意義兩個方面出發(fā),討論將其融入中職數(shù)學(xué)教學(xué)的活動中。
數(shù)學(xué)文化的價值
數(shù)學(xué)是一門非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科,這也造就了它的內(nèi)容枯燥和抽象,無論是數(shù)學(xué)教材和數(shù)學(xué)課堂都是如此。并且傳統(tǒng)數(shù)學(xué)課堂的教學(xué)上老師往往只關(guān)注于課本內(nèi)容與概念的講解,課堂呈現(xiàn)形式也過于單一,很難將數(shù)學(xué)教學(xué)的內(nèi)容準(zhǔn)確形象地表達出來。所以學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識的過程中,存在積極性不高,甚至厭學(xué)等問題。對于學(xué)生來說,融入數(shù)學(xué)文化可以增強數(shù)學(xué)課堂的趣味性,激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索的欲望,進而在這個過程中培養(yǎng)學(xué)生良好的數(shù)學(xué)思維習(xí)慣。學(xué)生還可以從接觸和理解數(shù)學(xué)知識的過程中,感受數(shù)學(xué)家們的個人的優(yōu)秀品質(zhì),間接地引導(dǎo)學(xué)生正確的人生觀和價值觀。
數(shù)學(xué)文化在中職數(shù)學(xué)的教學(xué)實踐
在實際教學(xué)中,利用好數(shù)學(xué)文化,將有趣生動和直觀的數(shù)學(xué)歷史內(nèi)容帶入實際課堂,在豐富學(xué)生人文價值的同時,結(jié)合好現(xiàn)實生活的現(xiàn)實意義,引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)學(xué)知識變?yōu)閷嶋H應(yīng)用。這在職業(yè)教育中尤為重要。
本例以虛數(shù)的產(chǎn)生及其意義為切入點,結(jié)合之前的數(shù)學(xué)知識,將數(shù)集的演變過程完整地呈現(xiàn)至學(xué)生面前,可以讓學(xué)生更為直觀地理解其中的意義,感受其蘊含的數(shù)學(xué)文化。并在此過程中,由淺入深引入虛數(shù)的指數(shù)形式、最美公式——歐拉公式以及虛數(shù)在實現(xiàn)電力電子方向的應(yīng)用和實際意義。
一、虛數(shù)的產(chǎn)生
我們知道數(shù)學(xué)課本上定義虛數(shù)" 為-1的平方根,即
那么虛數(shù)到底是為什么被定義為-1的平方根呢,而又是如何產(chǎn)生的呢,以及虛數(shù)到底有什么意義呢?
虛數(shù)首次出現(xiàn)是在16世紀(jì)意大利數(shù)學(xué)家吉羅拉莫·卡爾達諾的著作《大術(shù)》中,一元三次方程的完整解法提到這一個問題,能否把10分成兩部分,使它們的乘積為40?給出了一個答案:
吉羅拉莫·卡爾達雖然給出了答案,但他卻認(rèn)為這樣的數(shù)是不存在的,也沒有什么用處。
直到后來著名的數(shù)學(xué)家笛卡爾為了解決方程:
的求解問題,才正式定義
再經(jīng)過諸多數(shù)學(xué)家的不懈努力,才最終將“數(shù)”從由“有理數(shù)”和“無理數(shù)”構(gòu)成的“實數(shù)集”擴充至“復(fù)數(shù)域”。
二、虛數(shù)的意義
虛數(shù)的意義跟復(fù)平面有著非常重要的關(guān)聯(lián),課本上雖然使用了復(fù)平面的思想講解了關(guān)于復(fù)數(shù)在復(fù)平面內(nèi)的定義及其計算,但并不深刻,不能讓學(xué)生真正理解其背后的意義。
復(fù)數(shù)的幾何表示是最早由挪威的測量學(xué)家韋賽爾提出的,后經(jīng)偉大的德國數(shù)學(xué)家高斯進一步證明推廣,因此復(fù)數(shù)的復(fù)平面也被稱為“高斯平面”。那么關(guān)于“虛數(shù)”到底應(yīng)該怎么理解呢,高斯曾說過:“迄今為止,人們對于虛數(shù)的考慮,依然在很大的程度上把虛數(shù)歸結(jié)為一個有毛病的概念,以致給虛數(shù)蒙上一層朦朧而神奇色彩。我認(rèn)為只要不把+1、-1、i叫作正一、負(fù)一和虛一,而稱之為向前一、反向一和側(cè)向一,那么這層朦朧而神奇的色彩即可消失。”
即“虛數(shù)”代表在平面內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)90度,也就是解決了數(shù)的平面內(nèi)移動,圖示如下:
故:
1)" " " ,即表示在復(fù)平面內(nèi)由實軸上的1逆時針旋轉(zhuǎn)90°,變成了虛軸上的 。
2)" " " " " ,即表示在復(fù)平面內(nèi)由實軸上的1經(jīng)過兩次逆時針旋轉(zhuǎn)90°,變成了實軸上的-1。
3)" " " " " " " ,即表示在復(fù)平面內(nèi)由實軸上的1經(jīng)過三次逆時針旋轉(zhuǎn)90°,變成了虛軸上的-" 。
4)" " " " " " " ,即表示在復(fù)平面內(nèi)由實軸上的1經(jīng)過四次逆時針旋轉(zhuǎn)90°,又回到了原實軸上的1。
三、數(shù)集的演變
從數(shù)集的歷史上總結(jié)數(shù)集的產(chǎn)生意義,讓學(xué)生可以更為直觀地感受數(shù)集的變化以及所帶來的影響。
1.自然數(shù)集:自然數(shù)的產(chǎn)生解決人們?nèi)粘I钪姓麛?shù)的計數(shù),在數(shù)軸內(nèi)表示為:
2.有理數(shù)集:有理數(shù)解決數(shù)學(xué)世界里的非整數(shù)問題,在數(shù)軸內(nèi)表示為:
3.實數(shù)集:實數(shù)集在有理數(shù)集的基礎(chǔ)上添加了無理數(shù),解決了無理數(shù)在數(shù)軸上的表示:
4.復(fù)數(shù)集:復(fù)數(shù)集在實數(shù)集的基礎(chǔ)上增加了虛數(shù)集,解決了數(shù)只能在數(shù)軸上的表示,將數(shù)僅能數(shù)軸上移動擴展到了數(shù)可以在平面內(nèi)移動,如圖:
四、復(fù)數(shù)的指數(shù)表示
復(fù)數(shù)的指數(shù)形式不得不引出歐拉公式:
這個簡短的公式里,將數(shù)學(xué)上5個最為著名的數(shù)學(xué)常數(shù):" " " " ,有機地聯(lián)系在了一起,因此這個公式被數(shù)學(xué)家們稱為“上帝創(chuàng)造的公式”,也被稱為“最美公式”。
歐拉公式是著名的數(shù)學(xué)家歐拉于1743年發(fā)表的,其一般形式為:
一般復(fù)數(shù)形式向指數(shù)形式的轉(zhuǎn)變:
一般復(fù)數(shù)形式為:
則在復(fù)平面內(nèi)可表示為如下圖:
從上圖中可以看出,可轉(zhuǎn)換為以極坐標(biāo)表示的復(fù)數(shù)形式:
進而引入歐拉公式,為:
即,復(fù)數(shù)的指數(shù)形式為:
這也是極坐標(biāo)的指數(shù)表達形式。
由此也可以更為直觀地理解在平面內(nèi),虛數(shù)實現(xiàn)了點在平面內(nèi)移動方向的改變,而不僅僅像實數(shù)一樣,被限定在數(shù)軸上的移動。為其數(shù)值,而" 為其旋轉(zhuǎn)角度。
五、虛數(shù)的實際應(yīng)用
虛數(shù)在現(xiàn)實世界中有著諸多的物理含義,被廣泛應(yīng)用在電力電子、系統(tǒng)控制,甚至于量子力學(xué)中。筆者以其在電力電子中的實際應(yīng)用為切入點,闡述其實際物理意義幫助學(xué)生更深層次理解虛數(shù)的含義。
在電路中電壓與電流中存在伏安關(guān)系,例如僅有電阻的回路中,其伏安關(guān)系表達為:
但電子元器件中也存在諸如類似電容、電感的器件,不像電阻一樣簡單的伏安關(guān)系,同時也會在時間上產(chǎn)生,例如電容會導(dǎo)致電流在相位上超前電壓90度,如下圖:
像此類伏安關(guān)系的數(shù)學(xué),如果僅在實數(shù)域內(nèi)則很難有效且清晰地被表達出來,但如果將其延伸至復(fù)數(shù)域,則變得異常簡單,并且可以實現(xiàn)更為普遍的表達形式。
例如電感會導(dǎo)致電流在相位上滯后電壓90度,而不僅僅是數(shù)值上的變化。同時,我們知道虛數(shù)在平面內(nèi)可理解為逆時針旋轉(zhuǎn)90度,所以相當(dāng)于電感在數(shù)值上存在一個復(fù)數(shù)域的。故電容的阻抗可表達為:
進而伏安關(guān)系表達為:
電壓與電流關(guān)系式中可以看出,因為存在虛數(shù)" 的緣故,電壓與電流之前存在90度的方向偏移,產(chǎn)生如前圖所示的效果。
數(shù)學(xué)猶如一臺巨大的引擎,推動著人類文明的不斷向前發(fā)展。它無處不在,從簡單的日常生活到宏大的宇宙探索,無不扮演著重要的角色。它影響著我們社會的方方面面,構(gòu)成了現(xiàn)代社會的基石。隨著科學(xué)技術(shù)特別是計算機科學(xué)、人工智能的迅猛發(fā)展,數(shù)學(xué)的研究與應(yīng)用得到了極大的拓展,直接為社會創(chuàng)造價值,推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展。
正是由于數(shù)學(xué)的重要性,近年來由于教育界不斷加深對數(shù)學(xué)文化的關(guān)注,從教材、教學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)、考試、實踐等多個緯度也在逐步引入數(shù)學(xué)文化的相關(guān)內(nèi)容。相信隨著研究工作的不斷深入,數(shù)學(xué)文化在日常的數(shù)學(xué)教學(xué)中也必將承擔(dān)著越來越多的內(nèi)容。
(作者單位:江蘇省相城中等專業(yè)學(xué)校)