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看到“数学实验”几个字人们不禁会问:做数学题不是靠一张纸、一支笔就行了吗,怎么像物理、化学一样要做实验了呢?对了,这是计算机技术和数学软件引入教学后出现的新事物,是数学教学体系、内容和方法改革的一项尝试。用mathematica进行数学实验是指借助于mathematica的快速运算功能和图形处理能力,模拟再现问题情境,引导学生自主探究数学知识、检验数学结论(或假设)的教学活动。笔者利用Mathematica系统的快速运算能力和图形处理能力及简单的编程功能,进行初中数学实验,收到极好的效果。
一、利用mathematica强大的运算功能,探索数学奥秘
由于mathematica系统的运算可以表示任意长度的精确实数,而不受所用的计算机字长的影响,这样我们就可以向学生展示数位较多的一些运算结果,进行实验,发现规律,验证法则及数学概念。
实验1:无理数真的是无限不循环小数吗?
例:观察无理数 、 、……π等的小数情况。如圆周率π的值,这儿我们不妨取小数点后10000位,键入N[Pi,10000],按Shift+Enter键显示:
……
通过若干无理数的值的观察,学生对无理数是无限不循环小数深信不疑,学生们第一次看到无理数这么多位的小数点后的数字,个个惊奇不已。觉得数学真是太神奇了。利用mathematica软件的强大运算功能,探索数学奥秘,为数学实验提供了可能性。
二、利用mathematica的代数式运算功能,进行探索性实验
由于mathematica支持代数式的加、减、乘、除、乘方等运算,这样可以用来进行代数式的计算,验证一些代数式运算结果,进行探索性的实验。
实验2:杨辉三角的研究实验
背景:由于受(a+b)2=a2+2ab+b2的影响,很多学生都误认为(a+b)3=a3+3ab+b3,(a+b)n=an+nab+bn。
实验目的:(1)通过利用mathematica的运算,让学生发现(a+b)n展开后的项数。(2)发现各项的系数之间的关系,培养学生观察探究的能力。
准备:2~4人一小组(一台电脑)机房操作。
过程:①(a+b)n的项数研究,学生记录以上数据。
②分析展开式的项数与n的关系,提出猜想,加以验证。
③任意算一个(a+b)n,在mathematica中键入Expand[(a+b)n](n任意),观察结论,验证猜想。
④把n=1,2,3…的系数列出,观察各项的系数有何规律。
⑤课后写一份实验报告。
三、利用mathematica的绘图功能,绘制图像,进行实验与分析
由于mathematica提供了非常强大的画图功能,通过mathematica很容易地绘制出函数的图像,变换数据,观察图像,进行分析研究。通过对这些图形的观察,人们可以迅速形象地把握对应函数的某些特征。
实验3:观察分析一次函数y=kx+b的图像之间的关系、经过的象限,以及k,b的作用。
实验目的:y=kx+b当b是定值,k发生变化时,这些函数图像的变化情况,及它们的关系,所经过的象限等。
实验准备:2人一组,上机操作。
实验步骤:①取b=2,k=-3,-2,-1,1,2,3,4等,在同一坐标系内绘制图像。
②记录图像,分析这些图像之间的关系。
通过以上操作,学生能很具体形象地看到,这些直线都经过点(0,2),当k>0,b>0时,图像经过一、二、三象限,k<0,b>0时,图像经过一、二、四象限。
③改变b的值,再认真观察图像的变化。
四、利用mathematica编程,模拟数学实验
数学软件mathematica提供了简单的编程功能,利用这些功能,我们可以模拟再现问题情境,模拟数学实验。
实验4:随机投掷均匀骰子,验证各点数出现的概率是否为1/6。
利用下述程序,并填写下表1。
程序如下:
如,取n=10000时,运行mathematic的结果如下:
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
一、利用mathematica强大的运算功能,探索数学奥秘
由于mathematica系统的运算可以表示任意长度的精确实数,而不受所用的计算机字长的影响,这样我们就可以向学生展示数位较多的一些运算结果,进行实验,发现规律,验证法则及数学概念。
实验1:无理数真的是无限不循环小数吗?
例:观察无理数 、 、……π等的小数情况。如圆周率π的值,这儿我们不妨取小数点后10000位,键入N[Pi,10000],按Shift+Enter键显示:
……
通过若干无理数的值的观察,学生对无理数是无限不循环小数深信不疑,学生们第一次看到无理数这么多位的小数点后的数字,个个惊奇不已。觉得数学真是太神奇了。利用mathematica软件的强大运算功能,探索数学奥秘,为数学实验提供了可能性。
二、利用mathematica的代数式运算功能,进行探索性实验
由于mathematica支持代数式的加、减、乘、除、乘方等运算,这样可以用来进行代数式的计算,验证一些代数式运算结果,进行探索性的实验。
实验2:杨辉三角的研究实验
背景:由于受(a+b)2=a2+2ab+b2的影响,很多学生都误认为(a+b)3=a3+3ab+b3,(a+b)n=an+nab+bn。
实验目的:(1)通过利用mathematica的运算,让学生发现(a+b)n展开后的项数。(2)发现各项的系数之间的关系,培养学生观察探究的能力。
准备:2~4人一小组(一台电脑)机房操作。
过程:①(a+b)n的项数研究,学生记录以上数据。
②分析展开式的项数与n的关系,提出猜想,加以验证。
③任意算一个(a+b)n,在mathematica中键入Expand[(a+b)n](n任意),观察结论,验证猜想。
④把n=1,2,3…的系数列出,观察各项的系数有何规律。
⑤课后写一份实验报告。
三、利用mathematica的绘图功能,绘制图像,进行实验与分析
由于mathematica提供了非常强大的画图功能,通过mathematica很容易地绘制出函数的图像,变换数据,观察图像,进行分析研究。通过对这些图形的观察,人们可以迅速形象地把握对应函数的某些特征。
实验3:观察分析一次函数y=kx+b的图像之间的关系、经过的象限,以及k,b的作用。
实验目的:y=kx+b当b是定值,k发生变化时,这些函数图像的变化情况,及它们的关系,所经过的象限等。
实验准备:2人一组,上机操作。
实验步骤:①取b=2,k=-3,-2,-1,1,2,3,4等,在同一坐标系内绘制图像。
②记录图像,分析这些图像之间的关系。
通过以上操作,学生能很具体形象地看到,这些直线都经过点(0,2),当k>0,b>0时,图像经过一、二、三象限,k<0,b>0时,图像经过一、二、四象限。
③改变b的值,再认真观察图像的变化。
四、利用mathematica编程,模拟数学实验
数学软件mathematica提供了简单的编程功能,利用这些功能,我们可以模拟再现问题情境,模拟数学实验。
实验4:随机投掷均匀骰子,验证各点数出现的概率是否为1/6。
利用下述程序,并填写下表1。
程序如下:
如,取n=10000时,运行mathematic的结果如下:
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”