日本教科书《数学基础》的三处精彩

来源 :中学数学杂志(初中版) | 被引量 : 0次 | 上传用户:QINSHAOKUN1988
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  近二十年来,日本的数学教育学习和借鉴西方,并在发展的过程中形成了自己的特色和优势,实施了值得肯定的数学课程改革,并以较高的质量受到了世界各国的重视.日本高中数学设置有“数学基础”必修课程,以数学发展的历史为主线,社会生活中的数学内容为依托,来呈现相应的数学知识[1].就日本实教出版株式会社出版的《数学基础》[2]前两章来看,其内容与我国人民教育出版社《数学选修3-1·数学史选讲》[3]的内容有不少共同之处,但偏重点还是有着显著区别,存在较大差异.
  《数学基础》共五章,分别为:数与人、图形和人、社会生活与数学、身边的数学、身边的统计.第二章“图形和人”有6节,分别是:古代的测量和图形的面积、金字塔的高度、勾股定理、毕达哥拉斯和勾股定理、黄金比例和二次方程、圆周率和圆的面积[2].本文分别从“知识”和“技能”两个层次详细呈现《数学基础》“图形和人”章节的三处精彩内容,为我国教科书的编写提供借鉴,以期促进我国数学课程的改革和发展.
  1古埃及土地面积的测量——面积公式
  在古埃及,尼罗河经常泛滥,泛滥过后,需要对土地的面积进行重新测量.当时的测量是利用绳子和桩子,巧妙地进行.当时从事这项测量工作的人被称作为“司绳”.
  1.1面积公式的起源——古今面积公式的对比
  在古埃及,尼罗河经常泛滥,所以那时就需要对土地的面积进行测量.从事测量工作的“司绳”们,利用自己的测量方式测量不同的形状的土地的面积.这些被记载在纸草书上,得以被我们发现.
  教科书中这样写到(本文中楷体字部分为《数学基础》中的文字):
  三角形的面积——那时关于三角形面积的的解法为【4的112值,再扩大十倍,得到20】参见右图(图略),这个方法与现在的三角形面积的解法差不多.
  【三角形的面积=112×底边长×高】
  梯形的面积——在纸莎草上还有关于梯形面积的记录.解法为:【两底边相加为10,把梯形的两底边平均一下,就是每个边长为5,这时图形转化为长方形.把5×20就得到面积为100】参见右图,现在的计算公式为:
  【梯形的面积=112×(上底+下底)×高】
  两者的求解方法与现在三角形、梯形面积的解法差不多,只是量化为特殊例子的运算,而未抽象化.三角形面积解法的单例运算为底边为4、高为10的三角形的面积计算,这里没有给出底和高的概念,同时也没有抽象到【三角形的面积=112×底边长×高】.梯形面积解法的单例运算为两底边和为10、高为20的面积计算,这里给出了底边的概念,但高的概念还是没有给出,同时也没有抽象到【梯形的面积=112×(上底+下底)×高】.《数学基础》中也没有针对性再给出相关的论述,只将这一差异呈现出来,激起学生的好奇心,引导学生自主比较和探究.了解数学史知识的同时,巩固几何面积公式这一基本数学知识.我国教科书,在这方面可以参考借鉴日本的做法,从而使得教科书在尊重历史的同时,又有启发思维的功效.
  1.2古埃及土地面积的划分——面积公式的古代应用
  在古埃及尼罗河泛滥过后,对土地的面积进行重新测量,这一史实之下有着如下典型的问题:
  有两块土地(一)(二),如图1,现在想通过树所在的位置点A,重新划分这两块土地,问该如何划分,才能使得划分后土地的面积不变.
  知识点:同底等高的三角形面积相等.
  解答:首先通过点C作线AB的平行线L,这条平行线与直线m相交于点D.△ABC与△ABD,有AB这条共同的底边.另外由直线L与直线AB平行可知高相等.因此,这样划分之后两块土地的面积不变.所以,所求的划分线就是AD.
  图1紧接之前部分的知识陈述,给出古埃及当时相关的一实际问题,让学生应用抽象公式解决看似很难决策的土地划分问题,掌握面积公式的应用技能.这里,“面积公式”知识点应用,即为《数学基础》的第一处精彩.
  2金字塔高度的泰勒斯测量——相似三角形
  胡夫大金字塔建成于公元前2700年左右,是埃及最大的金字塔,它的高度至泰勒斯时期还没人确切的知道.许多数学家费尽心机,算了又算,总不能确切回答金字塔究竟有多高.
  2.1相似三角形知识的导入——金字塔高度的泰勒斯测量
  据说,公元前600年左右,古希腊七贤之一的数学家泰勒斯出游埃及,来到了尼罗河畔一直未知其确切高度的的胡夫大金字塔之下.
  公元前600年左右,活跃于古希腊的数学家Thales被称为古希腊七贤之一,有着许多的成就.据说,Thales利用两个相似的直角三角形,测量出了金字塔的高度.
  Thales为了测量金字塔的高度,首先测量出影子BC的长度,如右图(图略)所示.
  然后把长度已知的木棒,垂直竖立,测量影子EF的长度.
  因为△ABC与△DEF相似.所以:
  BC∶EF=AC∶DF.
  传言Thales就是利用这个方法求得金字塔的高度的.
  简便操作之下,最大疑惑巧然揭晓,数学“来源于生活,应用于生活”的典型史实事例跃然纸上,学生学到知识技能的同时,对于数学知识应用的过程和方法也留下生动的印象.原本枯燥乏味的数学,在这一数学应用展露无疑的数学史例子之下,显得是那么的功效巨大,学生对待数学的情感态度上也将经受一次洗礼.
  2.2古埃及金字塔高度的求解——相似三角形性质的应用
  在呈现数学史实之后,将史实背后蕴含的数学问题解决方法揭示出来,要求应用到身边校园的实际问题之中.
  问题:利用Thales测量金字塔的方法,测量校园里的树的高度.
  如右图(图略)所示:树与其阴影构成△ABC,木棒与其阴影构成三角形DEF,且△ABC与△DEF相似.因此,AC∶DF=BC∶EF.   现在:BC=48m,EF=12m,DF=18m,AC∶18=48∶12,12×AC=48×18,AC=48×18÷12=72.所以,数的高度为72m.
  类似于之前金字塔高度的问题,给出校园生活中可遇的“树的高度”问题,提供给学生模仿、演练的机会,让学生感受完数学家魅力后,能在实际操作中得到更好的体验和感悟.这里,“相似三角形”知识点应用,即为《数学基础》的第二处精彩.
  3希腊雅典帕台农神庙——黄金比例和二次方程
  公元前400年左右,在希腊雅典一山丘上建立起来的帕台农神庙.从正面看,是一个长方形,其立面高与宽的比例为19比31,接近希腊人喜爱的“黄金分割比”,数学上一般称为“黄金矩形”.
  3.1希腊雅典帕台农神庙形状的秘密——黄金比例和二次方程
  黄金矩形,有着如下《数学基础》描述并应用的性质.
  所谓黄金比例长方形,如右图所示(图略),从整个长方形中切出一个正方形,剩下的长方形和原来的长方形是相似长方形.
  设黄金矩形的宽为1,长为x,求x的值.解法如下:
  因为切出的长方形和原来的长方形相似,所以有1∶x=(x-1)∶1,
  公式整理得x2-x-1=0,
  解得x=1±512,
  因为x>0,所以x=1+512,
  所以黄金矩形的长宽比例为1+512.
  这个比例被称为黄金比例,被广泛运用于建筑物和美术作品中.建筑物和美术作品中数学知识的呈现,引导学生多从生活中发现数学、学习数学.
  3.2线段的黄金比例分割——黄金美学和二次方程的应用
  黄金分割提供了一种完美的线段划分方法,不仅能够帮助学生巩固一元二次方程方面的知识,而且能够带来视觉上的美好享受.
  问题:如图2,线段AB被P点所分,BC垂直于AB,BC=AP,通过A点作AP′,平行于BC,形成长方形AP′CB.再以PB为一边作正方形PDEB.且长方形AP′CB与正方形PDEB的面积相等.求P点应该怎样划分线段AB.
  图2知识点:用这样的方式表示的方程ax2+bx+c=0,称为X的一元二次方程.由ax2+bx+c=0这个方程可得到公式x=-b±b2-4ac12a.
  解答:设AP=1,PB=x,
  所以由“长方形AP′CB与正方形PDEB的面积相等”可得:x·x=1·(x+1),
  公式整理得x2-x-1=0,
  解得x=1±512,即为黄金比例,
  故把线段AB按黄金比例划分即可.
  练习:有一个正方形的花坛,把这个花坛的竖向的边减少2cm,横向的边增加5cm,变成一个长方形,这个长方形的面积为20cm2.求原来正方形花坛的边长.
  给出抽象化的黄金比例的几何推导,长方形AP′CB与正方形PDEB面积相等条件下的点应该划分线段的比例,学生在纯知识背景下加深对公式的理解.同时给出实际生活中“花坛边界”的练习,理论联系实际,给予学生实际应用的途径,巩固黄金比例公式这一知识点以及应用的技能.这一思想内容的编排,在我国教科书中还是有着同样体现的,但思想内容的条理性还是可以参考一下《数学基础》的内容.这里,“黄金比例和二次方程”知识点应用,即为《数学基础》的第三处精彩.
  4总结和启示
  总的看来,日本《基础数学》“图形和人”章节中的这三处精彩有着追溯渊源、形象生动、结合实际等多方面的优点可取之处,分别体现在面积公式部分的巧用数学史实、相似三角形部分的活用数学典例、黄金比例与二次方程部分的联系建筑美学.
  4.1追溯渊源:巧用数学史实——面积公式部分的精彩
  结合当今社会发展,删减不必阐述的数学发展历史,重点选取与数学知识紧密相关的数学史背景:古埃及“司绳”对土地面积的测量以及相关古今面积公式的原始素材;古希腊泰勒斯利用相似三角形对金字塔高度的巧妙计算等.在数学史实的背景下学习知识点,有助于学生理解数学知识点的本质,激发学生追溯知识渊源的兴趣,促进学生深入探究数学.
  特别值得注意的是,在知识点的呈现上,运用“古今对比”的方式,让学生进行直观的对比和探究,从而认识到数学知识是出于实际需要,一点点抽象概括而来.抽象概括的方式,则是从特殊到一般,然后再广泛应用到具体问题解决之中,就像22小节中解决“测量校园中树的高度”这一实际问题.这一思想,在今天同样具有广泛的实用价值.我国教科书,在这方面可以参考借鉴《数学基础》的做法,从而使得教科书尊重历史与教书育人、启迪思维的功能能够相得益彰.
  4.2形象生动:活用数学典例——相似三角形部分的精彩
  教科书中适当引用一些数学典例,往往能够提高教科书的可读性和趣味性.在相似三角形性质的应用中,古埃及金字塔高度的泰勒斯测量的呈现和描述,不仅使学生了解数学史实,而且更好地巩固了数学知识,加深对相似三角形性质的理解.同时,让学生感受到数学自古以来,都是“来源于生活,应用于生活”,感受到数学思想方法和数学家的无限魅力.
  活用数学典例,将枯燥的数学知识生活化、形象化、生动化,使学生更加轻松的学习,更快更好的理解知识点,而且能够在学生巩固知识的同时,增强学生学习数学的兴趣,提高学生学习数学的积极性.《基础数学》在这方面有出彩之处,但也还有很大改善和提升的空间.
  4.3结合实际:联系建筑美学——黄金比例与二次方程部分的精彩
  通过黄金矩形的帕台农神庙的演算,“把整个长方形切成一个正方形和一个长方形”,根据“切出的长方形和原来的长方形是相似长方形”演算黄金比例的计算,结论的求解变得不再枯燥和乏味.应用知识在生活中实在存在的建筑或美术作品等来传授数学知识,使得数学知识有更好的寄托和联想.另外,当今社会信息高速发展,学生在课外还可以通过网络进行深入的了解和学习.
  抽象化的黄金比例的几何推导(长方形AP′CB与正方形PDEB面积相等条件下的点应该划分线段的比例),使得学生能够在纯知识背景下加深对公式的理解,并尝试解决实际生活中“花坛边界”的练习,理论联系实际,巩固黄金比例公式这一知识点以及应用的技能.
  总体上,《基础数学》“图形和人”章节的这三处精彩之间关系紧密、环环相扣、层层递进.每一节为下一节做铺垫,内容安排十分合理.先在第1节阐述面积公式方面的知识,包括三角形面积公式,让学生对三角形有一定的了解,这有助于第2节相似三角形的学习.而相似三角形的相关性质事实上是通过三角形间的相似关系得到,然后为接下来的黄金比例学习奠定基础.其后的黄金比例实质上就是一个比例,由长方形(长为1+x,宽为1)和正方形(边长为x)的几何面积相等推导得到.在了解数学史知识的同时,巩固基本数学知识;掌握知识点的同时,给出抽象化的黄金比例的几何推导,探索本质.这样能够使学生更好地学习、理解、吸收、掌握知识点,从而达到更好的教学效果,更快的实现教学目标.我国教科书,可以在这些方面参考借鉴《数学基础》的做法.
  参考文献
  [1]陆吉健,夏奕雯,胡优曼,朱哲.中日高中“数学史”教科书的差异及启示[J].数学教学研究,2011(1):50-60.
  [2]冈本和天.数学基础[M].日本东京:实教出版株式会社,2010.
  [3]刘绍学.普通高中课程标准实验教科书·数学选修3-1[M].北京:人民教育出版社.2004.
  作者简介陆吉健,男,课程与教学论(数学)专业.发表文章数篇.
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