院士的眼光

2019-10-15     好玩的數學

作者 | 重慶 辛酉丑

早在 20 多年前,我就知道張景中先生用消點法解決機器證明平面幾何問題,後來又讀了他主編的《好玩的數學》系列讀本。我們學校用的湘教版教材也是他主編的,但從沒見過張老先生。幸好重慶師範大學的同學通知我,才有幸參加這次會議

會場座無虛席,大會 8 點 50 開始,先是來自不同地區和學校的六位專家發言,中途又照相合影,直到 11 點之後才等到張先生的報告,張先生大致講了他的教育數學思想。他提出了四個容易:

(1)熟悉了容易---------要求教育數學應該變陌生為熟悉;

(2)簡單了容易---------要求教育數學應該變複雜為簡單;

(3)看清了容易---------要求教育數學應該變抽象為直觀;

(4)想通了容易--------要求教育數學應該變不講道理為講道理。

張先生的報告和教育家的報告完全不同,語言樸實,沒有華麗的辭藻,白描風格。如果教育家來講這個話題,可能會講什麼是教育數學,教育數學的歷史淵源,教育數學的基本原則,教育數學的研究熱點,教育數學的課堂實踐,也可能怨婦般的批評當前應試教育的弊端,譴責一線教師傻子般的刷題,狂吹只有教育數學才是真正抓住了數學本質。所以,聽教育家的報告有人生氣,有人睡覺,有人玩手機,有人假裝上廁所離開會場呼吸新鮮空氣。

張先生是數學院士,幾句話一說就直奔主題,他說,教育數學應該從三個方向入手,第一,幾何、代數、三角;第二,解析幾何、向量;第三,微積分;張先生不是教中學的,他是博士導師,他也不管我們的接受能力,直接就講如何將微積分改造為教育數學。他覺得用極限來定義微積分的導數、積分等問題,老師不容易教,學生不容易學。他要想辦法把微積分變熟悉、變簡單、變直觀、變得淺顯易懂。

他以瞬時速度和平均速度為例,他說花了 50 年才想到二者之間的關係 ── 平均速度要麼大於瞬時速度,要么小於瞬時速度。這個樸素的結論可以用數學語言描述如下:

設函數和都在數集 S 上有定義,若 中的任意兩點 ,總存在 中的 ,使得不等式

成立,則稱 是 在數集 上的甲函數, 是 在數集 上的乙函數。上述不等式稱為估計不等式.

這個看起來非常簡單的結論,張先生說他想了 50 年直到 2015 年才想通。張先生執著思考 50 年才想到一個結論,這個效率看起來有點低,很難和教育家相比。且看那些教育家的新發現,有效課堂、高效課堂、卓越課堂、核心素養,幾年換一個,比身上的衣服還換得快,有點像造詞比賽。

張先生是想用這個非常簡單的事實來實現教育數學,全世界的數學書講導數都用極限來定義,抽象難懂,張先生用這個婦幼皆知的樸素結論來定義,沒有用到極限,讓人容易理解導數,對初學者意義非凡,確實是發前人之未發。50 年的艱苦歷程,讓我明白為什麼中國的數學家少,而教育家多,甚至目不識丁的學生家長和忙碌於廚房的大嬸、阿姨都可以對教育指手畫腳。

張先生不知疲倦的連續講解,直到 12 點 20 才結束,中途沒有一個人玩手機,更沒有老師出去抽煙,我是憋著尿不敢上廁所,害怕聽漏了,中斷了思維跟不上。

下午我們和張先生到重慶一中聽兩位教師的課,重慶一中 T 老師上的《正弦函數的新裝 ── 與面積的不解之緣》,講的張先生用面積定義正弦:

邊長為 ,一個角為 的菱形的面積叫做 的正弦,即 。

重慶八中 S 老師講的《向量在代數與幾何問題中的應用》,接下來是與會專家評課,最後請張先生點評。80 多歲的老人站著講了近 50 分鐘,過程中大家幾次鼓掌致謝,我們不僅感受到張先生對數學的熱愛和執著,更是為張先生的記憶和思維所震撼。

先看看 T 老師的課堂:

例 1.在 中,,,,求角平分線 AD 的長。

解:,,

例 2.直線 ,過點 P(1,1)交直線 和 軸分別於 C,B,求 最大值。

對於例 2,T 老師這樣解:令過 得直線為

由題意課求出:

(1)如果

(2)如果

綜上,當 時,

T 老師的解法,也是中學老師最容易想到的方法,但是計算量大,要流點汗水才能算得出結果。

這個例題放在本節課,顯然是應用面積法,T 老師通過複雜的運算,大量板書才求出結果。聽課時我坐在張先生側面,見他只畫了一個圖,一個字都沒寫。點評時他已看出兩個例題的聯繫,在座的老師無不驚嘆他的洞察能力和思維能力。他的解答如下:

由例 1 解答,可以得到一般性結論:.

即, 多麼優美的等式!她就是傳說中的張角定理。

對於例 2:用上面結論可得

同理:

要求 最大值,只需求 的最大值,顯然,當 即可.

這兩個例題,一個平面幾何問題,一個解析幾何問題,為了切合課題,大家都知道用面積法。這只是就題論題,根本沒想到兩個例題之間存在聯繫。對於年輕的 T 老師,例題是自己選的,教學也是自己設計的,依然停留在就題論題的層面上。但是,80 多歲的張先生只畫了一個圖,一個字都沒寫。不僅從例 1 得到了張角定理,而且順便把例 2 也解答了。無論是思維能力還是數學眼光遠遠在一般教師之上。

第二節課是重慶八中的 S 老師主講的《向量在代數與幾何問題中的應用》,S 老師用了幾個代數題的解答來說明向量的應用。且看以下兩個例題:

例 3.求證:

例 4.已知 ,求證:

這兩個例題本不是難題,S 老師構造向量很快給出了解答。評課時張先生巧妙的解答完全顛覆了常人的想像。他的解答如下:

例 3 的解:

令 在 上遞減,顯然上市成立。

例 4 的解:

顯然上市成立。

上述解答正是張先生上午報告中的差商,只需研究 和 的導數即可,這也是高觀點下的初等數學的一次實踐。

對於兩位老師課堂上的幾個例題,常人看上去確實毫無聯繫,雖然上午聽了張先生的報告,依然沒有發現例題之間的聯繫。所以,一個人即使有健康的眼睛,但未必有良好的數學眼光。教育專家呼籲創新教育、研究性學習、學本教學,核心素養,這些名詞確實華麗。我想:數學教育絕對不是文字遊戲。如果一個數學教師缺乏數學眼光和數學智慧,看不到數學的本質,看不見數學問題中潛藏的玄機,即使你把數學教育論文寫成散文詩,其實你依然是一個數學盲人。

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