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高等數(shù)學中極限思政教學研究

時間:2022-10-17 14:40:29

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高等數(shù)學中極限思政教學研究

人類文明從生產(chǎn)力的角度可以分為以鋤頭為代表的農(nóng)耕文明、以大機器流水線作業(yè)為代表的工業(yè)文明、以計算機為代表的信息文明.數(shù)學在這三次文明中發(fā)揮的都是深層次的動力,其作用一次比一次明顯.數(shù)學可以鍛煉人們的思維,其抽象性利于人們抓住事物的本質(zhì).偉大導(dǎo)師馬克思在完成《資本論》的撰寫中也有用到數(shù)學知識,從19世紀40年代中期到60年代初期,為了推動政治經(jīng)濟學原理的研究,避免計算的錯誤對研究進展的阻礙,馬克思重新系統(tǒng)地復(fù)習了初等數(shù)學,并且從初等數(shù)學發(fā)展史的角度展開了探討.在此期間,馬克思在他的筆記本中,做了大量的關(guān)于初等數(shù)學的札記并對代數(shù)加以練習、演算,為研究初等數(shù)學打下了牢固的基礎(chǔ).《馬克思數(shù)學草稿》的第七章詳細記載了馬克思關(guān)于初等數(shù)學的札記.并且后面他又深入地研究了函數(shù)、微分、泰勒定理、曲邊形面積等問題,尤其是對微分的歷史發(fā)展過程及其本質(zhì)特征做了詳盡地考察[1].

數(shù)學家克萊因說過,課本中字斟句酌的敘述,未能表現(xiàn)出創(chuàng)造過程中的斗爭、挫折,以及在建立一個可觀的結(jié)構(gòu)之前,數(shù)學家所經(jīng)歷的艱苦漫長的道路,學生一旦認識到這一點,他將不僅獲得真知灼見,還將獲得頑強地追究他所攻的問題的勇氣,并且不會因為自己的工作并非完美無缺而感到頹喪,實在說,敘述數(shù)學家如何跌跤,如何在迷霧中摸索前進,并且如何零零碎碎地得到他們的成果,應(yīng)使研究工作的任一新手鼓起勇氣.因此我們在教學中適當?shù)卦黾訑?shù)學史的介紹,會使學生感受到數(shù)學的魅力,起到事半功倍的效果.有位數(shù)學家說過,數(shù)學能喚起熱情而抑制急躁,凈化靈魂而使之杜絕偏見與錯誤.惡習乃是錯誤、混亂和虛偽的根源,所有的真理都與此抗衡,而數(shù)學真理更有益于青年人摒棄惡習.數(shù)學教學中我們也希望通過加入一些思政元素,達到潤物細無聲的教育效果.極限的學習是高等數(shù)學入門必修之路,但極限對學生來講并非是初學,那我們大學中教學與中學的區(qū)別在哪里?讓學生達到什么學習程度?如何為后續(xù)的學習做好鋪墊打好基礎(chǔ)呢?教學的邏輯安排是什么樣的?帶著這樣的疑問,我們必修挖掘數(shù)學史中的有關(guān)極限的內(nèi)容,并試圖加入思政元素,打通學生通往高數(shù)學習大門的壁壘,讓他們能夠堅持不懈地學習下去.

一、極限實際上是在導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)之后才逐漸完

善起來的———一項事業(yè)的發(fā)展需要前前后后無數(shù)人的貢獻和努力

1.中國歷史上的極限思想

首先是割圓術(shù)求解圓周率的方法.3世紀中期,魏晉時期的數(shù)學家劉徽首創(chuàng)割圓術(shù),為計算圓周率建立了嚴密的理論和完善的算法,所謂割圓術(shù):割之彌細,所失彌少,割之又割,以至于不可割,則與圓周合體而無所失矣.第二個是截丈問題,出自《莊子天下篇》,是由莊子提出的:一尺之捶,日取其半,萬世不竭.這兩個案例的極限,以及其它一些簡單數(shù)列的極限,是通過觀察得到的,那么要問,觀察到的是否就一定是它們的極限呢?結(jié)論可靠嗎?如何科學地證明呢?

2.第二次數(shù)學危機促使極限的發(fā)展和完善[2]

歷史上微積分的誕生產(chǎn)生了第二次數(shù)學危機,危機的解決是柯西等人完善了極限.下面舉例說明,一個小球做自由落體運動,我們已知其位移是s=12gt2,我們想求小球在任意時刻t0的瞬時速度vt0,牛頓等物理學家的辦法是,先讓小球飛一會,經(jīng)過Δt時間,大家知道Δt越小,平均速度越接近t0的瞬時速度vt0,然后令Δt=0,結(jié)果得到t0的瞬時速度vt0=gt0,這樣的處理對于求得結(jié)果是有幫助的,但是在數(shù)學邏輯上就講不通了,因為Δt作為分母是不能為0的.這就是第二次數(shù)學危機,這次危機的化解促進了數(shù)學家對極限理論的研究,出現(xiàn)了柯西、維爾斯特拉斯等一批數(shù)學家創(chuàng)立了極限的定義.同時我們也會教育學生,書本上的內(nèi)容有時候更多地是以知識的邏輯過程為排列原則的,實際上有些東西先講,但誕生完善卻晚于后篇章的知識點,課本上并沒有體現(xiàn)出來其歷史過程,所以我們在教學中以數(shù)學史為切入點,從歷史的角度分析知識點發(fā)現(xiàn)完善的過程,讓學生感受到數(shù)學家的工作歷程有利于培養(yǎng)其學習興趣,激發(fā)學習動機.

二、無窮小量和代表虛無的零密切相關(guān)———要用歷史的眼光看待事物

無窮小量的定義如下:在某個過程中,以0為極限的變量叫做無窮小量.這一點要和負無窮大量進行區(qū)別,我們知道數(shù)軸上的點越往左邊走代表的數(shù)字越小,當往左邊無窮遠處走時,實際上代表的數(shù)字是非常非常小的,教學中發(fā)現(xiàn)學生很容易將無窮小量直觀理解為很小很小的數(shù),因此認為無窮小量是數(shù)軸左邊無窮遠處代表的負無窮大量.這在教學中提醒我們,無窮小量概念的提出應(yīng)該是有一定的歷史原因的.通過觀看由BBC拍攝的紀錄片《數(shù)學的故事———神奇的東方數(shù)學》,知道了阿拉伯數(shù)字是由印度人發(fā)明的,但起初只有1到9這9個數(shù)字,0是后面才發(fā)明的,據(jù)說印度人喜歡冥想,當沙地上的石子被拿走后,地上就留下了一個小窩坑,這代表著沒有了、代表著虛無,所以直到公元9世紀,0才被發(fā)現(xiàn),0代表著虛無、沒有.如此一來,無窮小量的本身的含義也是在某個過程中越來越接近于虛無,接近于沒有的變量,因此人們把在某個過程中以0為極限的變量叫做無窮小量.通過給學生看視頻介紹資料,學生比較好的理解了無窮小量的定義,并且能夠區(qū)分無窮大量和無窮小量了.這個知識點提示我們要注意研究細枝末節(jié)的問題,注意從學生的角度看待知識點,學生容易混淆的地方肯定有其原因存在的,并不能填鴨式的直接教給學生,而是要去研究知識點的來龍去脈,以達到更好的教學效果.

三、講好數(shù)學故事,與學生專業(yè)相結(jié)合,提高教學效果

1.有關(guān)知識點的數(shù)學故事會提高學習興趣

比如求極限的很重要的方法洛必達法則實際上是洛必達的老師約翰.伯努利發(fā)現(xiàn)的.在學習導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用時我們都會介紹一個非常好用的求極限的方法-洛必達法則,這里我們可以跟學生講一下洛必達法則的歷史故事[3]:法國數(shù)學家洛必達,1661年出生于法國的貴族家庭,1704年卒于巴黎.1691年秋天,約翰·伯努利到達巴黎見到了洛必達,并為其講授微積分,二人成為親密的朋友,建立了長達數(shù)十年之久的通信聯(lián)系.約翰提出了現(xiàn)在微積分中的一個著名定理,它是用導(dǎo)數(shù)求一個分式當分子和分母都趨于零(或無窮大)時的極限的.這個定理是由洛必達在1696年編寫的一本非常有影響的微積分教材《無窮小分析》中引入的,后稱為洛必達法則.這個故事跟阿拉伯數(shù)字的來歷差不多,學生會很快記住這個定理,也能認識到這個定理的重要性.

2.結(jié)合學生的專業(yè)知識引入極限的知識點,可以提高學生學習興趣,感受前人探索過程,備受鼓舞

在給心理學專業(yè)的同學講極限時,我總會引入艾賓浩斯遺忘曲線[4],我會問學生艾賓浩斯遺忘曲線是如何得到的?反映了一個什么樣的遺忘規(guī)律?隨著時間的推移,人們會遺忘掉所有東西嗎?也就是說隨著時間軸無限增大,人們記憶的數(shù)量是趨向于0還是其它?通過這個遺忘曲線的研究,一方面讓學生了解了數(shù)學在心理學中的應(yīng)用:即保持和遺忘是時間的函數(shù),另一方面讓學生直觀感受到了當自變量趨向于無窮大時函數(shù)的極限是否存在,有的話是多少等等.減少了抽象的講解,多了具體的參照.在給藥學等專業(yè)的學生講解極限時,我會引入藥時曲線[5],即吃藥后血藥濃度的變化曲線,一般來說大家都會直觀地感受到隨著時間的推移,藥物殘留會趨向于0,但在此過程中,殘留的藥物對人體會造成什么樣的影響?是不是趨向于0就不需要在意藥物殘留了呢?在這個教學過程中學生會參與討論,用自己專業(yè)的知識去解釋藥時曲線,這時候藥時曲線就變得立體起來,生動無比.總之,極限的思想方法作為人類發(fā)現(xiàn)數(shù)學問題并解決數(shù)學問題的一種重要手段,它解決了一次數(shù)學危機,鞏固了微積分的發(fā)展,并在將來,隨著科學技術(shù)的發(fā)展,必將發(fā)揮更大的作用.本文拋磚引玉,如果各位同行能在不同的專業(yè)教學中找到合適的思政元素結(jié)合點的話,也將會起到事半功倍的教學效果.

參考文獻

[1]張雪琴.當馬克思遇上數(shù)學,

[2]莫紹揆.數(shù)學三次危機與數(shù)理邏輯[J].自然雜志.1980,(06):403409.

[3]崔艷.高等數(shù)學“故事教學”探析[J].科教文匯,2014,(10):4244.

[4]艾賓浩斯著.記憶的奧秘[M].王迪菲編譯.北京:北京理工大學出版社,2013.

[5]周永治,嚴云良.醫(yī)藥高等數(shù)學[M].4版.北京:科學技術(shù)出版社,2010.

[6]周鋼.在一元函數(shù)微積分教學中融入經(jīng)濟專業(yè)知識的探索[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2010,(32):90.

作者:易穎 單位:廣州中醫(yī)藥大學 公共衛(wèi)生與管理學院