数学社团的一些思考

随笔杂记,看情况持续更新……

缘由

1、应学校要求,开设数学社团课,要求不仅仅局限于当下所学内容,而是以更高的维度审视数学及相关学科的内在关联与核心思想;

2、思来想去,最后选择了《逻辑学》。因为数学乃至其他科学中,大量的知识都与此紧密相关,比如:定义与分类,什么是命题(真假命题、逆命题、否命题…),推理与论证(初中几何推导,演绎推理、归纳推理…),证实与证伪,公理化体系,反证法,以及高中的集合与逻辑用语等等;

3、还有一个原因是基于实际教学经验,对于一些思维较弱的学生,在初学几何证明时,遭遇到了非常大的认知冲突:什么是“证明”?为什么要“证明”?如何才能算“证明”?这些非常陌生的内容,强行进入的结果就是巨大的不适应。

4、为了增加趣味性,我在课上大量引用了非数学案例,结果很受学生欢迎,并且随着课程的进行,发现内容可以更丰富一些,与数学学科,主要是思维方面的联系更紧密,自然也会更有意义。再后来,还可以跟学生们讨论应该如何更有效地学习……总之,越发觉得这门课的意义,细细打磨,完全可以做成一个小初衔接的课程。

反思小学与初中的区别

1、初中以后,学生逐步进入形式运算阶段,已具备一般科学意义上的思维方式的基础;

2、与此生理特点相配套的是,初中数学的设置相比小学高度形式化、抽象化,这对学生也提出了更高的要求。

3、都说初中比小学难在知识,其实是难在思维方式的转变,这才是许多学生跟不上节奏的更深层次原因。

4、尽管说初中学生已经进入形式运算阶段,但这只能算是理论基础,由理论到实际,还需要一个逐步转变的过程,而且学生个体间存在差异性;

5、再对比初中与高中,在思维方式上反而没有太多的区别,高中的绝大多数数学思想,其实已经在初中有所体现,最大的区别就是知识的难度了。

6、初中知识毕竟还不是太多,靠死记、机械训练,多半还可以应付,但如果不掌握正确的学科核心素养,到了高中,弊端就会显露无疑。

7、总之,小初衔接,尤其是思维方式的转化,是个值得老师思考的大问题。

社团课的思考

1、说了那么多,到底该怎么办呢?既然是思维问题,最原滋原味的思维逻辑,除了基础的“逻辑哲学”还能有谁呢?当然了,“逻辑哲学”涵盖甚广,还是要聚焦到数学(哲学)及科学(哲学)上来——此为内容核心;

2、既然是帮助学生转变思维,就要以学生现有状态为基础,基于学生发展学生。结合学生认知心理学,将这些形式化的逻辑系统,以学生能够接受的方式带给学生。先从实例引入,尽量少强调概念。——此为引导方式。

社团课的内容安排(随上课持续更新)

第一讲 逻辑源于人类理智的自我反省

1.1  逻辑缘起:语言是引起误会的根源——人类思维与语言的不完美——逻辑源于人类理智的自我反省;

(1)引例:生活中常见的悖论——说谎者悖论;

公元前6世纪,一位古希腊克里特岛人说了这么一句话:

“所有的克里特岛人都说慌。”

那么他究竟说了一句真话还是假话呢?

通过一个简单的例子,引出“悖论”的概念:表面上同一命题或推理中隐含着两个对立的结论。不过多的展开,只是让学生有一个大致了解。

一开始,学生肯定会很好奇,去尝试着思考其中的缘由,可适当给一点时间。

后续还有更加有意思的“悖论”。

(2)芝诺悖论——等比数列求和,简单解释;

此永远非真永远

这个问题中,并不会永远下去,按照论述中的说法,其实是一个等比数列,其和存在极限值。具体的计算学生尚不能理解,但大致思想可以接受。公布结果后,学生的反应会非常激动,原来数学这么厉害。

(3)半费之讼。

……


目标:通过一些有趣的案例,引导学生得到这样一个认识:我们赖以交流的语言,其实是不完善的,很多时候,误会恰恰就因为语言而产生。

首先需要明确,以上出现的问题,并非语法上的错误,那么,我们该怎么办呢?——为了正确地使用语言和思维,为了使理性的交流能够顺利进行,人们是否应当遵守某些一般的原则、假定或者规律?

引出后续内容:同一律、矛盾律、排中律。

花絮:在上课时,我有意跟学生强调了这样一点——逻辑,主要在“理”,但我们的生活却不只有“理”,还有“情”,请同学们善待之。然后一个同学马上说到,“是不是合情合理最好了”。我笑着回答,生活上的事情,能够既合情又合理,那真真是最好不过了。

杂思:上完课后回想,整个数学体系,不就是一门非常严谨的语言吗?那么一门如此严谨,每一步都能解释的清清楚楚的语言,按理说,不应该那么难以接受的,至少对于小初中的数学内容来说,可结果却并非如此,为什么呢?最可能的原因恐怕是,我们并非以严谨的方式去对待数学,而是将之作为一个工具记忆、操练。偏离的越远,学生学起来会越费劲、越痛苦,越不知所以。

要知道,数学这门语言,并非天生如此严谨,光大的数学危机就发生了3次,对细节的补充与完善,更是不计其数。言外之意,数学这门课,其实有生命的,有一定的成长轨迹的,我们称之为数学历史发生学:这些数学内容是如何产生的?(等同于人类为什么要发明出这些内容?),为什么是这种形式?为什么要那样规定?……总之,这一切虽不能说完全有迹可循,但也绝非说不清道不明。

我有时候会跟学生开玩笑说,兵法有云:知己知彼,百战不殆。学数学也是这样的,这些数学定义、定理到底是干嘛的,为什么要这样子,其实是有背景的,了解了这个背景,理解起来就会容易很多。起初的我,觉得这样子就很好了,但是团队的理念却是向前更进一步:创设符合学生认知的背景(其实就是学生的已有观念基础+新的认知冲突),引导学生自主建构,发明数学!这是多么精妙的想法!

对比一下三种不同的教学模式:

(1)不问缘由,不重视理解,背诵+机械操练;

(2)重视理解,但以老师为主,或者说以“客观知识为中心”;

(3)“以学习者为中心”,以学生为主,发明数学、建构数学,老师起辅助、引导作用。

我们总说,真正的学习,就是把学校学习的一切都忘掉后剩下的,以上三种学习方法中,显然第三种剩下的会更多一些。

跟随团队两年多以来,早已接受这种学习理念,因此有意识地按照这种方法,准备这门逻辑学社团课。过程中,不断体会到不同学科内在逻辑的相似性,或者说更普遍的分析方法的相似性。无奈水平有限,暂时还不能清楚的表达出来。

持续修炼吧……

1.2  同一律:你们说的是一回事吗?

(1)引例——数学中的问题。

单位1的问题

(2)稻草人谬误;

(3)违反同一律的几种可能——承前启后,引向概念

(4)数学案例——什么是“点”?——引向概念不明、定义的意义

明确的定义是研究的起点,如果连要研究的对象都说不清道不明,怎么能够通过逻辑推导的方式进一步研究呢?

这一点在数学上尤其重要,其实其他学科,乃至生活中,我们也需要这样的逻辑思维。有时候两个人争吵,你说你的,我说我的,两个人的点完全不在一起,怎么能够争出个一二三来呢?

此处的最主要目的,是为了让学生们意识到“下定义”的重要意义,在后续的初中几何学习中,定义都是研究的起点。举一个最简单的例子,学生很熟悉,等腰三角形的两条腰相等,两个底角相等,但是他们并不清楚,前者是定义,后者是性质,定义不需要证明,但性质需要推导。

但是,在学习过程中,冒然给出定义,绝不是很好的学习方法,这不符合学生的认知发展规律。展开来,用大白话说就是,要研究的对象是什么?有什么意义?为什么要这么定义?……这一列问题都没有解决,学习的基础是不可能扎实的。 

(5)生活中的概念不明。

其实,生活中的“概念不明”与数学关系不大,从这个角度看,完全可以不用提,之所以要提到这点,是想给学生做一些拓展,毕竟教育是整全的。

1.3  矛盾律:我与你不共戴天!

(1)引例:矛与盾的故事;

(2)案例:上帝是万能的吗?

(3)玻璃到底是谁打碎的——它们真的矛盾吗?

(4)何为矛盾?矛盾一定是贬义吗?数学中的“矛盾”?二元、三元、四元等对立,韦恩图

引向数学中以后,其实已经偏离了“矛盾”的一般意义,主要是关于概念之间的逻辑关系

矛盾——互斥——井水不犯河水——数学理论体系的必然要求。

此处跳跃略大,为了防止学生懵圈,记得多强调一下。

AB矛盾吗?

此处如何更好的衔接,还需要再打磨……

(5)分数与整数的关系——互斥与分类

分类思想基本原则——不重不漏,“不重”即各部分之间要“互斥(或者矛盾吧)”,“不漏”即表示不要遗漏。

通过分类,我们可以清清楚楚辨析各对象/概念之间的关系,但是,我们只有对各对象/概念有了一定的认识之后才会合理的分类。可见,二者是相辅相成的关系。

在发明、创造各概念之初,人们其实并没有考虑彼此之间的关系,只有等整合、梳理时,为了体系的严谨,才会添加一些人为规定,将概念进行分类。

就拿分数与整数的关系,初一时,我们曾讨论过一个问题,我们为什么要规定整数不是分数?等到学习无理数后,又把有理数统一表示成q/p(整数比)的形式呢?

可见,概念的生成,也是有过程的,并不是一句简简单单的“我们规定”就能打发。我在教学时,不愿意直接告知、想要发掘背后的核心思想。在备完本节课之后,我自己有一种恍然大悟的感觉,相信学生也能有所收获——希望他们能够明白为什么要分类,分类的基本思想及原则是什么,最终能够在后续的学习中,有意识的自主应用分类思想解决问题(对于一个大问题,先分类成几个小部分,然后从最简单的开始研究,最后再综合分析各部分的关系,从大循环来说,这也是一个浪漫、精确、综合的过程)。

当然,这不是一次两次就能达成目标,就在本社团课上,也需要好几节课的持续渗透,这还是理论的,至于落实,更需要在具体的学习中持续实践了。

1.4  排中律:拒绝两面派

(1)引例:直接给出;

(2)反证法——同一平面内,过直线外一点,可以做多少条直线与已知直线垂直?

(3)排除法——面积为2的正方形,你的边长到底是多少?

有理数的分类。

如何证明平方等于2的数是无理数,大家常用的证明方法,其实就暗含了排除法的思想,这里有一个前提——那就是在实数范围内,一个数不是有理数就是无理数,如果不是有理数,那么就是无理数。

之所以可以这样,是因为在对数学概念进行第二次抽象时,我们在对各概念的定义就是根据不重不漏的思想重新梳理的(当然,最恰当的表达是公理化体系,此处不必跟学生细究)。前面一小节中提到的是我们为什么要这样分类,现在就可以依据分类进行逐个讨论,算是一个应用吧。

1.5 这些逻辑有道理吗?

(1)引例——不投诉等不等于喜欢?

(2)一一对应产生的矛盾——无限多——看似“矛盾”的现象,其实是人类认知上的局限;

(3)高学历等不等于高能力?为什么大公司都喜欢招名校毕业生?

(4)生活与数学中的逻辑,合合理

(5)……

通过一系列的讨论,引出下一讲的内容——第二讲 逻辑是关于推理与证明的科学


第二讲 逻辑是关于推理与证明的科学

2.1 什么是“推理与证明”?——第二讲大浪漫

推理,包括归纳推理演绎推理。简单的说,归纳推理是从特殊到一般的推理;演绎推理是从一般到特殊的推理。至于证明,其实就是演绎推理。

这些概念之间的关系,直接带给学生,有些突兀。所以如何更好的引入这些概念,成了第二节第一节最大的问题。

主要参考了陈波老师的《逻辑学是什么》

(1)引例:基督教竟然允许讨论上帝的存在?!

真的算是一个很神奇的社会现象,古希腊理性思考的种子竟然在专制教的统治下得以生存,并最终开出绚烂的科技之花。

我个人不想介入对宗教的讨论,也没有这个能力,只是想借助这个极具冲击力的话题,让学生们深刻体会到“理性”的力量。

课堂上讨论时,同学们确实都非常惊诧,“就是啊,好奇怪,这么极端的情况下,竟然还允许讨论上帝的存在性……”,到此,引例的目的可以说是达到了,最重要的是后续的3句话。

不知道为何,在讨论中,我突然想到了西方大哲学家伏尔泰的一句话:“ 我不赞成你的观点,但我捍卫你说话的权利 ” 。继而跟同学们说到了“权威”——在学校,老师是权威吗?在家中,家长是权威吗?

打破过度相信权威的思想牢笼,培养理性的独立思考能力,还需要从小培养。

(2)什么是推理?什么是证明?二者一样吗?

这一页讨论的目的,是为了让学生意识到,我们所学的内容,都是从哪里来的。要知道,我们这个世界都是被问题推动进步的,没有问题,意味着我们无法向前一步。

这个问题非常重要,涉及到主动学习被动学习的区别。

长年以来,我们的教育更多的是被动学习,即学生要学什么,都是老师提供的,很少给学生自主发现,自主探究的机会。我们总说创新能力重要,但如果一直都是被动式的学习,从来不思考我们要学习的问题都是从哪里来的,怎么来的?再启发、引导学生理解,仍然不够,说严重点,出发点就偏离了。进入社会以后,除了工具人,真正需要创新的工作,有人会给我们总结知识,让我们学习吗?


发现问题与解决问题,哪一个更重要?——二者本来就是一体的,只不过被我们认为的分割开来,割裂的讨论哪个更重要没有意义!

希望多少能启发一点学生:主动发现问题,真的很重要。要想发现有意义的问题,首先要有仔细的观察能力,能够比较深入的认识到事物的本质,还要有丰富的联想能力等等,总之,发现问题,并提出问题,是一项非常重要的能力。——这一点,与我们的课前挑战单中的最后一个问题,“请提出你感兴趣的新问题”,非常契合,真的太棒了!

重要的是要有意识,意识代表着种子,代表着希望,只要走在路上,自然会得到相应能力。

课堂上,我还跟学生扯了两个话题:

1、硕士、博士开题难的问题。固然有简单的都被人研究过,难得研究不了的客观原因,但发现问题能力的缺失也是事实;

2、想象一个场景,自己总觉得哪里不对劲,怪怪的,就是没办法发现问题。

如果要作为小初衔接课程,可以由此引出重视发现问题,继而引出如何更好的学习的话题,还是很有意义的。也只能引出了,又不可能通过这样的方式获得。 


后续大致内容,可以与数学联系更紧密些……

(1)什么是命题?如何判断真假?

(2)傻子才会那么做——三段论与命题,条件与结论,原命题与逆命题;

(3)公理与定理;

(4)公理化体系;

(5)演绎推理与归纳推理;

(6)证实与证伪,数学哲学与科学哲学;

(7)……


参考书籍

1、《逻辑是什么?》《逻辑学十五讲》;

2、《科学哲学十讲》《科技哲学十五讲》;

3、《基本概念与运算法则》《数学基本思想18讲》《数学思想概率》、各种数学史书籍;

4、《儿童心理学》《教育的目的》

5、其他

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