书城科普读物数学教学的趣味现象设计
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第18章 数学教学的趣味运用故事(15)

“我确实没有看见过他。我是从他的脚印里看出来的。你看这个人的脚印:左脚印要比右脚印大且深,这不是说明,走过这里的人是个跛子吗?现在再比一比他和我的脚印,你会发现,他的脚印比我的深,这不是表明他比我胖?你看,骆驼只吃它身体右边的草,这就说明,骆驼只有一只眼,它只看到路的一边。你看,这些蚂蚁都聚在一起,难道你没有看清它们都在吸吮枣汁吗?”

“你怎么确定他在三个小时前离开这里的呢?”

贝都印人解释说:“你看棕榈树的影子。在这样的大热天,你总不会认为一个人不要凉快而坐在太阳光下吧!所以,可以肯定,你的同伴曾经是在树荫下休息过。可以推算出,阴影从他躺下的地方移到现在我们站的地方,需要三个小时左右。”

听罢之后,阿拉伯人急忙朝叙利亚方向去找,果然找到了他的同伴。事实证明,贝都印人说的一切都是正确的。

读完这则故事,想必你会钦佩这位贝都印人的敏锐的观察力。

一个观察力强的人能从一般人认为是司空见惯的事件中发现奇迹。一个观察力弱的人即使进入宝山,也可能空手而返。苹果落地,火炉上的水壶盖被水蒸气掀开,这些都是人们十分熟悉的现象,但牛顿和瓦特却由此分别发现和发明了万有引力定律和蒸气机。当然,这些伟大的发现和发明并不是这么简单,但是观察力强的确是他们成功的重要因素。

88.奇趣数列

有这样一个组合数列X和Y,X数列在上,Y数列在下,两个数列的第一列均为1,从第2列起,数列X的每一项都等于其左侧一项X和Y两个数的和,数列Y的每一项都等于与Y相同项的X及其左侧项的另一个X值之和,见下图,如第4列的Y等于第4列X的数值12加左侧的X数值5,其和为17,以此类推,朋友们可以根据这个规律自己计算下去,为了便于观察研究,最好计算到第20项为止。

这个组合数列的趣味在于,其构成非常简单,由最初的两个1组成,之后的每个数表面上是按照上面的规则相加所得,但实际上如果离开最初的两个1,后面的数据都为零,所以所有的数据都是在1的基础上相加而得,从左到右,只用一个加号就可以计算出后面所有的数据,有计算器的朋友更为方便,每次计算的结果,都可作为下一个数的一个加数,再根据规则加上数列中的另一个加数就可以了。也许有朋友说,这有什么趣味啊,确实,如果不观察自然发现不了什么规律,但它的奥妙也就在此,貌似平常的组合数列却蕴藏着很多很多的规律,而且越观察越觉得奇妙,甚至有不可思议的感觉。

项数123456……

数列X125122970……

数列Y137174199……

89.变形虫的奇遇

有一种很微小微小的单细胞生物名叫阿米巴(ameba),由于它的身体会不断的变化,生物学家给它取名为“变形虫”,这小虫在脏水生长,有时会钻进人的肚子里去,使到人们腹泻,严重时还能令人死亡。

有一次,有一个生物学家把一滴脏水放到显微镜底下观察,他看到这滴水的世界真是神奇万千:有含叶绿素的藻,有长着鞭毛迅速游泳的一些鞭毛虫,他还看到两只变形虫。

这生物学家童心大起,拿了一个很小很小的线圈放到玻璃片上把这变形虫围起来。于是从显微镜下,他看到其中一只变形虫左冲右撞,想要从圈子过去,另外一只变形虫却是像在练瑜珈术的老僧在坐定一动也不动。

这生物学家的显微镜是有安装最新式的“细菌语言播音机”,因此他能听到这两只变形虫的对话。

“我的老天爷,这是什么墙把我关起来,我要出去,我不愿意在一个狭小的天地里。”那只急躁不安的小变形虫在叫喊。

“碰!碰!碰!”小变形虫把身体往墙上撞(事实这墙在大人的眼中只不过是一个小线圈),它的身体撞痛了,因而扭曲得很厉害。

小变形虫用身体去撞那个如老僧坐定的变形虫,对它喊叫:“喂!我们被关起来了,为什么你还不想出去?你究竟是什么变形虫?难道不知道‘不自由、毋宁死’的道理吗?”

那只不动的变形虫伸伸懒腰,开口说话:“为什么吵吵闹闹,把我从我的数学思考中吵醒?我是阿米巴数学家,我在研究微妙的数学真理,你不该来吵我——当我在研究世界上最艰深最美妙的学问时。”

小变形虫说:“我们已经失去自由了,你还在研究那什么都看不见的数学,你快想个妥善的方法,使我们能脱离困境。”

阿米巴数学家说:“你别急躁!我对你讲一个故事。”它一面慢慢地把它的身体一部份拉长变成手指,然后在沉积一些薄薄的污泥的玻璃面上划了一条线。

“你看:这一条线是可以互相向左右两端无限延长,这上面生活了两个小点,它们只能在这线上自由跑动,向左移动或者向右移动,我现在把它们活动的空间切断。你看!这是用划两条线把这线截下来,让我们听听这两个小点的对话吧!”

只见一个小圆点正在焦急不安地不断撞那墙。(事实上,在变形虫的眼中,那只不过是一截小线段。)它把头撞得肿痛,于是倒转回来,撞那个好像“天塌下来,什么事也和我无关”的小圆点。

“你怎么撞我呢?”懒得动一动的小圆点责怪那位不安心的小圆点。“我正在研究数学,你把我从那美妙的世界带回现实世界,破坏了我的玄想,实在岂有此理!”

“唉呀呀!我们被关闭起来了!现在我把你唤醒,希望我们可以想一个方法跑出牢笼,你怎么能随便怪我呢?”

小圆点数学家被那个紧张兮兮的小圆点推到墙面前,要他研究出去的方法,小圆点数学家沉思片刻回答:“有什么难呢?我们是生活在一维空间里(1dimension),实际上还有一个叫二维空间的世界,只要你跑进二维空间的世界,你的自由度(degreeoffreedom)就增加,你可以绕过障碍回到我们原来的世界。”

小变形虫呱呱喊叫说:“这有什么了不起的大道理!非常明显。小圆点真笨,还要小圆点数学家解释才明白。”

变形虫数学家严肃地说:“不要讥笑比你差的人!嘲笑人家的人,总有被人嘲笑的时候。我们是二维空间的生物,还有一个三维世界。我们的世界,只有东南西北的方向,在那个世界有一种叫‘上、下’的区分,就像小圆点的世界只有‘左、右’的方向,而没有我们的‘东南西北’,因此你只要进入三维世界,把身体向上伸,你就可以越过障碍,回到你的世界去。”

90.发现数学定理的秘诀

数学家是怎样发现数学定理呢?他们是否有一个秘诀?如果能知道那是多好啊!

是的,这里有一个秘诀,下面的一个真实故事就会告诉你秘诀是在哪里?

在中国湖南省的一个农村生产队,在1964年以前禾苗年年受到虫害,粮食老是不够,亩产最多是五百多斤。

那里的虫害最厉害的是一种叫蚁螟的虫,它们能使稻枯心,农民最初看到禾苗出现白线子才喷药。可是农药喷了,虫却没治好。有一个农民看到这种情形,他决定要想法子根治这种虫害,可是有人却认为他文化低,不可能做出这样的事来?但是他不理会这些意见。当第一代的螟蛾生出后,他就守在田边观看,看蛾子如何产卵,发现卵块的地方就插标记,记下产卵日期,看它什么时候孵化。不管刮风下雨,日夜不离田边,终于揭开了秘密。掌握到了这种虫的生长规律,于是就有法子消灭它。以后也控制了其它虫害,粮食亩产到目前增至一千二百多斤。

许多人承认在科学上的发现和发明:如物理上的落体定律,化学上的合成胰岛素,链霉素,在生物上的发现遗传规律,在医学上用针灸医治聋哑病症者,都是需要依靠实验和观察。我说数学上的发现也是靠观察得来的,读者不是会觉得奇怪吗?

数学是研究一些数、形、集合、关系和运算的性质和变化的规律,人们是怎样知道这些性质和规律呢?

是不是像一些宣传宗教的小册子讲,连那大名鼎鼎的17世纪的英国科学家牛顿,也是因为他很虔诚,为上帝所宠爱,让一个苹果在他头上掉下,启发他发现物理上的《万有引力定律》?人的活动是上帝在操纵吗?

让我们看一看18世纪的一个大数学家欧拉(LeonardEuler1707-1783)的一些意见吧!

欧拉在他的一篇:《纯数学的观察问题》的文章里写道:“许多我们知道的整数的性质是靠观察得来,这发现早已被它的严格证明所证实。还有很多整数的性质我们是很熟悉的,可是我们还不能证明;只有观察引导我们对它们的认识。因此我们看到在数论——它还不是一个完整的理论中,我们可以寄厚望于观察:它能连续引导我们新的性质,我们较后尝试证明。那类靠观察而取得的知识还没有被证明,必需小心的和真理区别,像我们通常所说它是靠归纳所得的。我们看过单纯的归纳会引起错误。因此我们要非常小心,不要把那一类我们靠观察而由归纳得来的整数的性质当为正确无误。事实上,我们要利用这发现为机会,去研究它的性质,去证明它或反证它,这两方面我们都会学到有用的东西。”(见《欧拉全集》第二册)

欧拉是瑞士人,一生大部份时间是在俄国和德国的科学院度过,对这两个国家特别是俄国的数学发展有很大的贡献。他是最多产的数学家,他在生之日已出版和发表五百多本书和文章,死后还留下二百多篇文章未发表,以及一大堆不太完整的手稿。

他的工作涉及的范围很广,单是数学就包含了当时的数学的差不多所有的分枝,在物理、天文、水利等等一些较有实用的科学他也作出过贡献。

从1909年开始瑞士的自然科学会,准备出版他的全集,他的全集到现在还没有出完,他留在列宁格勒(现改名为圣彼得堡)的一大堆手稿,因为内容太多,到现在还要花许多时间和气力去整理。

为什么欧拉能作出这样多的发现呢?在那篇《纯数学的观察问题》的文章里,他已告诉了你一个秘诀,就是:“依靠观察得来的。”事实上欧拉也是一个善于观察的数学家。

91.楼梯上的数字世界

从琪琪一岁时,妈妈就随时随地的和她说话,教她数数,在我们的生活中,到处都是数字的世界,每天我拉着琪琪的小手上下楼时,妈妈会和她一起来数楼梯,刚开始是妈妈一个人数给琪琪听,时间稍长一点,是琪琪小声应合着妈妈,偶尔会发出她熟悉的数字声音,再过了一段时间,楼梯上的数数声变成了稚嫩的声音,从1到5,从1到10,从1到20,从1到30,从1到40,就这样,琪琪在每天必上下的楼梯上,轻而易举,熟能生巧,学会了40个数字。妈妈至今还和琪琪保持着上下楼数数的习惯,就这样,从1到40,成了我们每天的必数数,在这样大小牵小手一起数数的日子里,一岁半的时候,琪琪就能从1数到40,日子一天天过去,琪琪二岁的时候,妈妈数1,她就会数2,我数4,她就会数5。只要是50以内的数字,随你说前一个数,她都能很快的接出下一个数字。在琪琪熟悉了楼梯数后,妈妈又和琪琪数起了栏杆,手把手教着琪琪数,她非常喜欢这样游戏方式,小手扶着楼梯栏杆,走一阶,数一个栏杆数,一个一个数着,很快就可以准确的数出栏杆的数目,在她熟悉数数后,随便拿一堆玩具或珠子给她,她都能准确无误的数对。

92.互换角色学数学

游戏中学习,宝宝接受的更快,妈妈通常和琪琪一起用卡片来学习,妈妈拿起一张卡片,问琪琪:“这是什么?”琪琪回答正确后,妈妈会马上夸奖她,然后她再拿一张卡片问妈妈:“妈妈,这是什么?”妈妈要是回答对了,她会学妈妈说话的样子对我说:“你真棒,来,老师奖励你一个吻。”妈妈要是故意答错,她会马上说出正确答案,并对妈妈说:“妈妈,来,我再教一你一次。!俨然一位老师的派头,和宝宝互换角色一起学习,宝宝会更愿意在角色中不知不觉得学会知识。尤其是数字的组合,琪琪用卡片教我数学时,她会想办法把手中的卡片变换方法,像把几张卡片组合一在起,再问妈妈是多少,反正拆拆合合,两,三位数,加减法就在琪琪的问中,妈妈的回答中,被琪琪不知不觉的学会了。

93.厨房里的教学

做饭时,琪琪总喜欢看电视,为了不让她长时间看电视,妈妈就会让她帮我忙,琪琪,帮妈妈拿两个鸡蛋来,她就会很开心的数好给妈妈拿过来,并对妈妈说我会帮妈妈干活了,劲头特别的大,于是妈妈通常会趁热打铁,对她说:“再帮我拿几个什么东西。妈妈抓住她的手一起打鸡蛋,打掉一下,妈妈会问她,手里还有几个,然后妈妈会适时的教她:2-1=1,摘豆角时,妈妈去给她一把,让她边数边摘豆角,这样她不但帮我做了事,还很快的学会了数学。

其实,数学真是无处不在,穿鞋时,爸爸妈妈鞋大且长,宝宝的鞋小且短,伸出手,爸爸妈妈的手大,宝宝的手小,大手牵小手。水果的形状颜色,玩具的形状颜色大小,车牌号,门牌号,电话号码,只要你细心,哪里都可以成为快乐形像学习数学的乐园。