数学语言教学
摘要:数学语言具有科学性、简洁性、相通性,所以,数学语言是一种特殊的语言。对数学语言的研究必将对数学本身及数学教育的发展,乃至对人类文明都会起到积极的促进作用。
关键词:数学符号 数学语言 科学 简洁 相通
我们天天接触数学,但是很少有人对数学语言进行专门系统的研究。譬如数学语言的产生、发展和形成;数学语言与一般语言有哪些不同,具有哪些特殊性;数学语言在促进人类文明的过程中所起的作用;如何学好数学语言等等。从而使数学语言象汉语语言学那样成为一门独特的语言学科——数学语言学。本文只研究数学语言的特殊性。这种特殊性更多地是与一般语言(汉语语言)进行比较而言的。下面只从数学符号的科学性、数学语言的简洁性、数学语言的相通性三个方面进行探讨。
1、数学符号的科学性
数学符号是数学文字的主要形式,它是构成数学语言的基本成份。
1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,这十个符号是全世界普遍采用的,它们表示了全部的数,书写、运算都十分方便。这10个符号常被称为阿拉伯数字,实际上却是印度人创造的,只是经过阿拉伯传到欧洲。这是印度对人类文明的一项重大贡献,这一贡献的意义也可能是今天的人们不易觉察的。但是,18世纪一位法国着名数学家曾说过:“用不多的记号表示全部的数的思想,赋予它的除了形式上的意义外,还有位置上的意义,它之如此绝妙非常,正是由于这种简易得难以估量。”
关于“位置上的意义”,指的是数字的进位表达。比如说724,它实际上是7×100+2×10+4,可是它只需简写成724就明白了。此外还有空位的问题,假若有个数字是7×1000+2×100+4,那该怎么写呢?现在我们是很容易回答了,不就写为7204吗?可是,在最初的数字符号系统中是没有0这个符号的。有的用一个点来表示:72?4有的用一个方格来表示;有的干脆就拉开一点写,表示空一位;……但这些写法的不准确、不方便是显而易见的。直到使用了0这个符号,问题才得以解决。而0这个符号比其他符号的出现晚了好几百年。如果年看72004这个数字,我们能更清楚地体会到0这个符号的特殊意义。
数学的简洁不只表现在数字符号上,还表现在其他符号上,表现在命题的表述和论证上,表现在它的逻辑体系上,总之,表现在思维经济上。
数学符号有许多种,除了前面提到的数字符号外,还有代数的符号,通常用英文字母或希腊字母表示。在笛卡儿时代,以英文字母的开头几个表示已知数,如a、b、c、…,以英文字母的最后几个代表未知数,如x、y、z,或以a、b、c、…代表常数,以x、y、z代表变数。现在,这已不是固定的了,在某种约定之下,a、b、c、…也可代表未知数,也可以表变数,x、y、z也可以代表已知数,也可以代表常数。还有一些特殊的常数,如π,e。还有另一些表现数量的符号,往往是其他类型符号的组合。
数字研究的对象已不只限于数,还研究形,△表示三角形,□表示四边形,⊙表示圆。
数学研究的最一般对象是集合,而表示集合的符号常常用英文字母的斜体,如A、B、C、D、X、Y、Z等。某些特殊的集合又用特殊的符号表示,例如,用N表示自然数集,而实数集则用R表示,N与nature(自然)一词有关,R与real(实的)有关。特定的集合组成空间,空间有时用S表示,S与space(空间)一词有关,但也用其他字母表示空间。这些符号的运用使得数学语言变得简练。
还有一类符号是表示关系的,通过种种关系起联结作用。常用的如等号=,近似等号≈,全等号≌或≡。还有不等号≠,<,>,<<。∥表示平行关系,⊥表示垂直关系, 与 表示元素与集合之间的关系, 表示集合与集合之间的关系, 表示蕴涵关系等等。
还有一大类是关于运算的符号。+,-,×,÷是四则运算符号。 是开方运算符号,sin, cos, tan是三角运算符号,lim是极限运算符号,d, 是微积分运算符号。 表示若干项乃至无穷项求和, 表示连乘(若干因子或无穷个因子),!表示阶乘, , 是集合论中的运算符号。映射是比运算更普遍的概念,f,g,h等常被运用作映射符号。
微积分是英国人牛顿和德国人莱布尼茨彼此独立发现的,牛顿和莱布尼茨使用的微分符号却是不同的。牛顿创立了微分符号,比如说 的微分用 表示,可是牛顿的这一符号对于高阶微分并不方便,并且不宜于表现微分与积分的关系,因而实质上并不十分科学。相比之下,莱布尼茨的符号在这两方面都比牛顿的符号更加科学合理,它反映了事物最内在的本质,减轻了想象的任务。诸如 这样的优美的式子,是在莱布尼茨符号下才能出现的。而英国人却以牛顿为自豪,这是无可厚非的,但是,由于他们长时间固守牛顿的符号,使英国数学的发展受到了严重的损害。
所以,数学符号的科学性直接影响着数学语言的质量,影响着数学及数学教育的发展。
2、数学语言的简洁性
数学语言非常简洁精确,它具有独特的价值,它是科学语言的基础。
从宏观来说,人们常以“成千上万”来研究多,再多就是“百万”、“千万”了,更多则是“亿万”。可是,数学能作出更简洁也更明确、更有力的表示,比如说,1025、286243这样巨大的数字,一般语言就说不太清楚了。
从微观来说,日常语言之中,“失之毫厘,廖以千里”,用一毫一厘来形容微小,还有形容体积之小的,时间之短的,距离之近的。但是,没有比10-15,10-45这样一些表达更能说明问题,它也更简洁、更明了。
[a, b]仅由a、b、[ ]这三个数学符号表出,但如果比用一般语言描述就成为“大于或等于a,小于或等于b的一切实数的集合。”除去标点还得需要20个符号,其中18个汉字。
若对任何 使得对任何n,m>N,有 ,则数列 有极限。这是着名的柯西判别准则。如果要用一般语言是无论如何也表示不清的,
作为有理数、无理数、代数数、超越数、实数、虚数之间关系之一的式子 ,是各种数的大统一。用数学语言来表达是这样的简洁、明晰。
数学语言有其独特之处,有其独特的价值,它不仅是普通语言无法替代的,而且它构成了科学语言的基础。越来越多的科学门类用数学语言表述自己,这不仅是因为数学语言的简洁,而且是因为数学语言的精确及其思想的普遍性与深刻性。
我们看看下面几个式子,就能明白物理学是如何用数学语言来表述的。
F=0
F=
F=
第一、二两个式子分别表达的是牛顿第一定律和第二定律,第三个式子说的是万有引力定律。
惯性定律说的是,在没有外力的条件下,物体保持原有的运动(或静止)状态,然而简洁的数学式F=0 (C是常数)表达了定律的实质。
第二定律说的是,力与质量和加速成正比,数学式子F= 表达了这一点。当质量是常数的时候,式子可写为F= ,又可用a表示加速度,因此牛顿第二定律又可以表示为人所共知的形式F=ma。
万有引力定律说的是,任何两个物体之间都有引力存在,其大小与两物体质量之积成正比,与距离的平方成反比,式子F= 又是多么有力地刻画了这一思想。
3、数学语言的通用性
数学语言与一般语言相比,它具有无民族性、无区域性,它世界上唯一的通用语言。
数学语言是人类语言的组成部分,它与一般语言是相通的,而且可以说是以一般语言为基础的。一般语言掌握得如何,直接会影响数学语言的学习。但是,一般语言学得很好的人也不一定能掌握好数学语言,它们毕竟有差别。
一般语言具有民族性、地区性,一般语言与民族、地区文化有极密切的联系。不同地区语言的差别可以很大,这种差别主要指符号及法则体系的不同。例如,英语与俄语,不仅符号表示的差别很大,而且语言规则的差别也很大;至于汉语,它与英语、俄语的差别更大,从书写来看,汉语是方块字,从读音来看,英语、俄语是拼读法,语法的差别也特别大。
就是同一民族,书面语言完全相同而发音很不相同的情形更多,例如同讲汉语,北方与南方就有很大不同,北京话与广大话很不相同。而且,目前世界上的语言就多达2500—3000种,其中仅美洲语言即有1000多种,非洲语言也近1000种。100万以上人口使用的文字则只有140种。这140种之中,以汉语为母语的人最多,约占世界人口的20%;其次是英语,约占6%;再次是俄语、西班牙语、法语,使用这五种语言的人占世界人口的40%以上。
但数学语言没有地区性、民族性。全世界因为地区之不同、民族之不同而有二、三千种语言(远远超过全世界国家的数目),可是,全世界的数学语言只有一种。
这种语言符号,全世界的中学生大学生们都认识,同一种书写、同一个含义,只是读音一般有所不同而已。
从以上的探讨中我们可以发现,由于构成数学语言的数学符号科学、简洁,而导致数学语言具有不同一般语言的特殊性,也就是具有科学性、简洁性、相通性。对数学语言的研究,不仅能促进数学及数学教育的发展,而且也能对人类精神文明和物质文明的进步起到积极作用。
正因为数学语言是一种特殊的语言,那它在数学教育中也具有重要的作用:
1、掌握数学语言是学习数学知识的基矗一方面,数学语言既是数学知识的重要组成部分,又是数学知识的载体。各种定义、定理、公式、法则和性质等无不是通过数学语言来表述的。离开了数学语言,数学知识就成了“水中月,镜中花”。另一方面,数学知识是数学语言的内涵,学生对数学知识的理解、掌握,实质是对数学语言的理解、掌握。一个对数学语言不能理解的人是绝对谈不上对数学知识有什么理解的。因此,从一定意义上讲。掌握数学语言是学习数学知识的基础,数学语言教学是数学教学的关键。
2、掌握数学语言,有助于发展逻辑思维能力。
逻辑思维是思维的高级形式。在各种能力中,逻辑思维能力处于核心地位。
因此,培养学生的逻辑思维能力是数学教学的中心任务。语言是思维的物质外壳,什么样的思维依赖于什么样的语言。具体形象语言有助于具体形象思维的形成;严谨缜密、具有高度逻辑性的数学语言则是发展逻辑思维的“培养液”。
3、掌握数学语言是解决数学问题的前提。
培养学生运用所学知识解决数学问题的能力,是数学教学的最终目的。“对一个问题能清楚地说一遍,等于解决了问题的一半。”解决问题的过程是一个严密的推理和论证的过程,正确地理解题意,画出符合要求的图形。寻找已知条件,分析条件与结论之间的关系,有关知识的映象,解题判断的形成,直至解答过程的表述等,处处离不开数学语言。
4、掌握数学语言,有利于思维品质的形成。
数学语言的特点决定了数学语言对思维品质的形成有重要作用。严谨、准确是培养思维的逻辑性、周密性与批判性的“良方”;清晰、精练对培养思维的独立性与深刻性有特效。
5、掌握数学语言,能激起学习数学的兴趣。
数学的语言美具有自己的特点,它是一种内在的美,表面显得枯燥乏味,其实却蕴藏着丰富的内涵。充分理解、掌握它,就能领略其中的微妙之处,感受其中的美的意境,从而激起学习、探究的兴趣。
数学语言作为一种表达科学思想的通用语言和数学思维的最佳载体,包含着多方面的内容;其中较为突出的是叙述语言、符号语言及图形语言,其特点是准确、严密、简明。由于数学语言是一种高度抽象的人工符号系统,因此,它常成为数学教学的难点。一些学生之所以害怕数学,一方面在于数学语言难懂难学,另一方面是教师对数学语言的教学不够重视,缺少训练,以致不能准确、熟练地驾驭数学语言。
接下来根据数学语言的特点及数学要求,谈谈教学中的实践与认识。
首先,注重普通语言与数学语言的互译普通语言即日常生活中所用语言,这是学生熟悉的,用它来表达的事物,学生感到亲切,也容易理解。其他任何一种语言的学习,都必须以普通语言为解释系统。数学语言也是如此,通过两种语言的互译,就可以使抽象的数学语言在现实生活中找到借鉴,从而能透彻理解,运用自如。“互译”含有两方面的意思:一是将普通语言译为数学符号语言,也就是通常所说的“数学化”,例如方程是把文字表达的条件改用数学符号,这是利用数学知识来解决实际问题的必要程序。二是将数学语言译为普通语言。数学实践告诉我们,凡是学生能用普通语言复述概念的定义和解释概念所揭示的本质属性,那么他们对概念的理解就深刻。由于数学语言是一种抽象的人工符号系统,不适于口头表达,因此也只有翻译成普通语言使之“通俗化”才便于交流。
其次,注重数学语言学习的过程,合理安排教学
数学概念和数学符号的形成一般包括逻辑过程、心理过程和教学过程三个环节。逻辑过程能够揭示概念之间的各种逻辑关系,便于对数学结构从整体上理解,有助于学生对数学本质的理解与认识。心理过程是指学生从学习数学语言到掌握数学语言的过程,这种过程往往是因人而异。数学符号和规则从现实世界得到其意义,又在更大的范围内作用于现实。学生只有在理解数学语言的来龙去脉及意义,而且熟练地掌握他们的各种用法,从而得到理性的认识之后,在数学学习中才能灵活地对它们进行各种等价叙述,并在一个抽象的符号系统中正确应用,从而达到对数学符号语言学习的最高水平。教学过程则是教师具体对某个数学符号进行讲解、分析、举例、考查的过程,教师在教学中要善于驾驭数学语言。
1.善于推敲叙述语言的关键词句。
叙述语言是介绍数学概念的最基本的表达形式,其中每一个关键的字和词都有确切的意义,须仔细推敲,明确关键词句之间的依存和制约关系。例如平行线的概念“在同一平面内不相交的两条直线叫做平行线”中的关键词句有:“在同一平面内”,“不相交”,“两条直线”。教学时要着重说明平行线是反映直线之间的相互位置关系的,不能孤立地说某一条直线是平行线;要强调“在同一平面内”这个前提,可让学生观察不在同一平面内的两条直线也不相交;通过延长直线使学生理解“不相交”的正确含义。这样通过对关键词句的推敲、变更、删简,使学生认识到“在同一平面内”、“不相交的两条直线”这些关键词句不可欠缺,从而加深对平行线的理解。
2.深入探究符号语言的数学意义。
符号语言是叙述语言的符号化,在引进一个新的数学符号时,首先要向学生介绍各种有代表性的具体模型,形成一定的感性认识;然后再根据定义,离开具体的模型对符号的实质进行理性的分析,使学生在抽象的水平上真正掌握概念(内涵和外延);最后又重新回到具体的模型,这里具体的模型在数学符号的教学中具有双重意义:一是作为一般化的起点,为引进抽象符号作准备,二是作为特殊化的途径,便于符号的应用。
数学符号语言,由于其高度的集约性、抽象性、内涵的丰富性,往往难以读懂。这就要求学生对符号语言具有相当的理解能力,善于将简约的符号语言译成一般的数学语言,从而有利于问题的转化与处理。
3.合理破译图形语言的数形关系。
图形语言是一种视觉语言,通过图形给出某些条件,其特点是直观,便于观察与联想,观察题设图形的形状、位置、范围,联想相关的数量或方程,这是“破译”图形语言的数形关系的基本思想。例如,长方体的表面积教学,学生初次接触空间图形的平面直观图———这种特殊的图形语言,学生难于理解,教学时可采用以下步骤进行操作:①从模型到图形,即根据具体的模型画出直观图;②从图形到模型,即根据所画的直观图,用具体的模型表现出来,这样的设计重在建立图形与模型之间的视觉联系,为学生提供充分的感性认识,并使它们熟悉直观图的画法结构和特点;③从图形到符号,即把已有的直观图中的各种位置关系用符号表示;④从符号到图形,即根据符号所表示的条件,准确地画出相应的直观图。这两步设计是为了建立图像语言与符号语言之间的对应关系,利用图形语言来辅助思维,利用符号语言来表达思维。
总之,在数学教学中,教师应指导学生严谨准确地使用数学语言,善于发现并灵活掌握各种数学语言所描述的条件及其相互转化,以加深对数学概念的理解和应用。
参考书目:
1.张楚廷 数学文化[M],高等教育出版社.2000年;
2.邓东皋.数学与文化[M],北京大学出版社.1990年;
3.王庆人.数学家谈数学本质[M],北京大学出版社.1989年;
4.欧阳维诚.文学中的数学[M],湖南人民出版社.1998年。
