高中数学论文：浅谈数学文化融入课堂教学之策略

【摘要】：在高中数学课程中融入数学文化是当前高中数学教育的重要研究课题和基本理念。但在教学实践中，高中数学的数学文化渗透仍然问题诸多。本文从案例教学的角度，对数学文化如何融入教学试验性地进行实践性的探索，并总结出具体的教学策略，试图为“数学文化”教育的实践提供一些可以借鉴的途径。具体策略主要有：从历史的角度设计教学，让学生了解数学创造的真实过程；从思想方法的角度设计教学，让学生感悟思想方法的美妙；从数学应用的角度设计教学，提升学生的数学应用意识。

【关键词】：数学文化，课堂教学，策略

近几年来，高中数学教育理论有个新的转向即如何引导高中数学教学从应试型向文化型教学转变。《普通高中数学课程标准》明确指出：“数学文化是高中数学内容不可分割的一部分”；“数学课程应适当反映……数学科学的思想体系，数学的美学价值，数学家的创新精神。数学课程应帮助学生……逐步形成正确的数学观。”1从标准的表述可以看出，数学的文化价值已作为数学教育中的一个新的基本理念被提出。数学文化渗透应贯穿和渗透于高中数学的每个模块，立足于课堂教学。

但在教学实践中，高中数学的数学文化渗透仍然问题诸多。笔者曾与很多同事交流过数学文化的问题，大多教师表示中学数学教育需要数学文化教学，但是在学校、社会片面地关注升学率、分数教育现实面前，实施数学文化教育无异于纸上谈兵。事实上大多数教师仅认可这种观点却无行动。对于“如何体现数学的文化价值”、“在数学文化教育中如何实施教学策略”等相关问题，均没有时间也没有动力去作深入的思考。笔者尝试从案例教学的角度出发，选择自己认为相对容易开发的概率统计模块2，对数学文化如何融入教学试验性地进行了一些实践性的探索，并从中总结出一些教学策略，试图为“数学文化”教育的实践提供一些可以借鉴的途径。

一、从历史的角度设计教学，让学生了解数学创造的真实过程

由于数学结果缺少直观性，数学普遍被认为太抽象、太复杂、太枯燥、太难懂，所以人们通常对数学采取敬而远之的态度。实际上，这是人们的一种误解。数学中有许多重要的概念、思想和方法都来源于人类的现实需要，中小学数学课程中的绝大部分内容，都可以找到数学与社会互动的相应素材。数学史就是我们寻找素材，进行教育加工的非常重要的资源库。“数学史可以提供整个课程的概貌，不仅使课程的内容互相联系，而且使它们跟数学思想的主干也联系起来。”3在概率统计教学中，我们可以结合数学史，选取与教材中的概念、定理、思想产生和发展过程的相关知识，追寻历史故事、引入史实，数学名题等，解释数学知识的现实（是什么）和来源（为什么），让学生了解数学创造的真实过程，启迪学生的思维。

例如在学习人教版《数学》（必修3）第二章《统计》中的线性相关一节时，按照《高中数学教学大纲》的教学要求，在教材内容的基础上，我把历史上发展近十年才逐渐完善的

最小二乘法加工浓缩为一个故事，一边讲述，一边和学生一起探求最小二乘法的原理。以下

是几个主要教学环节。

（用PPT 展示）：1.最小二乘法的历史背景

1801年1月，意大利天文学家皮亚齐发现了一颗从未见过的小行星。据说刚发现不久，他就病倒了，等病好时，已过了几个月，那颗小行星却怎么也找不到了。当时有名的天文学家都加入了对这颗小行星的寻找，却徒劳无获。1801年9月，高斯决定用数学方法寻找这颗小行星的踪迹。3个月后，天文学家在高斯预测的轨道位置再次发现了这颗小行星。高斯因为此事名声大震，但他却拒绝透露计算小行星轨道的办法。

师：我们试想高斯测得了这样一组数据：(,)(1,2,3,

,)i i x y i n =。如何根据这些观测数据来估

计小行星的位置呢？

有学生直观的想法就是把i x ，i y (1,2,3,,)i n =的平均值点作为小行星的估计值。 师：我们举个例子来看这种想法可行吗？例如对一段公路，进行测量，假设n 次实际测量值为12,,,n x x x ，可是每次测量都有一定的误差，这些误差或正或负，或大或小，应该如何估

计公路的实际长度。大家说取平均值可以吗？

师：可以，说说为什么？

生1：设这段公路的真实长度为a ，则所有数据的误差平方和为21()n

i i x a =-∑，然后当其最小

时，可求得a 就是各测量值的平均数。

师追问：这里i x a -为什么要加平方？直接把每个i x a -求和最小可以吗？

生1：因为误差有正有负会抵消掉。

师：就是说，从整体上看待所有的误差，不能让误差因符号抵消掉。那么先变成绝对值i x a -，再求和，可以吗？

生1：与方差定义类似，有绝对值不太好算，转化为平方和，才能使计算可行。

师：讲得非常好。最小二乘的思想就是要使得观测点和估计点的距离的平方和达到最小。这里的“二乘”指的是用“平方”来度量观测点与估计点的远近。在古汉语中称“平方”为“二乘”，“最小”指的是参数的估计值要保证各个观测点与估计点的距离的平方和达到最小。

（用PPT 展示）：2.最小二乘法的来龙去脉

8年后，直到高斯系统地完善了相关的数学理论，才将他的方法公布于他的著作《天体运动理论》中，这就是“最小二乘法”。

师：我们回到测小行星的问题上来。这里的观测点是二维的，该如何表示观测点和估计点的

距离的平方和呢？设观测值(,)i i x y 的估计值为ˆˆ(,)i i x

y 生2： 22ˆˆ()()i i i i x x

y y -+- 师：特别当各个i x 和相应的估计值ˆi x

相等时，就等于2ˆ()i i y y -。

假设把这组数据画散点图，发现它们在一条直线附近，我们就称这两个变量之间具有线性相

关关系，这条直线叫做回归直线，记为ˆy

bx a =+。我们怎样来求这条直线的方程？ 学生畅所欲言，把他们的想法列举出来：（1）回归直线是过散点最多的直线；（2）回归直线是使上下点基本平均分布的直线；（3）回归直线是过两个端点的直线；（4）回归直线是经过样本中心的直线；（5）回归直线是各点与之距离最小的直线；（6）多画几条直线，取它们的斜率、截距的平均数作为回归直线的斜率、截距。

然后思考以上各种方法是否合理？有无道理？哪条“最合适”？如何用数学方法得到回归直线？引出需要进一步探索的问题。

这时，学生很自然的会认为，回归直线应该从整体上看各点与之距离最小的直线，而不能仅看几个观测点。

师：如何用数学符号表示从整体上看最近？

生：21ˆ()n

i i i y y

=-∑ 最小 因为估计值点ˆˆ(,)i i x y 均在回归直线上，2

1ˆ()n i i i y y =-∑=21()n

i i i y bx a =--∑最小。 老师在散点图中可以作图示说明。

然后推导出回归系数1221n i i i n i i x y nx y b x nx a y bx ==⎧-⎪⎪=⎪⎨-⎪⎪=-⎪⎩∑∑ 从回归系数中发现很有意思的事情是：估计得到的直线ˆy

bx a =+一定经过观测点的中心(,)x y 。

师：如果施化肥量x kg 和水稻产量y kg 之间的回归方程为ˆ 4.75257y x =+．解释回归系数b

（4.75）的意义。

师：当x =28kg 时，代人方程ˆ 4.75257y

x =+=390有什么意义？ （用PPT 展示）：3.最小二乘法的优先权风波

但早在1805年，法国科学家勒让德（1752～1833）发现了作为解决线性方程组的最佳方法，即最小二乘法，勒让德由此严斥高斯剽窃别人的研究成果，从而引起了二者之间的优先权之争，在这个过程中，高斯的数学成就一度遭人质疑和责难。事实上，最小二乘法最早是为解决线性方程组用的。在实际应用中，常常有许多个方程而且其系数不是整数而是计算到很多位小数的实数。勒让德第一个发表了最小二乘法思想，并影响了统计学。高斯没有引用勒让德的结果，也设计了对方程组的系统消去法使得方程组更容易求，而且高斯详尽阐述了最小二乘法为合理的根据，使得勒让德那里只是处理测量数据的代数方法逐渐渗透到统计

数据分析的领域。