数学新实验教材: Beast Academy 小学教材最新出版 Math 5B

数学新书 新实验教材: Beast Academy 今年春天最新出版 Math 5B

Beast Academy 花费数年精力打造实验教材,陆续推出了Math 1-4用于小学1-4 年级数学,并在去冬今春推出了 Math 5A 5B, 其中 Math 5B 刚刚发布 (2016.4月底)。经了解 Math 5C 5D 也将在不久推出。这套书在美国出版,里面融入了不少新鲜的教育理念,特别是通过丰富的数学活动和游戏,强化重点,突破难点,寓教于乐。有不少可圈可点之处。尤其可贵的是,数学活动和游戏的引入不是单摆浮搁,而是与教学知识点紧密结合。通过启发的方式引导孩子乐于探索。在教材各书内容的衔接上也有严谨的处理,有前瞻性的内容,也有温故知新的内容。在美国的一些教育和经济相对先进的地区(如硅谷的湾区),这套教材成为了学生,教师和家长的热追。

Math 4B, 4C, 4D, 5A 的部分内容,在Jonah‘s Math Corner 今年一月份起开设的 5 年级数学班上试用,学生和家长都觉得有意思,给出了积极正面的评价反馈。Math 5B 开始大大强化了分数教学(Fraction,如 5/12 + 2/15 = ?)的内容,启发孩子把计算和思考逻辑联系起来,使用的平台仍然是数学活动和游戏。内容上比较北美的其他教材要深一些,但是不枯涩,反而妙趣横生,又循循善诱,启人深思。孩子作为学习者的好奇心一旦被调动起来,就会乐学,愿意和主动去做更多的问题。这也正是在我们在试用之中发现的。

Math 5B 5C 5D 出全以后,从内容上完全覆盖了小学教学的知识点(按照加西,或者Alberta 的大纲,已经覆盖到 6 年级以上内容),并有所超越。这样一套培养孩子兴趣,长知识又长能力的教材,值得向小学生和家长们推荐。也要指出,启发性的教材,其实是对教师提出了更高的要求。因此用这套教材,应在懂得数学教育的老师带领下学习。感谢编写者的努力!在当前作数学数学教育不易,编者能够锲而不舍,把这件事做下去做好。我们也期待这套教材的出版和试用,能帮助更多孩子,从小爱学习,真正掌握数学的方法。

在近期,Jonah’s Math Corner将会结合这套书的内容,就怎样把数学活动,游戏和学习数学概念方法相结合,作一点具体的,导引式的介绍。

数学王子高斯:生平,贡献和启示

高斯,全名约翰卡尔弗雷里奇高斯,1777 – 1855,是德国数学家。幼时聪颖,最著名的故事就是他小学时怎样回答老师给他的那道数学题,让他算一加二加三 …… 一直加到一百。高斯从两边分别取数加起来: 1 + 100 = 1012+99=101,…… 如此下去刹那间就算出来结果是 50 × 101 = 5050. 这是上小学的高斯自己想出来的;稍加推广,就可以解决任何等差数列求和的问题。这是真正的天才杰作,成就了神童之誉。高斯在数学领域里终身建树颇丰,有数学王子 (Prince of Mathematics)之称。

高斯的工作涉猎数学的多个分支。除了数学外,他亦探入或与人合作探索天文和物理领域。在他的早期成长中,对于神学和语言学亦显出不同反响的理解才能。

高斯的最主要成就和他受的教育

少年天才的高斯接受了正规严谨的教育,曾在卡罗琳那学院和世界知名的哥廷堡大学共学习六年(1792 – 1795, 1795 – 1798)。1796 年高斯19岁时他就发现了用直尺和圆规作正十七边形的方法:继承了来自古希腊的数学传统–只要可能的话,就只用直尺和圆规完全准确地作出任何几何图形。

1799年(22岁),高斯的博士论文改进了现在称为代数基本定理的证明。该定理说:复系数多项式至少有一个复根;通过因子分解的过程,这表明 n多项式在复数域有n个根。在严谨性上,高斯的证明比前证明进了一大步。

高斯用直尺和圆规作正十七边形的方法,是建立在传统上的,用到了代数,还联系了可作图性与费尔马数。这成为他最得意之作;今天学习纯粹数学的人仍把它当作代数和几何结合的典范。分圆多项式理论就是在这工作中萌芽的,后得到进一步发展 (不仅是他本人的工作)。在博士论文中的证明,他自己还不满意:用了一生时间来改进代数基本定理的证明(见下文)。

非这两个工作莫属高斯一生的代表作。

其他工作

21岁时(1798年)他完成了算术教程(这里,算术主要指现在称为‘数论’的内容 – 数论是数学中即基础又高难的一分支)。由此奠定他在数论上的地位。数论中最常用到的模同余的记号,也是由于高斯的提倡而成为标准。例如,16 除以7,余数是2,在模同余理论中,写成 16 ≡ 2 (模7)。记号≡读作同余;这大大简化了表达,体现了大家风范。

高斯还结合圆锥曲线和高次方程组(高至8次)开创了(理论)天文学的工作。其中用到了一些复杂方法如付利叶变换和三角插值。1801年(24岁),他的理论预报当年即得到天文观测的证实。此后,高斯与物理学教授Wilhelm Weber长期合作,富有成果。他建立了磁观察站和磁俱乐部,是电磁学理论的先驱之一。他的工作也涉及到光学领域。他还主持了当地大地测量(1818 年,在汉诺威王国,现为德国的一部分)。正态分布,又称误差分布,高斯分布,在实验和统计数据处理上有重要意义。高斯在其中的工作从“高斯分布”的名称上就可以看到。

我们难以尽数高斯的成就。那个 1+2+3+ … + 100 的故事,由此衍生了高斯序列(或者三角形数:如1,1+2=3,1+2+3=6,1+2+3+4=10,…; 1,3,6,10 就是三角形数);而高斯的一个发现,是任何自然数可以写成不超过三个三角形数的和 — 来自他笔记 (”ΕΥΡΗΚΑ! num = Δ + Δ + Δ”)。喜悦之情溢于言表 — 我们看到王子在数学世界的快乐!这是1796 年,他发现正十七边形尺规作图法的同一年。这是年轻时随手的作品,是大师的小品。

他用一生的时间改进他的工作,推敲每个细节。在1849年(距首次发表已有50年之久;当时他已经72岁高龄)高斯给出了关于代数基本定理的一个证明,按近代标准完全严谨。天才也如此磨砺自己的工作,让人感佩!晚年高斯成为荷兰皇家协会会员及荷兰艺术科学学院院士(外籍)。他不为名所累,提携后人,欣赏同行,对新秀黎曼在曲面几何上工作由衷称赞。

高斯的启示

每个人都能够从高斯的故事和贡献中得到一些启示。少年神童很多,但是成就堪比高斯的寥寥。高斯治学毫不浮躁,终其一生改进早期已作出的成果,仅此就让今天的浮躁者汗颜。高斯既无愧于少年神童,而他的学术成就和地位却来自于追求进取和不断磨砺。为后世治学树立了榜样。

八边形的面积 (好简单!)

看下面这个图,请!

Rotate-Square-Octa-lbl

很有趣,是不是?

这个图有一个圆,圆内接的一个正方形,再加上那个正方形旋转45度以后的新正方形 组成的。其他不过是线和线,线和圆弧的交点而已。这个图其实不复杂,但是蛮有趣。

两个正方形的边是相交的,得到 8 个顶点。把这些顶点依照顺序连接起来,我们得到一个八边形。请参看上图 (如果看不清,点击放大), 原正方形ABCD 和 旋转45度后的新正方形 A0B0C0D0 交于 8个点: 按顺序连起来,得到八边形 E1E2F1F2G1G2K1K2. 这个八边形是一个正八边形 (即所有边的长度相等,所有内角的角度相等),你能证明吗?

利用对称性加上旋转的性质,很容易找出若干全等的三角形。由全等形的对应边相等,对应角相等就能得到正八边形的结论。(提示:旋转45度在这里起了关键作用。正方形的4个顶点把圆周分成四段,每段90度;45度刚好一半。如果旋转90度新正方形和旧的重合,旋转45度交点构成正八边形。如果旋转的是 0-90度之间任何其他角度,交点也构成一个八边形,但不会是正八边形。)

大一点的正八边形是把原来正方形和新的正方形的顶点交替连接起来,于是得到 AABBCCDD . 类似地,可以说明这是一个正八边形。

八边形的英文叫做 Octagon,和它类似的有个词Octopus 章鱼,因章鱼有八条腿。Wow,我们做出了正八边形 (联想:章鱼)!

下面来看两个有趣的面积计算。给定原来正方形的边长等于2,那末,

1) 正八边形 E1E2F1F2G1G2K1K2 的面积是多少?

2) 正八边形 AABBCCDD 的面积是多少?

我们先看第一个问题: 注意到正八边形 E1E2F1F2G1G2K1K2 的面积是正方形的面积减去四角上的四个小三角形面积;而这些小三角形是全等的。小三角形(比方说 等腰直角三角形E, 在顶上的图里,就是角上浅蓝色的小三角形) 的边长呢?这个要稍微用点劲。

注意到 A : K : E = 1 : sqrt 2 : 1, 其中 sqrt 2 是2的平方根,大约是 1.414, 或者7/5. 我们只要把 A0B0 = 2 分成 (1+sqrt 2 + 1) 份,取出 1份,就是E 的长度。而E = E = 2 ÷ (1+sqrt 2 + 1). 所以等腰直角三角形E 的面积就可以算出了(直角边相乘,别忘了除以二)。把这个面积乘以4,从正方形里减去,就是八边形面积的答案。刚刚我们完成了什么?八边形的面积计算!一点不难,是不是?

好了,我们把第二个问题:

2) 正八边形 AABBCCDD 的面积是多少?

留给读者思考。

 

另辟蹊径–数学教育中的游戏方法

爱玩耍爱游戏是儿童的天性。玩游戏也可以学数学吗?当然,在一定条件下是可以的。关键是玩法得当,在高手引导下或好老师指导下收获最大,进步也快。

玩游戏学数学,非自今日提出,但是多数家长对之有戒心,可说是没成气候。究其原因呢,许多人头脑里有个框,认为学数理化就得正襟危坐,一本正经,学和玩扯不到一块。这种观念的效果不一定是促进学习,反而让孩子提不起劲学习,也给家长拿来“我的孩子不是学数学的料”,最终放松乃至完全放弃数学学习。

游戏呢不光是计算机上的数学游戏(大家对于计算机游戏已了解较多),更主要的是含有“数学元素”。

什么是数学元素呢?不只是传统的代数几何三角分析,也有逻辑,组合问题和博弈策略。这类游戏中,有的是用数学方法分析传统的游戏,让学习者看到游戏背后的数学道理(一些教师,科普期刊,网上学习站做了努力)。还有的是把数学观念或者事实融合在游戏中;在玩游戏的过程中同时应用数学概念发展游戏策略。这后一种游戏引起了教育者越来越多的认真的兴趣。这种数学游戏也可以看作是头脑实验的雏形,或者融入了数学原理的益智活动。游戏可以在计算机上玩,但是在纸上作最好。我们借这个机会分享一下。

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为不致空泛,我们来看两个简单游戏:1. 数独游戏; 2. 余数井跳跃游戏。涉及到的知识主要是逻辑和简单算术,尤其适合在小学高年级到刚进初中阶段(4-7 年级)的学习。

第一个是数独游戏 (Sudoku)。这个游戏的发明人就叫 Sudoku。常见的格式是一个正方形分成 3 × 3 9 个小正方形,每个小正方形又有 3 × 3 9个小格子;总共81 个小格子。在每一行,每一列,每个小正方形中数字 1 – 9 都要出现一次。(中文把这个游戏译成数独,很妙!)游戏开始时在若干格子里给了数字,参加游戏的人接下去把它填好。如果给的数字少,最终填数的答案是唯一的(或有两三个也可以),那末游戏的难度就大。这个游戏吸引了很多人,很益智力,也帮助理解数学方法。

余数井游戏(Jump Between Wells of Remainders) – 示例

Wells-of-Remainder第二是余数井游戏。在一张图上玩:有出发点(Start)和终点(Finish)。图的每个节点往下走常会有几条不同路径。这图比线性链条稍复杂一点,乍一看像项目管理的节点图。每节点有一个整数,出发点的上方指定了一个除数(整数)。玩法很简单,规则定步数,你选路径。每次移的步数怎末定?每到一个节点用这个节点的数除以指定的整数,商是整数(余数是0),就不能移动;不能整除就用带余除法求余,余数是几就移几步(可选不同路径),超过一步就是跳跃。从出发点开始,反复用规则。还有,只许往终点方向走,不许往回。在找到达终点的路径后游戏结束。这帮助练习带余除法,探究整除规律;也可以想出 Smart Strategy,有 Strategy 助力,更快地做完。数学知识已融入了规则,玩中也学到了。

有孩子(愿意动脑筋,理解能力较强的孩子)在规律或者Smart Strategy被揭示出来后,一下子觉得简单了。这让他们体会到数学的威力!下一步呢?我们可以让他们出游戏题给别的孩子玩。啊哈!这是新挑战。比方说余数井游戏,到达终点的路径怎样掩藏起来不易被发现?若孩子真是出了难度较大的题目,那么(如条件允许)老师可以陪孩子玩。孩子化了心思的杰作一定要多与鼓励。让孩子在兴趣盎然中动了脑筋,开始用数学工具思考,表达和发展解决问题的能力。(还有一些图形简单变换的游戏,对于孩子理解形状,提高空间想象力特别有帮助,为省篇幅从略。)

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知道数独游戏的人比较多;知道余数井的人少多了。您想了解更多吗?或想了解一下游戏的难点,挑战之处在哪里?我们会在以后通过具体实际例子作更详细的介绍。

请您多多关注。

谈到游戏,想作个声明。没有说学数学不要下功夫,只是玩玩就可以了。但是,在今天,社会日益多元化,日渐丰富的计算机游戏抓住了孩子们。让不同禀赋的孩子都有兴趣学数学,愿意配合学,主动学,多走一步去探究深想一下问题,如何能做到?就成为很重要的课题。兴趣与热爱是学习中不衰的动力;教育中有重新认识游戏方法的必要。想让孩子参加数学竞赛的家长:在小学阶段,不能纯逼孩子做题,要让孩子乐学;大家有兴趣研究一下竞赛题的方向,会发现很多游戏化的数学问题。真兴趣培养起来了,能力和乐于探索挑战的精神也是可以加上的。当然,游戏方法需要和其他配合,如讲清概念,专题训练,给孩子提示重点等。

只要引导得当,孩子在高中以后数学方面的兴趣充分发展了,而由于学习任务加重,系统化学习会更好。从以游戏和活动为主(小学到刚进初中)到更加系统化的学习,作为家长和老师,就是帮孩子保持了好奇心和探索的热情,并且把学习推进到了一个更高阶段。

和家长们交流:什么是数学能力? 怎样帮助孩子?

交流:什么是数学能力?在小学和初中 怎样帮孩子的学习?

数学能力是联合国教科文组织描述的现代人必备能力之一,因为人在社会中理解,思考,选择,行动的能力,不能完全离开对于数和形状的认知,及对于基于逻辑的思维方法的把握。好的数学教育,是在孩子成长阶段,打下让孩子受用一生的基础。

我们在最近一段时间,特别聚焦从小学高年级到初中阶段的数学。从数学教育的规律,包括数学教育实践,我们认为这是数学能力成长的关键阶段。聚焦小学和初中数学:围绕关于数学学习的认识,怎么学,家长能够帮孩子作什么。我们想就下列问题和家长们沟通交流。

  • 小学数学学什么;只是加减乘除的算术吗?初中是孩子在数学学习上的第一次飞跃,您觉得对吗?
  • 数学做出得数就够了吗?什么是数学表达;为什么说初中是发展数学表达能力的关键阶段?
  •  数学兴趣是天生的还是要培养?给孩子做题是培养兴趣的恰当方式吗?
  • 怎样启发和引导孩子在学习方式上的提升?
  • 课外辅导目的是什么?选择课外辅导哪方面的考量最重要?
  • 在北美,初中以下的数学教育都特别Easy,所以要抓孩子数学和科学教育,从高中开始就行了。”您同意吗?
  • 小学初中都太Easy,一定要给孩子报竞赛,就孩子去拿满分。您同意吗?
  • 考试或竞赛拿满分,是否一定表示学的好,能力强?
  • 初中打好基础好,还是初中放松一点,高中再抓数学学习?

还有一些很具体的问题,如怎样培养孩子的好习惯,对于跳级学习和专攻数学竞赛怎么看,为什么会有梯次掉队的现象(小学好初中成绩下降,或者初中优异到高中忽然吃力等),再有中西数学和科学教育上各自的长处,短板或者偏颇之处;都不是一两句话能够说得清楚的。

标准答案不是最佳的沟通方式;有的问题本来就没有固定答案。我们愿意和大家共同探讨,通过多种方式和家长们互动沟通。请关注公告和有关信息的更新:在Jonah’s Math Corner,我们期待并感谢您的积极参与。

数学教育小故事 (之二) 向穷人施舍的规则

施舍的规则和社区成员财富的演化

在一个叫乌托锁的社区里,大家严格按照规则办事。社区里有土豪也有穷人。手里钱最多的人(即没有人比他钱更多)就是土豪,而钱最少的人(即没有人比他钱更少)就是穷人。按照规则,土豪要施舍给穷人。

现在乌托锁社区的人都到了,大家玩一个关于施舍的游戏。开始时所有人手里的钱都是1元的整倍数 (即没有角和分),而且全社区的财富(所有人手里的钱加起来)要超过1 元。游戏规则是:所有按规则认定为土豪的人要付给规则认定的穷人 1 元钱。这个过程将进行多轮:每轮付款结束后进入下一轮,直到下面两种情形之一发生:
(1)所有人口袋里的钱一样多(即均了贫富);这时没有土豪也没有穷人。
(2)游戏进入了循环,每个人发现他口袋里的钱回到了以前某一轮的数目;
游戏在这时宣告结束。

(有没有点象微信上的红包?当然,发红包没有严格的规则。)

在这个场景里,我们提几个有趣的问题。
问题1. 举例说明在有些情况下,游戏结束时可能有人欠债。
问题2. 如果社区有 n 个成员,那么社区总财富超过多少才能保证游戏结束时总没有人欠债呢?(社区里没有公共财富;总财富就是每个人手里的钱加起来。)
问题3. 假设 n=5 (即社区里有5个成员),如果玩这个游戏时结束在均贫富的状态(即最后每个人口袋里都有相同的钱),请列出游戏开始时所有可能的财富分配情况。

问题的原型是去年加拿大的公开数学挑战赛的一个问题。我们让叙述的方式有趣一点。
亲爱的读者,您想试试这个问题吗?我们会在以后公布答案。