“斐波那契”狂想

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  ● 教学内容分析
  看到这个课题,很多人都会误认为这是数学课。其实,它是信息技术校本课程中的一课。开设信息技术校本课程,不少信息技术教师都会选择类似信息技术前沿探究、动画处理、网页制作和视频处理等专题,这些内容虽然从一定程度上延伸了信息技术课堂,但总体让人感觉缺乏新意,对学生的吸引力也不足。于是,我从创意入手,设计了一系列专题课程,自己编写教材,让学生在生动而富有创意的课堂内容中,潜移默化地学会如何用所学的知识来解决学习、生活中遇到的问题,更重要的是学会如何学习。《“斐波那契”狂想》就是系列专题中的精彩一课。
  
  ● 教学对象分析
  教学对象是高一年级学生,他们在义务教育阶段进行了较为系统的信息技术课程的学习,基本掌握了文本、多媒体的采集与加工技术,但从未上过信息技术校本课程,对该课程充满好奇。此外,由于数学课程还未讲授“斐波那契数列”的相关知识,绝大多数学生对该内容不了解,有利于课题的引入及情境的创设。
  
  ● 教学目标
  了解“斐波那契数列”所涉及的各领域的知识,学会用其解决学习、生活中遇到的问题。
  学会利用信息技术提高工作效率,美化生活。
  摆正学习态度,将学习放眼于个人的全面发展,而非功利化的考试目的。
  
  ● 教学过程
  (一)揭密“斐波那契”
  1.什么是“斐波那契”
  师:“斐波那契”是一个人名,他是意大利著名的数学家。1202年,他撰写了著名的《算盘书》。在这本书中记载了一个世界著名的数学问题,叫作“兔子问题”。
  设计意图:刚刚踏入高一的学生对“斐波那契”并不了解,而专题的名称“‘斐波那契’狂想”让学生感到非常好奇。因此,课堂从对“斐波那契”的揭密开始,进一步通过“兔子问题”深入探讨斐波那契数列。
  2.“兔子问题”呈现
  师:我们一起来看看“兔子问题”(见图1):假设有一对兔子,从出生后第3个月开始,每个月都生一对小兔子。小兔子到第三个月又开始生下一代小兔子。假设兔子只生不死,每个月各有多少对兔子?
  学生打开Excel,模仿效果图,建立表格,尝试计算12个月的兔子对数,并填入表中,然后观察计算出来的数据有什么规律。
  
  设计意图:在这个环节中先将“兔子问题”抛出来,让学生尝试通过自己的思考来解决问题。
  在毫无提示的情况下,要完全算出12个月的兔子对数有一定难度,这为下个环节的分析埋下伏笔。
  3.动画演示,揭示奥秘
  师:通过动画演示算出前7个月的兔子数。第1个月,有1对兔子;第2个月,因为兔子还不能生育,仍然是1对兔子;第3个月,大兔子生了一对小兔子,栅栏里有2对兔子;第4个月,大兔子又生了一对小兔子,而上月出生的小兔子还不能生育,栅栏里有3对兔子;第5个月,原来的大兔子又生了一对小兔子,而第3个月出生的兔子已经成熟,也生了一对小兔子,这时共有5对兔子……我们将前7个月的兔子数列在表中,观察这组数有什么特点。
  生:从第3个月开始每个月的兔子数都是紧临的前两个月兔子数之和。
  师:发现这个规律后,你能快速告诉我8~12月的兔子数吗?请同学们继续完成表格的填写,看看谁填得最快,并告诉我第12月的兔子数是多少。
  学生按照规律,在Excel表格中填写每个月的兔子对数。做得快的学生已经忍不住喊出了最终的结果:“第12个月的兔子数是144对。”
  师:这12个月兔子对数形成的数列就是世界上非常有名的“斐波那契数列”。它的定义是:若一个数列,首两项等于1,而从第三项起,每一项是前两项之和,则称该数列为斐波那契数列。斐波那契本人并没有把“兔子问题”和“斐波那契数列”看得特别重要。在《算盘书》中,“兔子问题”只不过是书里许多问题中并不特别的一个。但是,在以后的岁月中,这个数列似乎和高产兔子一样,引发了为数众多的数学论文和介绍文章。“斐波那契数列”成为数学中最奇特和最常出现的数列。美国数学家出版了一份专门研究它的季刊,称为《斐波那契季刊》(Fibonacci Quarterly),里面登载了关于这种数列最近新发现的性质。
  刚才,我观察到大多数同学都是通过手动输入的方法,在Excel表中列出兔子对数的,幸好列出是12个月的兔子数,要是列出200个月的兔子数,我相信不少同学就会皱眉头了。这种低效方式显然不能满足我们的需要。既然使用计算机,我们就要发挥出它的优势来,所以,我们要思考一种方法可以快速完成任务。
  根据所总结出来的数列规律,在Excel中运用公式,快速算出结果。具体操作见图2:在第3个月的兔子数中输入“=1+1”,在第4个月的兔子数中输入“=2+1”,我们发现并没有提高效率,反而使效率更低了。有没有更简便的方法,能够通过公式复制完成而不必一个一个地输入公式呢?那就是“公式+引用单元格”的方法。具体操作:在第3个月的兔子数中输入“=B2+B3”,然后用“填充柄”进行公式复制,快速求出结果,浏览单元格,发现单元格数会自动累加,这就是公式复制的快捷之处。
  
  学生用公式复制的方法,尝试列出12个月和50个月的兔子对数。
  设计意图:在这个环节中,学生可以充分领略到数学的魅力,同时,还学会了如何用信息技术来解决数学问题。用信息技术解决问题的方法多种多样,还要学会寻找最优的方法来解决问题。
  4.编制程序计算兔子对数
  师:用Excel的公式复制解决兔子问题,我们已经觉得很方便了,其实还有一种更为高效的方法,能立即呈现结果,就是用编程的方法来解决问题。
  程序演示:点击按钮就能迅速呈现出12个月的兔子对数。(见图3)
  
  分析源程序:第1行语句定义数组;因为斐波那契数列的规律是从第三项开始的,所以,我们把前两项数组赋值为1,并将它们打印出来,然后,通过一个循环语句,利用递推关系式计算出随后10个月的兔子对数,并依次将结果显示在屏幕上。
  操作演示:新建工程,放置按钮,双击按钮复制代码,运行测试效果,保存生成可执行程序。
  学生在VB中添加窗口、按钮并撰写代码,尝试改变月份数为50,解决窗口运行呈现问题。
  设计意图:本环节掀起本课的一个小高潮。学生此刻已经深深被信息技术的魅力所吸引。短短的几句代码就能实现如此神奇的效果,让还没接触编程的高一学生毫无障碍地“摘到桃子”,享受到成功的喜悦。
  (二)探索大自然中的斐波那契数列
  师:在自然世界中,植物似乎对斐波那契数着了迷。植物的花、叶、枝条、果实、种子等形态特征,都可发现斐波那契数。最典型的例子就是以斐波那契螺旋方式排列的花序或树叶。蓟的头部具有13条顺时针旋转和21条逆时针旋转的螺旋,还有我们食用的蔬菜,如青菜、包心菜、芹菜等的叶子排列也具有这个特性。观察向日葵的花盘,我们会发现其种子排列组成了两组相嵌在一起的螺旋线,一组是顺时针方向,一组是逆时针方向。再数数这些螺旋线的数目,虽然不同品种的向日葵会有所不同,但是每组数字都是斐波那契数列中相邻的两个数。再看看菠萝、松果上的鳞片排列,虽然不像向日葵花盘那么复杂,也存在类似的两组螺旋线,其数目通常是8和13。有时候这种螺旋线不是那么明显,需要仔细观察才会注意到。(见图4)
  
  数学家泽林斯基发现树枝生长的“斐波那契”规律。他说,当你漫步在树林之中时,你会发现:由于新生的枝条往往需要一段“休息”时间,供自身生长,而后才能萌发新枝。所以,一株树苗在一段间隔,如一年,以后长出一条新枝;第二年新枝“休息”,老枝依旧萌发;此后,老枝与“休息”过一年的新枝同时萌发,当年生的新枝则次年“休息”。这样,一株树木各个年份的枝桠数,便构成斐波那契数列。这个规律,就是生物学上著名的“鲁德维格定律”。
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