数学中的文艺素材对大学生人文教育的作用

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  数学是一种文化。数学的思想方法在提高学生的人文素养中起着不可估量的作用。数学建模是把数学与现实世界联系起来的一座桥梁,在人文科学中渗透数学建模思想,能够让学生用欣赏的眼光去看待和理解原本枯燥的数学知识,对加强学生的人文素养能起到促进和提高的作用。
  
  一、文学中的数学
  
  我国古代诗词和对联是华夏文明的重要组成部分,有些诗和对联同数学有着种种联系,如把数字嵌入诗、联之中,或者有的一副联、一首诗就是一道数学题。当你在读联吟诗时,既提高了文学修养,又学会了解题,还能得到美的享受。
  例如南阳诸葛武候的祠堂里有一副对联:
  取二川,排八阵,六出七擒,五丈原明灯四十九盏,一心只为酬三顾;
  平西蜀,定南蛮,东和北拒,中军帐变卦土木金爻,水面偏能用火攻。
  此副对联不仅概述了诸葛亮的丰功伟绩,而且用上了“一二三四五六七八九十”各个数字和“东南西北中金木水火土”十个字,真是意义深远,结构奇巧。
  又如,北宋著名的文学家苏轼曾经画了一幅《百鸟归巢图》。广东一位名叫伦文叙的状元,在他的画上题了一首诗:
  归来一只又一只,三四五六七八只。
  凤凰何少鸟何多,啄尽人间千石食。
  诗人似乎只是对当时的官场和社会的贪污腐化发表了议论,完全没有涉及到画的主题。其实,如果我们把诗中的数字按顺序写下:1,1,3,4,5,6,7,8,在用运算关系把它们连起来,便可以得出1+1+34+56+78=100这个等式,将“百”字含而不漏的藏在诗中,可谓精彩。这里还蕴含着一个数学问题,即把一个正整数分解为若干个正整数之和,这在数论中称之为正整数的拆分。整数分拆是数学中十分活跃的一个分支。
  还有这样一首著名的回文诗《晚秋即景》:
  烟霞映水碧迢迢,暮色秋声一雁遥。
  前岑落辉残照晚,边城古树冷潇潇。
  把这首诗倒过来念便成了:
  潇潇冷树古城边,晚照残辉落岑前。
  遥雁一声秋色暮,迢迢碧水映霞烟。
  在数学中也有一种现象叫“回文素数”,这种数如果把各位数码完全倒过来写,仍然是素数。如13和31,17和71,113和311,347和743,769和967等都是回文素数。此外,著名的文学家托尔斯泰、国际知名的语言学家赵元任等都非常喜爱和擅长数学。可见文学和数学可以“相映成趣”。
  
  二、艺术中的数学
  
  音乐与数学的联系相当悠久。古希腊数学家毕达哥拉斯可以说是音乐理论的一位始祖,他阐明了单弦的调和乐音与单弦弦长之间的关系;法国数学家笛卡尔有一部著作名为《音乐概论》;天文学家开普勒从音乐与行星运动之间寻找对应关系;而莱布尼兹更直接地把音乐与数学联系起来,这也是后来出现的用数学结构分析音乐的一位思想先驱;杰出的数学家欧拉对铃的声音的研究导出了复杂的四阶偏微分方程。他还在18世纪30年代创立了一种新的音乐理论,出版了一部叫作《建立在确切的谐振原理基础上的音乐理论的新颖研究》的著作。此外,泰勒、拉格朗日、约翰伯努利、傅立叶、亥姆霍兹、薛定谔等著名的科学家都研究过音乐。很多人对音乐的爱好保持了终生。
  绘画艺术与数学的紧密联系也是有目共睹的。文艺复兴时期的达·芬奇不仅是大画家,而且是著名的数学家。如何在画布上描述现实世界中的三维景象,这是个困扰文艺复兴时期艺术家们的一大难题。达·芬奇找到了一套全新的数学透视理论体系,并在此基础上创立了全新的绘画风格。
  雕刻具有一种简洁质朴的美。不管是什么样的雕塑,其制造工艺都涉及到数学原理。维、空间、重心、对称、几何对象和补集都是在雕塑家进行创作时起作用的数学概念。空间思维在雕塑家的工作中起着最重要的作用。例如,米开朗琪罗的《大卫》、古希腊艺术家米隆的《掷铁饼者》的重心都在雕塑品内部。达芬奇的大多数作品都是先经过数学分析然后进行创作的。R·P·弗格森运用传统雕塑、计算机和数学方程创造出了像《野球》和《带有十字形帽和向量场的克莱茵瓶》这样的作品。因此发现数学模型可以兼用作艺术模型,就不令人奇怪了。雕刻的图像结构是稳定的、静态的,能够给人以宁静之美。正如精炼的数学形式下蕴含着丰富的思想一样。
  建筑、装饰设计与几何学的关系更为直接。千百年来,数学已成为设计和构图的基本工具。它既是建筑设计的规划方法,也是减少试验、消除技术差错的手段。埃及、墨西哥和犹加敦金字塔构造中石头的形状、大小、重量、排列等计算工作,需要依靠直角三角形、正方形、面积、体积以及估算等数学知识;秘鲁麦加皮克楚高原图案的整齐和均匀,没有几何学知识的规划是不可能达到的。从古至今,建筑师们不断研究数学、力学原理和不同材料所能支持的构造,终于使自己能够自由地创作出充满想象力的设计。
  
  三、数学与哲学
  
  再例如,在对待无限的观点问题上,自古以来就有两大哲学流派,一派持实无限观点,另一派持潜无限观点。在数学家的行列中,毕达哥拉斯、牛顿、莱布尼兹、康托尔、罗素、希尔伯特等都坚持实无限,柯西、魏尔斯特拉斯、克罗内克、布劳威尔、庞加莱等都坚持潜无限。这两种观点像是一个矛盾运动。在某种程度上可以说,初等数学是关于有限的科学,高等数学则以无限为研究对象。希尔伯特曾经说:从来就没有任何问题像无限那样,深深地触动着人们的感情;没有任何观念能像无限那样,曾如此卓有成效地鼓励着人们的理智;也没有任何概念像无限那样,是如此迫切地需要加以澄清。在数学史上曾有过三次危机,而这三次危机都与无限的概念以及人们对无限的理解有关。实际上,数学是一种从具象中产生抽象的科学,其中就包含了通过有限把握无限的这种认识成分。
  
  四、经济中的数学
  
  数学也是经济学的重要工具。数学与经济学真正联系起来是在19世纪中叶。1838年,数学家拉普拉斯和泊松的学生古诺发表了一本名为《财富理论的数学原理研究》的经济学著作。1983年的诺贝尔经济学奖得主德布罗于1959年发表了他的著作《价值理论,经济均衡的一种公理化分析》,标志着运用数学公理化方法的数学经济学的诞生。埃奇沃思用抽象的数学来刻画经济学中的边际效用理论,他最重要的经济学著作叫做《数学心理学》。著名的经济学家凯恩斯是宏观经济学的创始人,而他是以数学家的身份开始其学术研究的,他曾出版了那个时代最重要的一本数学著作《概率论》。
  经济学讨论“最优化”问题,对经济学来说,更重要的不是各自的最优,而是相互间的对策。利用一系列新的数学工具,如凸集理论、不动点理论等,形成了在经济学中一系列与微分学不同的数学方法。
  为了刻画不同的经济模型,需要涉及到更多的数学概念。现代经济学发展已经几乎囊括所有数学领域,从而经典的数学分析工具、微分拓扑、代数拓扑、偏微分方程等等都能用得上。使得数学与经济学紧密地联系起来。
  总之,将数学建模思想渗透到大学生人文素养中,可以通过联系生活实际,追寻历史足迹,传承数学文化,激发创新的个性精神。使得数学作为科学的语言、自然的语言成为人的一种修养。数学提供的不只是精确性和逻辑性,它提供的不仅仅是一种模式,而是各种思维的艺术。大学课堂不仅是学科知识传递的殿堂,更是人性培育的圣殿。数学作为一门基础学科,其数学教育的价值首先应当从人的发展方向去衡量。因此,我们每一位数学教师在数学教学中要重视学生人文素质的培养,让数学课堂闪耀人文之光,让这种人文之光照亮学生前行的道路。
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