心得分享:閱讀VICTOR J.KATZ《在數學教學中使用數學史的一些要領》Some Ideas on the Use of History in the Teaching of Mathematics--
刊載於1997年2月的For the Learning of Mathematics

~純粹的數學知識確實存在,但是它往往埋在
文化的脈絡之中,而我們可以將文化的脈絡真
實地呈現給學生,如此學生不但學到了數學,還
學到了不同的文化,這也正是我們的目標之一。~

台師大數研所碩士班 林倉億

        Radford教授在數學教學方面曾提出「簡單教學模式」(Simple Teaching Model),其中他宣稱數學知識本質上是非歷史性的,所以,可以自由地將古代的數學與現今的數學做一連結,不需要擔心(數學知識發展的)歷史或文化脈絡的差異。這樣的說法導致了一個疑問:純粹的數學知識是否存在?也就是,我們現在對一個數學主題的知識是否和前人相同?若是的話,如Radford教授所述,教師可以無慮地在課堂上使用數學史幫助學生學習;若不是的話,引入數學史,學生卻不了解當時(歷史及文化脈絡下)的數學知識,如此將有弄巧成拙之虞。(註一)

        對於〝純粹的數學知識是否存在?〞這個問題,作者Katz肯定純粹數學知識的存在性,例如在希臘的畢氏定理與中國的勾股定理指的是同一件事;對於n個物體中取出k個的排列數的計算法則,十四世紀的拉比•班格森(Levi ben Gerson)、十七世紀的梅聖尼(Marin Mersenne)都與我們相同。不過,不同的是發現這些數學的方法與「證明」,而這正關係到不同的歷史或文化脈絡。

        數學教學是一件困難的事,教師也總是面臨何種教法才是讓學生獲得、了解概念的最好方式。使用數學史不見得會使教學變得比較容易,但是,我們的目標在於尋求何種方式對學習較有幫助,也就是需要且值得以更細緻的方式來使用數學史。Katz強調,在課堂中使用數學史除了需要了解學生如何學習數學知識外,仍需要不斷地試驗及心得分享,更重要的一點:從較大的範圍來考量及設計一系列數學史的使用,這時就需要思考如何將一系列的概念甚至整個課程,結合到某個歷史或文化脈絡之中。Katz提供以下三個例子來說明這樣的使用方式。(註二)

        以畢氏定理來說,我們並不知道它是如何被發現的,但它在許多的文明中都出現了,因此,我們可以藉由想像力來重新「發現」。比方說,以教室地板的磁磚為媒介,先從等腰直角三角形「發現」起,再去「發現」各種的直角三角形;接著,就需要「證明」了,劉徽或趙君卿的論述或方法算不算是證明?一個定理的證明又是什麼呢?證明在數學發展中所扮演的角色,甚至是對文明發展的影響等等問題,這些都是不容錯過的,教師可以把握機會與學生好好地分享討論。一般而言,學生在學習證明時都是從很顯然的結論證起,Katz指出若從歐幾里德對畢氏定理的證明講起,然後再回溯證明之中所需的先決條件,直到必須建立公設為止,如此一來,學生就可以體認證明的必要了!「證明」完了之後,還可以繼續討論畢氏三數組,許多老師報告了他們利用Plimpton 322(記載巴比倫畢氏三數組的泥板)獲得了很大的成功;此外,也可以介紹印度人利用畢氏三數組來建造他們的祭壇,這樣一來,學生還可以接觸到截然不同的文化。

        三角學的發展也是一個相當好的題材,(在西方)這門學問的發展並不是為地表上的測量,而是為了天體的測量。Katz認為利用今日正弦函數的概念,將能夠成功地透過托勒密(Ptolemy)來幫助學生了解三角學的內涵。額外地,這還提供了一個絕佳的機會與學生討論初等天文學(日動說),該門知識作為科學的基礎長達數世紀之久,所以絕對值得我們去介紹它。Katz提到他很喜歡讓學生利用古代的資料、證據來辯論究竟是地動還是日動,我想這是很有趣的一點。當然了,天文學的知識是關於球面三角學的,但是若只要用在討論太陽的運動,這並不會太難。若學生欲罷不能,還想繼續探索球面三角學的話,〝回教徒如何找到麥加的方向〞這個帶有文化及宗教背景的問題,則是一個非常不錯的選擇。

        在古代的基督教和回教傳統世界中,他們都對排列數相當地感興趣,導因於他們深信神創造了世界萬事萬物,而每一件事物的名稱都由字母所組成,因此,可以透過對字母排列數的研究,來窺知神可能創造了多少事物。由基督教和回教傳統世界出發,幫助學生去發現巴斯卡三角形,去探索巴斯卡三角形之中的奧祕,還可以利用阿拉伯數學家ibn Munim和ibn al-Banna的方法幫助學生發現組合的乘法法則、利用巴斯卡及拉比班格森的方式來證明組合公式;更重要的,我們可以讓學生體會到數學家的用心良苦─用最簡單的方式來呈現全體,如此只要透過代公式就可得知正確的數字,人們再也不用辛苦地一個一個數了。

        教師必定要充分地熟悉數學史,才能與教學做一成功地結合,除了課堂上的使用,習題的選擇也扮演舉足輕重的角色,例如歷史上重要的問題,或限定只能運用當時的數學工具來解決,在在都能夠幫助學生抓住、發展數學概念。從數學史中我們可以看到,純粹的數學知識確實存在,但是它往往埋在文化的脈絡之中,而我們可以將文化的脈絡真實地呈現給學生,如此學生不但學到了數學,還體會到了不同的文化精神,而這也正是我們的教育目標之一。

        最後,作者再次強調了分享心得的重要性。我想本刊(HPM通訊)正好提供了這樣的管道,對這方面有興趣的老師,歡迎一起來經營這片園地;對於數學史有任何疑問,可以透過網路留下您的問題,編輯小組會竭力為您解答。

註一:舉例來說,希臘人的不可公度量與我們的無理數不盡相同。

註二:Katz在這個例子中詳盡地提供了教師們可能的發展方向,考量實際狀況使用,至於教師是否要全部
            介紹,他並不堅持。