一课研究之“除法符号的历史演变与教学启示”

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一课研究之“除法符号的历史演变与教学启示”

2024-07-13 15:05:10| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、古代中国除法的演变过程

对古代的人们来讲,计算除法是一个非常难的问题。现有资料表明,古代中国采用算筹来计算除法,后来用算盘来计算,这是比较早的程序性计算除法的方法。

1.筹算除法

我国古代数学著作《孙子算经》上说:“凡除之法,与乘正异。”当时,人们用算筹和口诀来计算除法,把除法看作乘法的逆运算。基本步骤与乘法一样也是放筹与运筹。放筹时也分三层,上层放商,中间放被除数(古时称实),下层放除数(古时称法),除数摆在被除数够除的那一位之下,除完向右移动,比如,4391÷78,筹算过程见图1所示。这可能是除法竖式产生的雏形吧。

筹算除法同乘法运算一样也需要口诀,古时称之为“九九表”,从“九九八十一”起到二二得四”止,共三十六句。但没有“一九得九”到“一一得一”等九句,顺序也与现今流行的相反。

2.珠算除法

珠算除法有归除法和商除法两种。

归除法用珠算除法口诀进行计算,有九归口诀61句,退商口诀9句和商九口诀9句。

商除法借助乘法口诀求商。下面以242÷22=11为例,介绍商除法,具体步骤如下:①布数,定商,能够除隔位商,不够除挨着商;②求商,24÷22隔位商1;③减去商与除数的乘积24-1×22=2;④再求商,将2移下来得到22,22÷22商1;⑤减去商与除数的乘积22-1×22=0,刚好除完,得到最后的结果为11。(见图2)

用除数22和被除数24相比,24比22大,用“大数”口诀除。

“大数空加一”在被除数左边隔一位进一。“隔位减除数”,在商右边起隔一位减22。余数22和除数相等,仍用“大数”口诀去除。

“大数空加一”,“隔位减除数”,正好除尽,商11。

3.除法竖式

由国立编译馆主编,商务印书馆印行的民国《初级小学算术课本》(1948年4月第二次修订本第三版)第四册中,把现在的除法竖式符号称为“直式除号"。(见下图3)新中国建国后的教材都称为竖式除号。

从上面的分析可以看出,筹算除法与珠算除法的运算过程有除法竖式的雏形,但还不是真正意义的除法竖式,因为它们在形式上都没有除法的“直式”。因此,可以说在我国真正意义的除法竖式应该从清代开始。

我国清代康熙皇帝主持编写了《御制数理精蕴》,在下编卷一的“归除”中就专题介绍了除法运算,基本思路就是利用类似乘法竖式的写法计算除法。比如,针对问题“设如有物重三百八十四两,问得斤数若干?”也就是384÷16的计算,采用了如下图4的写法:

原文对计算过程的描述为:法以三百八十四两为实列于下,每斤一十六两为法列于上,爰看实之三八,足法之二倍,故书二于法上,乃以得数之二,与法之一六相因得三十二,书于实下,与实相减余六,次取实数之四,书于减余之后共为六四,因足法之四倍,故书四于上,乃以得数之四,与法之一六相因得六十四,书于实下,与实相减恰尽,即得数为二十四斤也,定位因法之两数为单位,而与实之十位相对,故知得数为二十四斤也。

这个过程可以用现在的语言分解如下几个步骤:

第一步:把被除数“384”写在下面,除数“16”写在上面。这里因为16小于38,所以除数16书写的位置要与38对齐。

第二步:因为被除数的前两位38是除数16的2倍多,所以把商2写在除数上面,与被除数的十位对齐。

第三步:将得数2与除数16相乘得32,写在被除数384下面。这里32写在38下面表示32个十。

第四步:被除数与32相减剩下6,再把个位上的4落下来继续除,64除以16得4,把商4写在除数上面,与被除数的个位对齐。

第五步:得数4与除数16相乘得64,64写在被除数下面,与被除数相减正好减完,所以得数为24。

在《御制数理精蕴》中还有小数除法的例子,比如:(1)“设如有田四十五亩六分,共纳谷五十七石,问每亩纳谷若干?”也就是57÷45.6的计算,采用了如下图5的写法:

原文对计算过程的描述为:法以五十七石为实列于下,四十五亩六分为法列于上,因法之首位四,小于实之首位五,故列法与实相齐,又因实之位数少于法故补作〇以足其位,爰看实之五七〇,足法之一倍,故书一于法上,乃以得数之一,与法之四五六相因,仍得四五六,书于实下,与实相减,余一一四,此后实无余位,故添书一〇于减余之末,为次商实,爰看一一四〇,足法之二倍故书二于上,乃以得数之二,与法之四五六相因,得九一二,书于实下,与实相减,余二二八,又添书一〇于减余之末,为三商实,爰看二二八〇,足法之五倍,故书五于上,乃以得数之五,与法之四五六相因,得二二八〇,书于实下,与实相减恰尽,即得数为一石二斗五升也,定位因法之五亩为单位,而与实之石位相对,故得数首位为石是知每亩纳谷一石二斗五升也。

题中的竖式应是“57÷45.6=1.25”,但在竖式计算时已经运用了商不变性质,将算式“57÷45.6”的被除数与除数同时扩大10倍转化为“570÷456”。这样,最上面的商一二五还是1.25。如果把这个竖式中的除数“四五六”移出来写到左侧,商补上小数点,就与现在教科书中的除法标准竖式的写法基本一致了。

(2)“设如有丝四十五斤,共织得缎九十二丈二尺五寸,问每斤织得若干?”也就是92.25÷45的计算,采用了如下图的写法:

图6竖式中“九二二五”是被除数92.25,“四五”是除数45,最上面的“二〇五”是商2.05。与其他竖式相比,被除数“九二”上面没有横线,这样做的目的是以示区别被除数的整数部分“九二”与小数部分“二五”,最终区别了商的整数部分“二”与小数部分“〇五”。

二、古代外国除法的演变过程

(一)“÷”的产生

古代阿拉伯人曾用过两个数之间加一条短线“-”的方法表示相除。中世纪时,阿拉伯数学相当发达,数学家阿尔•花拉子米曾用“3/4”来表示3被4除。有人认为,现在通用的分数记号源于此。

1544年,德国数学家施蒂费尔在他出版的《整数算术》(Arithmetica integra)中以一个或一对括号作除号(Signs for division),如以 8)24或8)24(表示24÷8;奥特雷德则以a)b(c来表示b÷a=c;J.马洪(1701年)则以D)A+B-C表示(A+B-C)÷D。至1545年,施蒂费尔又改以大写德文字母D表示除(Division),其后,斯蒂文亦采用了这符号,而戈里马德(1751年)则以字母D的反写表示除。

我们最熟悉的除号“÷”,最初在欧洲曾作为减法符号,如德国数学家里斯(A.Riese,1489-1559)在其1522年出版的《商业算术》中就是用“÷”号表示减法。

用符号“÷”表示除号,应归功于瑞士数学家雷恩(J.H.Rahn)。1659年,雷恩出版了其《代数》(Algebra),其中第一次引用“÷”作为除号。至1668年,他这本书之英译版面世,这记号亦得以流行,沿用至今。所以后人把除号“÷”称为雷恩记号。

雷恩是在解决把一个整数分成几份的问题时,因没有符号可以表示这种分法,故就采用了“÷”号。除的本意就是分,符号“÷”的中间横线把上、下两部分分开,可谓形象表示了“分解”之意。

(二)古代外国除法竖式的演变

除法是四则运算中难度最大的一种,历史上出现过许多现在看起来极其烦琐的计算方法。

1.用乘做除

古代埃及的算术最基本的是加法,而乘法就是加法的重复,也就是通过逐次加倍的程序来完成。而在除法运算中,加倍程序被倒过来执行,即除数取代被除数的地位而被拿来逐次加倍。这是因为古埃及人认识到除法是乘法的逆运算,并蕴含在具体的计算之中。(杜石然,2009)比如,在兰德纸草书第69页,计算1120÷80的过程如下:

以上求解的基本思路是将除数80通过加倍凑出被除数1120。第一次将80加倍得到160;第二次将160加倍得到80的4倍即320,恰好80的10倍加80的4倍是1120,所以1120÷80的得数是14。

2.用减做除

古埃及人除法计算的思路说明了除法的本源是减法,这一观点可以在古代的印度、阿拉伯同样得到验证。古印度数学家婆什迦罗Ⅰ认为,乘法和除法可以相应地转化为加法和减法。古代阿拉伯数学家花拉子米定义乘法为重复相加,除法为重复相减。历史上众多算法中可以发现,在18世纪前后的欧洲还沿袭“用减做除”的算法。比如:以“1554÷37”为例,具体计算过程如下图8。

值得一提的是古巴比伦人在做整数除以整数时,采用了乘以倒数的方法,并且还造出了倒数表。可惜,找了很多资料,都没有看到古巴比伦人的倒数表。

3.乘减做除

与现在除法竖式比较接近的一种,是出现于公元980年的Gerbert方法,计算900÷8的过程如下(见图9)。

Gerbert方法与现在标准除法竖式不同的是将除数8写为“10-2”,将商写在被除数右侧,而且并不是取最大数作为试商,而是取便于计算的数。

上述过程的第一步选择商为90,是为了与10相乘得到900;第二步商18是为了与10相乘凑出180,以下依次类推。这种除法的最大缺点是求商过程极其烦琐,一道除法算式相当于计算现在的整十数除法加一位数除法。

Gerbert方法经过演变,还出现过如图10所示逐级写商的除法竖式。

这个过程的特点是将标准算法中隐藏的位值原理显现出来了,表面看书写比较烦琐,但过程更加自然、直观。

后来人们想出更好的办法是首先罗列除数的1至9倍数,而后从被除数的高位开始逐步减去最接近被除数的倍数(相当于现在的试商),过程中在被除数右侧逐步记录减去的倍数,减完后这个记录的倍数就是最后的结果。比如:22028148÷423的具体计算过程如下图11。

图11“22028148÷423”的计算过程是首先在最左边纵向罗列出除数423的1至9倍,而后从被除数高位看,发现除数423的5倍2115最接近被除数的前四位2202,这将2115写在2202下做减法,同时将“5”记录在右侧;减得的结果是878,在左侧除数的倍数中发现除数423的2倍846最接近878,所以重复前面的过程,将846写在878下面做减法,将2记录在右侧5的旁边,依次类推。这个过程直到减法结果为0,说明被除数22028148中包含了52076个除数423,也就是这个除法的结果是52076。

这种除法竖式的计算方法经过演变,将罗列除数的倍数这个过程省略,就成为如图12所示的除法竖式。

我们只要将这种除法竖式的商写到被除数的上方,就是现在数学教材中的除法竖式了。

当然,历史上除法竖式出现用冒号“:”代替现在用的竖式除号,17世纪德国数学家莱布尼兹在他的一篇论文《组合的艺术》中首次以冒号“:”表示除,后亦渐通用,至今仍采用。(见图13)

上图就是德国现在使用的小学数学教科书中“744÷3”的计算过程。整个计算过程实际上是除法横式与竖式的“合二为一”,省略了除法竖式的除数、商和除号。

三、除法符号的历史演变对教学的启示

纵观千余年的历史,除法符号经历了若干次演变,才成为今天的形式。除法符号的历史演变对我们教学主要有两点启示。

第一,竖式是笔算的工具,属于人们发明的知识,其作用是减轻计算过程中的思维负担。除法竖式实际上来源于减法,其本质是从被除数中逐次减去除数的倍数,最后将减去的次数统计出来就是除法的结果。因此在除法竖式的教学中首先应当建立除法与减法的联系,而后从减法竖式引出除法竖式的学习。

第二,除法竖式的表现形式为程序性的运算,如果不理解其实质,仅靠死记硬背和机械运算,就容易出现差错。因此,除法竖式的教学,要让学生经历从实物操作到数学计算的过程,弄清“要分层书写”“除到哪一位商到哪一位”和“不够除补零”等形式中隐含的算理,并在此基础上领悟学习除法竖式的便捷性。

主要参考文献

[1] 顾汝佐,叶季明,王明欢. 小学数学全书[M].上海:上海教育出版社,1995.

[2] 杜石然,孔国平. 世界数学史(自然科学史丛书)[M],长春:吉林教育出版社,2009.

[3][清]御制数理精蕴:下编卷一 [M]//钦定四库全书子部.

[4]曾小平,韩龙淑. 除法竖式的发展与教学[J]. 小学教学(数学版),2011,(11):46-48.

[5]郜舒竹. 用“联系”的眼光看竖式[J]. 教学月刊小学版(数学),2014,(03):4-6+29.

[6]郜舒竹. 笔算方法多样性的历史考察[J]. 课程·教材·教法,2016,36(01):88-94.

开开心心笑一笑

儿子拿回成绩单。

老爸说:数学0分,语文1分。

儿子点点头,颤抖中...

空气凝结,气氛无比恐怖,感觉大事不妙...

老爸深吸一口烟,

说道:儿子 啊,你有点偏文科呀!

儿子说:老爸,我下次数学多考1分,就不偏科呀!

审核人:朱煜铭 陈春妮返回搜狐,查看更多



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