怎样解决有限的时间和无限的题之间的矛盾?

教育   2024-09-21 08:02   中国  

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题是无限的,但时间是有限的。怎样解决有限的时间和无限的题之间的矛盾,是每个学生和老师都面临的问题。
在我看来,最好的办法就是把每一道题都吃透,最大程度发挥求解每一题(特别是求解过程)的功效。
虽然我知道大家不爱看题而更爱看不用动脑子的文字,但正如我在《这,才是数学思维!》一文所说,知识点是载体,思维方法是根本。离开具体数学问题去谈数学思维,犹如无源之水、无米之炊;反之,脱离底层数学思维讲授具体数学问题,则难以做到举一反三,融会贯通。

下面我给大家剖析自己跟孩子们一起探讨的一道并不复杂的题,并结合题目的探索过程来谈这个问题。题目是这样的:

小明在家的一面墙上贴奖状,一共有32张,给一张奖状涂满胶水需要2分钟,涂完胶水后要过2分钟才能往墙上贴,贴的过程需要1分钟,但是如果等待超过6分钟的话胶水就会干掉不能再贴,问:小明最快用多长时间能贴完所有的奖状?

这道题并不难,但孩子们的探讨过程真真实实还原了思维过程。

先抛开是不是最快不管,最笨的办法我们一定有,那就是一张完全贴完后再贴下一张,这样每一张耗时5分钟,总共需要32×5=160分钟。

这就是解决很多新问题的第一步:从最笨的办法开始。但遗憾的是,很多老师的教学都跳过最笨的办法,而直接讲捷径,这有违人类解决问题的思维过程,也剥夺了孩子探索和思考的机会。

显然,孩子们都知道160分钟的做法肯定不是最快,因为在涂完胶水和贴之间需要等待两分钟,这两分钟显然可以干点别的事。

这其实是解决问题的第二步:观察和发现。许多问题的解决都需要一些关键的线索,这些线索需要自己去观察和发现。在这个问题里,就是发现笨办法中可以优化的地方,也是这类优化问题的一个关键,即有些工作是可以并行执行的!

到了这一步,很快有同学想出了下面的方案:在第1张奖状涂完后的两分钟继续涂下一张奖状,等涂完第2张后,正好可以贴第1张,但贴完后依然不能直接贴第2张(因为才等了1分钟),这时可以继续涂第3张,等第3张涂完后开始贴第2张,后面涂第4张,贴第3张,涂第5张,贴第4张......如此循环往复,如下图所示。

这样基本上就没有时间浪费了。这个方案最终需要耗时多少分钟呢?

这时候就出现了分歧,回答96、97和98分钟的都有。

为了给出正确答案,我们需要关注一下边界情况,这里就是最后两张奖状的情况。

这一点要特别注意:在抽象思维不足的情况下,用具象思考来弥补,切忌偷懒。

我们不妨老老实实把最后的情况画出来,就一目了然了。第31张涂完后涂第32张,然后贴第31张,但贴完后并不能直接贴第32张,还得再等1分钟才能贴第32张。

最终的时间是多少?有同学依然试图一个个去数,或者去找规律,那得出正确答案的时间就会长。如果换个角度,抛开具体的涂贴方案,每张奖状需要付出3分钟,另外最后还要再多花1分钟,那就是32×3+1=97分钟。

这实际上是跳出细节的一种整体思考方法。换个角度思考问题,是解决问题过程中常用的一种策略,常常会在山重水复疑无路时,突现柳暗花明又一村。

到这里,大部分同学已经意识到理论上最快的时间应该是96分钟,也就是每张奖状花费3分钟,不多等1分钟。

有不少同学到这儿就认为题目已经解完,这便属于逻辑思维层面的不严谨。

要说明96分钟是最快的?我们得回答两方面的问题:

(1)96分钟确实是能完成任务的。

(2)为什么比96分钟更少是不行的。

上面基于整体性的思考回答了第二个问题,但我们依然需要回答96分钟是不是可以做到这个问题。

如果一定要把32张奖状的贴法全部画出来,那显然比较费劲,这里我们可以思考一下是否可以采用周期的做法,即只列出一部分奖状的贴法,后面的重复操作就行。

比如,如果能在6分钟内完成2张奖状的涂贴工作,那剩下的照搬就行。大家试了一下,发现6分钟怎么也完不成2张奖状的涂贴工作。但没一会儿,有同学提出9分钟可以完成3张奖状的涂贴工作,因此每张奖状只需要3分钟,最终需要96分钟即可。

但是,很快有同学指出了其中的问题:虽然9分钟确实能完成3张奖状的涂贴工作,但32张奖状按照3张一组去分,不能正好分完!最后还剩下2张奖状,没有办法在6分钟内完成。因此,这种方案是行不通的。

这事实上是求解很多问题的重要一步:大胆做出错误的尝试。

虽然上面的方案行不通,但却指明了正确的方案构造方向。为了使用基于周期的方法,每一组的奖状数量必须是32的因数,也就是只能是1,2,4,8,16,32。考虑到3分钟无法涂完1张,6分钟也无法涂完2张,因此,至少我们得考虑4张一组。3张,5张,6张,7张一组这种,我们是不用考虑的。

这是求解很多问题的关键一步:从错误中得到启示,并做出相应的调整。

这样的方案并不难找,很快有同学给出了如下图所示的方法。按照这样的方法,把32张奖状分为4张一组,每一组12分钟涂完,总共确实只需要花96分钟。

至此,这道题目算是探讨完了。有家长可能会担心,这么做的话考试时间来不及啊。这一点完全不用忧虑,平时做题一定是求透彻不求短平快,把每道题都搞透,慢慢地,速度只是水到渠成的副产品。


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(全文完)
作者:昍爸,中国科学院计算机博士,大学教授,博士生导师。主持国家自然科学基金4项,在国内外高水平期刊和会议发表论文60余篇。曾获初中和高中全国数学奥林匹克联赛一等奖,江苏赛区第一名,高考数学满分。著有畅销书《写给孩子的数学之美》、《搞定平面几何:辅助线是怎么想出来的》、《给孩子的数学思维课》与《给孩子的数学解题思维课》
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昍爸说数学与计算思维
昍爸,中科院计算机博士,曾获初、高中全国数学联赛一等奖,江苏赛区第一名,高考数学满分。现为大学教授,博士生导师,中国计算机学会科普工作委员会委员,所著《给孩子的数学思维课》获科技部2020年全国优秀科普作品奖。
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