生活中的代数学-温度换算(续)

​@黄敏​ (2020年3月30日)

听小鹅说,上午在做一道关于烤箱温度的题目,她把自个关在屋里折腾了半天,出来的时候颇有成就感,说算出来了,是160。爸爸听了反复追问她:“160度是什么单位?摄氏度还是华氏度?”她挺肯定地说:“160华氏度。" 我喊她先来跳操,再帮我一起做饭。

备菜的时候,我随口问她,知道摄氏度和华氏度换算的公式吗?她说知道,前两天推导过,然后报出来给我听,华氏度=摄氏度×9/5+32. 我其实没怎么用过这个换算公式,只知道9/5的比例关系,至于是+32,还是减32,记得并不确切。不过我从英语书上知道人发烧的时候,大概是100华氏度以上。就用35摄氏度来近似算一下,35×9/5+32=95,差不离,这就对了。所以,公式可能会背错,但记住几个和生活相关的典型数值,不但能帮助我们找回公式,还让公式变得有血有肉,而不是冷冰冰的数字。

依我看,小鹅爸的问题,设个未知数,代入公式,解方程不就完了?可是小鹅显然还不够清晰代数式、函数的意义,以及通过列方程求未知数的解题思路。于是我举了个生活中简单的例子:”我如果再吃一个烧饼,就是爸爸的两倍,你说我们各吃了几个烧饼呢?“

“可能你们各吃了一个,也可能你吃了3个,爸爸吃了两个。”

对于具体数量之间的关系,小鹅反应得很快,可以一直列举下去:“这一组都可以,只要你比爸爸吃的烧饼的两倍少一个就行。”

“那如果知道爸爸吃了几个,你能用一个公式来算出来妈妈吃了几个吗?”

“可以啊,y=2x-1。你是y,爸爸是x。”

我看小鹅讲得很清楚,忍不住又给她总结一句:“所以代数式或者公式是表示变化关系的。”

(如果我随口举的例子是y=3x-1,我也许就可以类比前面的问题,我吃的烧饼是爸爸的两倍,请问我跟各吃了几个?当然,这个数字太简单,她试一试也就出来了,可能还是没法导向设未知数去列方程求解。)

于是我们回到摄氏度和华氏度换算的公式:华氏度=摄氏度×9/5+32,现在知道华氏度是摄氏度的两倍,就是2x = 9/5x+32, 小鹅想把等式两边都除以2,可是没法求解,她一边摘豆角,一边想象这个等式,试了一下就说:”想象不出来,得写在纸上看。“

于是我们约好吃完饭后,再和小鹅继续讨论。(非常感谢小鹅爸的大度和信任,把这个学习的机会让给了我。)

午饭后,我靠着床头,正准备懒懒地看会书呢,小鹅洗完碗主动来找我,我就过去看了看她之前的解答(图中解答①) 。

她一开始列下的比例式我就没看懂:

10×x + 18×x = 1:2,这是比例式吗?我问她x是什么?她说不是什么温度,就是一个倍数。

我再次问她华氏度和摄氏度是什么关系?她说9:5。我问:是刚好9:5吗?她说不是,还有个32,但二者比值就是9:5。我晕,看来“带常数项” 的比例关系会造成认知冲突(基线不同),就先按下不表。

【解法①】

不过下面的列表我倒是看明白了。她列举了一组摄氏度对应的华氏度,从摄氏20度开始,每增加10度,对应的华氏度=1.8×摄氏度+32。套公式求具体数值没问题了,她要找两个温度值之间的关系,就去算了二者的差,因为题目中华氏温度是摄氏温度的两倍,她又算了一个所谓“两倍差”——华氏温度减去摄氏温度的两倍,这个名称用得是否恰当,且不说。

接下来她发现摄氏温度每升高10度,“两倍差”的数值就减小2。什么时候两倍差达到0,华氏温度自然就是摄氏温度的两倍了。于是她写了右边的式子:50+22÷2×10 =160,就算出了160这个结果。

我很惊叹于她踏踏实实去探究两个温度变化的规律。说实话,当她把对应的这些温度值列下来,我对华氏温度的理解,就不只是一个抽象的换算公式了。具体数字是看得见摸得着的,孩子在进入代数之前,需要不断去借助具体的数来感知数量关系。

只是我不明白她想得这么复杂了,怎么还把结果160硬塞到华氏度名下。我问她算的是哪一列结果,她看着×10,终于反应过来,是第一列摄氏温度的结果。再次说明概念还没清晰建立之前,容易想当然,她需要回到具体数值才能有所感知和判断。

反应过来后,她很快又根据第二栏的数字,算了对应的华氏温度,果然是320,160的两倍。

【解法②】

我们再回过头来看她在列表的上方写下的比例式,这回我看明白了,就问她:你写的是不是10× x :18× x = 1:2?她把比号写成了+,还浑然不觉。

于是我们再看这个比例式成立吗?她想表达的是摄氏温度乘以10,华氏温度对应乘以18(比值1.8),什么时候二者是1:2? 可是这个比例式的左边是10x:18x = 10:18(我写成分数给她看), 明显比1/2大呀!问题出在哪里呢?

 我们回头看左边这两列数据,觉得挺有意思:摄氏温度和华氏温度并不是1:1.8的关系,一开始接近1:3,随着温度升高,比值接近1:2,最后才趋于1:1.8, 这正是由于基线不同,除开一次项系数1.8,还附加了常数项的影响。(常数项、一次项这些概念我没跟她讲。)

在我的提醒下,小鹅终于想到了基线不同,把基线值加上后,写了解法②。

【解法③】

最后她想起备菜的时候,我们曾聊过代数式/公式就是一个关系式: 把摄氏温度设为x,对应的华氏温度就是2x,代入到单位换算公式里,通过解方程,求出摄氏温度是160度。

三种方法,看起来解方程最便捷,但是往往用公式化的计算遮盖了背后的数量变化规律。而现实生活中,函数关系式,要么是人为给定的,要么是通过数据分析近似总结的。既然小鹅对抽象的公式还有些犯迷糊,我们就不妨时常回到数据分析、找规律上。

经由这个过程,我们对函数、对方程的理解是不是也会更深刻一些?

【后记】

到了晚饭的时候,爸爸开玩笑说,明天要再给小鹅一道题——烤另外一种点心,所需温度,用华氏度表示,是摄氏度的3倍,请问烤箱温度要设成几度?

小鹅刚听了个开头,知道爸爸又要出题,”闻弦歌而知雅意“,就开始和爸爸插科打诨,把话题扯到了谁要做点心给谁吃。我接过话头,夸张地哀叹说:”华氏度是摄氏度的3倍!这点心会不会烤糊了?“

小鹅见我质疑题目编得不合理,来了点兴趣,安静下来想。我回想起她画的表格,以及中午的讨论,又觉得不对:”哎呀,会不会烤不熟?“

她瞥眼看我,酷酷地说:“装傻是不是老师的必备技能?”

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