數(shù)學(xué)歸納法在中學(xué)數(shù)學(xué)中居獨特地位,它在教學(xué)中的困難主要表現(xiàn)在兩個方面:一是學(xué)生對歸納法本身“可靠性”的懷疑,二是運用歸納法證題時易出現(xiàn)“假證明”。
一、數(shù)學(xué)歸納法的結(jié)構(gòu)——演義與歸納的辯證統(tǒng)一
如果把特征的命題簡記為,則數(shù)學(xué)歸納法證題的一般步驟是:(1)證明:真;(2)證明:S(k)真?圯S(k+1)真;(3)結(jié)論:真。
圖示為:S(k)真?圯S(k+1)真
S(1)真?圯S(n)真
縱觀全過程,這是一個“個別—特殊—一般”的推理形式,完全合乎歸納推理程序。從這一層面來講,它是歸納的。
但是,這個“從S(1)真到S(n)真”并不能靠歸納本身完成,否則就會成為“不完全歸納法”。它將經(jīng)由這樣的程序:假設(shè)S(k)真(S(1)真為這個假設(shè)奠定了基礎(chǔ)),然后經(jīng)過合乎邏輯規(guī)則的推理,最后得出S(k+1)真,這正是一個確定的結(jié)論的演繹的證明。從這一層面來講,它又是演繹的。
所以,把這種證題方法叫做數(shù)學(xué)歸納法,較能體現(xiàn)歸納中有演繹、演繹中有歸納、歸納與演繹辯證統(tǒng)一的關(guān)系。而其中起關(guān)鍵作用的是演繹——正是靠了演繹,結(jié)論的正確性得到以從自然走向必然。我們認為,數(shù)學(xué)歸納法的本質(zhì)是歸納—演繹的,而演繹是其靈魂。數(shù)學(xué)歸納法是由遞推基礎(chǔ)“S(1)真”和遞推根據(jù)“S(k)真?圯S(k+1)真”協(xié)同作用實現(xiàn)其證明的美妙而獨特的數(shù)學(xué)方法。
二、教學(xué)中應(yīng)注意的幾個問題
1.注重不完全歸納法的地位。
數(shù)學(xué)歸納法有著不同的側(cè)面。作為純粹證題方法的“數(shù)學(xué)歸納法”與作為教學(xué)對象的“數(shù)學(xué)歸納法”,二者并非一回事。一般教法比較失策的一點是:為了引入數(shù)學(xué)歸納法,不惜犧牲不完全歸納法,只強調(diào)不完全歸納法“不可靠”的一面,而忽略它在作出“新發(fā)現(xiàn)”中起作用的一面。在教學(xué)中我們從不完全歸納法開始,利用“問題—發(fā)現(xiàn)”式教學(xué),其程序大致是:
(1)問題:S(n)=1+3+5+…+(2n-1)=?
?。?)列表:1=1
1+3=4
1+3+5=9
1+3+5+7=16
如果必要尚可多列出一些(或配合以圖形)。
(4)證明:用數(shù)學(xué)歸納法,示范講解,提出數(shù)學(xué)歸納法及其解題步驟。
?。?)講練:初步入門就迅速轉(zhuǎn)入練習(xí)(包括講解例題),使學(xué)生在教師指導(dǎo)下,通過講練達到能懂、會用,明白道理。
2.遞推關(guān)系是數(shù)學(xué)歸納法的靈魂。
在數(shù)學(xué)歸納法教學(xué)與解題過程中,中心而困難的一個環(huán)節(jié)是:“證明:S(k)真?圯S(k+1)真?!?br/> 問題表現(xiàn)在:
?。?)不懂得對于每個具體的題目,如何將S(k)、S(k+1)真具體化。這在學(xué)習(xí)初期表現(xiàn)突出。對此,要耐心地進行“解疑”和“啟蒙教育”。
?。?)不懂得經(jīng)由怎樣的中間步驟實現(xiàn)“S(k)真?圯S(k+1)真”。解決這個問題沒有一成不變的辦法,原則是創(chuàng)造條件,利用歸納假設(shè),針對具體題目(即一湊假設(shè),二湊目的)。有時需要充分利用幾何直觀和試算猜想,其思維特點是直覺的或者歸納的;有時則需要從結(jié)論出發(fā)進行逆推。而分析法用于數(shù)學(xué)歸納法證題,亦有講究。3.防止思維混亂,避免“假證明”。
數(shù)學(xué)歸納法證題訓(xùn)練中,學(xué)生往往不知不覺地認為:(1)假設(shè)S(k)真,不也是假設(shè)了S(k+1)真嗎?S(k)與S(k+1)只是S(n)中n取k與k+1,它們沒有區(qū)別,所以關(guān)于“S(k)真?圯S(k+1)真”的證明是走形式。(2)假設(shè)S(k)真不就是假設(shè)S(n)真嗎?k與n都代表自然數(shù),只是符號有別,命題S(k)就是命題S(n),假設(shè)它真還證什么?如上述種種錯誤理解,極易引起學(xué)生的思維混亂,甚至導(dǎo)致數(shù)學(xué)歸納法“可靠性”的懷疑。而另有一些同學(xué)則喜不自勝,以為數(shù)學(xué)歸納法全是走過場,作業(yè)中便會自覺或不自覺地出現(xiàn)一些“假證明”。為此,在教學(xué)開始時應(yīng)講清楚數(shù)學(xué)歸納法的原理,在證題訓(xùn)練中讓學(xué)生完全理解并規(guī)范約束學(xué)生的證題思路,使他們由不自覺到自覺,真正領(lǐng)會數(shù)學(xué)歸納法,會用數(shù)學(xué)歸納法。
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