金正靜
【摘要】數(shù)學(xué)是人們認(rèn)識(shí)和改造世界的有力工具,數(shù)學(xué)中最主要的成分始終是思想方法,甚至可以說(shuō)數(shù)學(xué)本身就是一種方法.數(shù)學(xué)中的邏輯推理是受到一系列數(shù)學(xué)思想方法的控制和引導(dǎo)的,學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)從根本上講就是獲得數(shù)學(xué)的思想和方法.實(shí)行數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué),既是中國(guó)數(shù)學(xué)教育的特色之一,也是廣大數(shù)學(xué)教師需要達(dá)到的一個(gè)高端教學(xué)目標(biāo).
【關(guān)鍵詞】數(shù)學(xué)思想方法;數(shù)形結(jié)合;中職數(shù)學(xué);數(shù)學(xué)教學(xué)
對(duì)于數(shù)學(xué)思想方法,大家耳熟能詳,相關(guān)出版物數(shù)不勝數(shù).然而對(duì)于廣大數(shù)學(xué)教師,如何挖掘教材中的數(shù)學(xué)思想方法,如何有效開(kāi)展數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué)呢?這類(lèi)文章雖有,但多數(shù)只限于操作、領(lǐng)悟、滲透之類(lèi),較為空泛,而涉及中職數(shù)學(xué)的數(shù)學(xué)思想方法教學(xué)的相關(guān)研究,更是寥寥無(wú)幾.
張奠宙先生認(rèn)為實(shí)行數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué),是中國(guó)數(shù)學(xué)教育的特色之一,值得傳承和發(fā)揚(yáng).他對(duì)數(shù)學(xué)思想方法做過(guò)深入研究并有許多精彩論述.基于張奠宙先生關(guān)于分階段培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)思想方法的一些思考,本文以上海中職數(shù)學(xué)教學(xué)為例,對(duì)中職生數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的階段性培養(yǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)析.
1 數(shù)學(xué)思想方法的界定
數(shù)學(xué)思想和數(shù)學(xué)方法既相互聯(lián)系又有區(qū)別.數(shù)學(xué)方法是人們從事數(shù)學(xué)活動(dòng)時(shí)使用的方法.數(shù)學(xué)思想還沒(méi)有成為一個(gè)專(zhuān)有名詞,其泛指某些有重大意義的、內(nèi)容比較豐富、體系相當(dāng)完整的數(shù)學(xué)思想,比如數(shù)理邏輯思想、函數(shù)映射思想、方程思想、概率統(tǒng)計(jì)思想等.對(duì)于上述思想,表述為方法也可以,比如,用“映射”去將復(fù)數(shù)問(wèn)題和向量問(wèn)題對(duì)應(yīng)時(shí),人們就說(shuō)“映射方法”.而當(dāng)討論“映射”的價(jià)值,適當(dāng)?shù)挠成涞倪x擇,使得問(wèn)題的內(nèi)涵在另一領(lǐng)域中變得更容易解決,實(shí)現(xiàn)了化難為易時(shí),人們就謂之“映射思想”了.思想重在指導(dǎo),方法指向操作,數(shù)學(xué)思想比數(shù)學(xué)方法在抽象程度上處于更高的層次.為了將兩種意思整合在一起,于是就有了“數(shù)學(xué)思想方法”的提法.
2 數(shù)學(xué)思想方法在數(shù)學(xué)教學(xué)中的地位
數(shù)學(xué)教育家傅種孫先生曾言:“幾何之務(wù)不在知其然,而在知其所以然;不在知其然,而在知何由以知其所以然.”這為數(shù)學(xué)解題教學(xué)標(biāo)明了三個(gè)遞進(jìn)的境界:一是知其然,二是知其所以然,三是知何由以知其所以然.數(shù)學(xué)解題教學(xué),不能滿(mǎn)足于一,應(yīng)該立足于二而求三.當(dāng)前,教師應(yīng)在“何由以知其所以然”上下功夫,這樣才有可能在“如何使學(xué)生想得到”上有所突破,示以學(xué)生思維之道,餞行數(shù)學(xué)核心素養(yǎng).
華羅庚先生認(rèn)為,學(xué)習(xí)要經(jīng)過(guò)“由薄到厚”“由厚到薄”的過(guò)程.以此來(lái)審視數(shù)學(xué)教育,就是要先打好基礎(chǔ),經(jīng)由知識(shí)點(diǎn)鏈(基本知識(shí)的學(xué)習(xí))和變式教學(xué)(學(xué)生解題的強(qiáng)化),把教材讀“厚”;再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)思想方法的提煉,最終實(shí)現(xiàn)把教材“由厚讀薄”的過(guò)程.
張奠宙先生認(rèn)為,基于數(shù)學(xué)教學(xué)的自身規(guī)律,教師需要把握三個(gè)層次:學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的掌握,對(duì)學(xué)生問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)和學(xué)生數(shù)學(xué)思想方法的掌握.因此,數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué)是廣大數(shù)學(xué)教師需要努力達(dá)到的一個(gè)高端目標(biāo).換而言之,學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)時(shí),若能達(dá)到掌握數(shù)學(xué)思想方法的層次,就達(dá)到了數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)的高層次.
人民教育出版社中學(xué)數(shù)學(xué)室主任章建躍教授也指出,完整的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)在“明線(xiàn)”和“暗線(xiàn)”的有機(jī)融合中,明線(xiàn)是顯性的知識(shí)體系線(xiàn),暗線(xiàn)是隱性的思想方法線(xiàn),注重“明線(xiàn)”與“暗線(xiàn)”的融合,是實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)內(nèi)容與數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)融合的關(guān)鍵舉措.章教授在《數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和智慧發(fā)展》中特別指出教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展的三大基石是理解數(shù)學(xué),理解學(xué)生,理解教學(xué),尤其指出教師對(duì)“內(nèi)容所反映的數(shù)學(xué)思想方法”的理解水平?jīng)Q定了其數(shù)學(xué)教學(xué)所能達(dá)到的水平和效果.
3 數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法培養(yǎng)的階段性簡(jiǎn)析
古代數(shù)學(xué)家劉徽在《九章算術(shù)注》中主張“析理以辭,解體用圖”,近代數(shù)學(xué)家華羅庚先生曾說(shuō)過(guò)“數(shù)無(wú)形,少直觀;形無(wú)數(shù),難入微;數(shù)形結(jié)合百般好,隔離分家萬(wàn)事休”.
數(shù)和形是研究數(shù)學(xué)的兩個(gè)側(cè)面,數(shù)是數(shù)量關(guān)系的體現(xiàn),形是空間形式的體現(xiàn).將這兩個(gè)側(cè)面統(tǒng)一起來(lái),數(shù)形結(jié)合的實(shí)質(zhì)就是把抽象的數(shù)學(xué)語(yǔ)言與直觀的圖形語(yǔ)言有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)抽象思維和形象思維的和諧統(tǒng)一,更好地把握問(wèn)題的本質(zhì),將所要解決的問(wèn)題化難為易.
數(shù)軸和坐標(biāo)系的建立,使數(shù)和形在宏觀上可以有機(jī)結(jié)合,數(shù)形結(jié)合是中職數(shù)學(xué)中最重要、最基本的數(shù)學(xué)思想方法.在中職數(shù)學(xué)中,學(xué)生能體會(huì)到數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的章節(jié)是集合、不等式、函數(shù)、直線(xiàn)和圓、向量、復(fù)數(shù)等,其中函數(shù)既是中職數(shù)學(xué)的重要內(nèi)容之一,又是集中體現(xiàn)數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的章節(jié).在這幾章的教學(xué)中,教師應(yīng)當(dāng)依據(jù)課程內(nèi)容合理布點(diǎn),有針對(duì)性地進(jìn)行數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的滲透,使學(xué)生養(yǎng)成數(shù)形結(jié)合的意識(shí).然而在實(shí)際教學(xué)中,數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué)差強(qiáng)人意,主要表現(xiàn)在數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué)沒(méi)有前后一致、貫穿始終的主線(xiàn),沒(méi)有必要的根基.教師在數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法教學(xué)上著墨不夠,通常只是走過(guò)場(chǎng),在教學(xué)過(guò)程中不能螺旋上升,數(shù)學(xué)思想方法教學(xué)的計(jì)劃性、系統(tǒng)性、層次性、過(guò)程性顯得不足.
數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué)以數(shù)學(xué)內(nèi)容為載體,隨著數(shù)學(xué)內(nèi)容的變化處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中,教師必須明確數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法教學(xué)所處的階段及該階段的教學(xué)層次與教學(xué)要求.學(xué)生只有經(jīng)歷感知、理解、應(yīng)用、提升的過(guò)程,才能形成功能強(qiáng)大的數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法認(rèn)知結(jié)構(gòu),切實(shí)發(fā)展數(shù)學(xué)能力,提高數(shù)學(xué)素養(yǎng).基于張奠宙先生分階段培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)思想方法的相關(guān)研究,我們以集合、不等式、函數(shù)的數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法教學(xué)為例,根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,把中職生數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的形成過(guò)程分為以下四個(gè)階段.
3.1 隱性的操作感受階段
該階段屬于“順向思維”階段.這一階段,學(xué)生剛學(xué)習(xí)了一些數(shù)學(xué)概念、定理等基礎(chǔ)知識(shí),掌握了一些基本技能,盡管這些基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的后面蘊(yùn)藏著數(shù)學(xué)思想方法,但是學(xué)生的注意力往往聚焦在基礎(chǔ)知識(shí)的顯性一面.教師在這個(gè)階段的主要教學(xué)策略是“讓學(xué)生探索、構(gòu)建與掌握知識(shí)和技能”,至于背后的數(shù)學(xué)思想方法應(yīng)屬于“無(wú)聲語(yǔ)言”,由學(xué)生自己在探索、構(gòu)建與掌握知識(shí)中感悟.
在學(xué)習(xí)第一章“集合”時(shí),我們常常借助韋恩圖、數(shù)軸圖來(lái)處理集合的一些運(yùn)算問(wèn)題,以形助數(shù),化抽象為具體,簡(jiǎn)化所要解決的問(wèn)題.
例1 U={xx<10,x∈N*},AU,BU,且(瘙綂UA)∩B={6,9},A∩B={3},(瘙綂UA)∩(瘙綂UB)={1,7,8},求集合A,B.
解 利用韋恩圖,如圖1,把元素放入下圖中的相應(yīng)位置,從而得到A={2,3,4,5},B={3,6,9}.
圖1
例2 已知集合A=(1,2),B=(-∞,3],求瘙綂RA∩B.
解瘙綂R(A)=(-∞,1]∪[2,+∞),利用數(shù)軸圖,如圖2,很直觀地可以得到(瘙綂RA)∩B=(-∞,1]∪[2,3].
圖示法是集合的一種重要表示方法,在例1的求解過(guò)程中,我們借助韋恩圖很好地詮釋了集合A,B中的元素,問(wèn)題變得簡(jiǎn)單明了.在例2的求解過(guò)程中,我們以數(shù)軸的“形”來(lái)融合“數(shù)”,這樣有助于啟迪思路,理順解題線(xiàn)索.這樣的例子還有很多,在此不一一列舉.
圖示法直觀表示背后蘊(yùn)藏著的數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法,屬于“隱性的操作感受階段”,它的主要目的是借用形象的幾何直觀,幫助學(xué)生理解數(shù)量關(guān)系.教之道在于度,學(xué)之道在于悟.在數(shù)集的教學(xué)中,教師不需要拋出“數(shù)形結(jié)合”這個(gè)詞,只需讓學(xué)生自主建構(gòu).在一次次利用圖示法解決數(shù)集問(wèn)題后,學(xué)生就能初步體會(huì)數(shù)形結(jié)合的基本指導(dǎo)思想,即用“形”的直觀來(lái)化解“數(shù)”的抽象,尋求解題思路,化難為易,從而達(dá)到出奇制勝的目的.
3.2 正面的認(rèn)識(shí)和理解階段
數(shù)學(xué)教材里不正面闡述數(shù)學(xué)思想方法.在學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)“隱性的操作感受階段”后,限于學(xué)生自身的知識(shí)儲(chǔ)備和能力范圍,若教師不對(duì)其進(jìn)行必要的點(diǎn)撥,則他們很可能無(wú)法正面認(rèn)識(shí)知識(shí)背后的一些數(shù)學(xué)思想方法.這就需要教師直擊要害,反映本質(zhì),直接點(diǎn)明背后蘊(yùn)藏著的一些數(shù)學(xué)思想方法,并對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的強(qiáng)化訓(xùn)練,這個(gè)階段稱(chēng)為“正面的認(rèn)識(shí)和理解階段”.這個(gè)階段的特點(diǎn)是具有明顯的導(dǎo)向性,是將內(nèi)隱的數(shù)學(xué)思想方法外顯傳輸?shù)碾A段,是學(xué)生有意識(shí)地學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)思想方法的重要提升階段.
在這個(gè)階段,教師需要恰時(shí)恰點(diǎn)地揭示數(shù)學(xué)思想方法,使學(xué)生形成認(rèn)知.許多數(shù)學(xué)內(nèi)容,書(shū)本上是按形式化的方法安排的,而教師在實(shí)際教學(xué)時(shí)要以揭示數(shù)學(xué)思想方法為主線(xiàn)設(shè)計(jì),下面舉例來(lái)闡述.
例3 已知集合A={(x,y)y=x+1},集合B={(x,y)y=-x+3},求A∩B,說(shuō)明它的幾何意義,并在直角坐標(biāo)系中表示出來(lái).
解 A∩B=(x,y)y=x+1,y=-x+3=(x,y)x=1,y=2={(1,2)}.如圖3,集合A表示一次函數(shù)y=x+1的圖像, 圖3即直線(xiàn)l1上的點(diǎn)的集合;集合B表示一次函數(shù)y=-x+3的圖像,即直線(xiàn)l2上的點(diǎn)的集合.A∩B表示直線(xiàn)l1和直線(xiàn)l2的交點(diǎn),其坐標(biāo)(1,2)為二元一次方程組的解.
函數(shù)是中職數(shù)學(xué)課程里的核心概念之一,借助圖像分析函數(shù)的性質(zhì)是學(xué)習(xí)函數(shù)的基本思想方法,是數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法的集中體現(xiàn).例3表明方程思想和函數(shù)思想密切相關(guān):方程y-f(x)=0的全體解就是函數(shù)y=f(x)的圖像上所有點(diǎn)的坐標(biāo)(反之亦然).
例4? 解不等式-x2+2x-2>0.
解 原不等式兩邊同乘-1,得x2-2x+2<0.一元二次不等式x2-2x+2<0所對(duì)應(yīng)的一元二次方程x2-2x+2=0的判別式Δ<0,所對(duì)應(yīng)的一元二次函數(shù)y=x2-2x+2的二次項(xiàng)系數(shù)為正,拋物線(xiàn)開(kāi)口向上,函數(shù)圖像位于x軸上方.如圖4,由圖像得,不等式x2-2x+2<0的解集為空集,即原不等式-x2+2x-2>0的解集為空集.
例4表明函數(shù)與不等式可以相互轉(zhuǎn)化:對(duì)函數(shù)y=f(x),當(dāng)y>0時(shí),就轉(zhuǎn)化為不等式f(x)>0,借助函數(shù)的圖像可解決不等式問(wèn)題.
在上述兩例的講授過(guò)程中,教師有必要正面揭示其背后所隱藏的在直角坐標(biāo)系下“以數(shù)論形”的數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法:利用坐標(biāo)系建立了二元有序?qū)崝?shù)組與平面點(diǎn)集之間的一一對(duì)應(yīng),把代數(shù)問(wèn)題整體性地映射成幾何問(wèn)題(反之亦然).這種數(shù)學(xué)思想方法在后續(xù)冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)和三角函數(shù)等的學(xué)習(xí)中教師都會(huì)陸續(xù)地加以正面表述,使學(xué)生明確其內(nèi)涵,不斷積累.
總之,在點(diǎn)集的運(yùn)算和一元二次不等式的教學(xué)階段,教師要抓住思維教學(xué)的時(shí)機(jī),正面表述并強(qiáng)調(diào)數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法,幫助學(xué)生多維度、多視角、多層次地思考問(wèn)題,體會(huì)問(wèn)題解決的本質(zhì)和真諦.
3.3 主動(dòng)運(yùn)用的訓(xùn)練積累階段
數(shù)學(xué)教育形態(tài)的靈魂就是數(shù)學(xué)思想方法,數(shù)學(xué)思想方法的教學(xué)應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容多層次、遞進(jìn)式展開(kāi).在主動(dòng)運(yùn)用數(shù)學(xué)思想方法的訓(xùn)練積累階段,教師要以強(qiáng)化學(xué)生運(yùn)用這種數(shù)學(xué)思想方法的意識(shí)為依據(jù)設(shè)計(jì)課堂教學(xué),發(fā)揮數(shù)學(xué)思想方法的引領(lǐng)作用,對(duì)學(xué)生加強(qiáng)訓(xùn)練,并讓學(xué)生反復(fù)經(jīng)歷這個(gè)思維過(guò)程,使學(xué)生有結(jié)構(gòu)、有邏輯地思考,提高解題的層次.
指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)的全部?jī)?nèi)容都融合了數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法,這里教師無(wú)須在口頭上強(qiáng)調(diào),而是讓學(xué)生在訓(xùn)練中體驗(yàn)和積累.
例5 若方程ax=x+a(a>0,a≠1)有兩個(gè)解,求a的范圍.
解 設(shè)指數(shù)函數(shù)h(x)=ax,一次函數(shù)k(x)=x+a,其中a>0,a≠1.方程h(x)=k(x)有兩個(gè)解,表明函數(shù)h(x)的圖像和函數(shù)k(x)的圖像有兩個(gè)交點(diǎn).由圖5可知,當(dāng)01時(shí),圖像有兩個(gè)交點(diǎn),符合題意.故a>1.
在此例中,先把方程(尤其是含參數(shù)的指數(shù)、對(duì)數(shù)、三角等復(fù)雜方程)兩邊的代數(shù)式視作兩個(gè)常見(jiàn)函數(shù)的解析式,然后在同一坐標(biāo)系下作出兩個(gè)函數(shù)的圖像,就可以將確定方程解的個(gè)數(shù)這一代數(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成確定兩函數(shù)圖像交點(diǎn)的個(gè)數(shù)這一幾何問(wèn)題,化抽象為具體,數(shù)形結(jié)合數(shù)學(xué)思想方法在這里大放異彩.
圖6例6 若函數(shù)f(x)=loga(x+1),x∈(-1,0)滿(mǎn)足f(x)>0,則a的取值范圍是(? ).
A.(0,1) B.(0,1]
C.(1,+∞)D.(0,+∞)