黃仙鳳,黃紅倩,李織蘭
(1.百色市田陽(yáng)區(qū)第二小學(xué),廣西百色 533600;2.桂林學(xué)院理工學(xué)院,廣西桂林 541006;3.桂林師范高等??茖W(xué)校教務(wù)處,廣西桂林 541199)
出入相補(bǔ)原理是中國(guó)古代幾何學(xué)中最基本的一條原理,出現(xiàn)在小學(xué)五年級(jí)數(shù)學(xué)教材(人教版)的“多邊形面積”單元的“你知道嗎?”欄目,它的價(jià)值主要在于對(duì)小學(xué)生的觀念及思維方式的影響,具有科學(xué)和人文的教育價(jià)值。一方面,學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中體會(huì)數(shù)學(xué)的應(yīng)用價(jià)值,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)和方法解決問(wèn)題的能力;另一方面,對(duì)學(xué)生良好品德的養(yǎng)成、思維能力的提升、理性精神的培養(yǎng)和陶冶具有獨(dú)特的意義。
目前,部分教師在數(shù)學(xué)教學(xué)中還存在這樣的問(wèn)題:重?cái)?shù)學(xué)知識(shí)的灌輸,輕數(shù)學(xué)思維的提升、數(shù)學(xué)思想的感悟,忽視數(shù)學(xué)文化的教育價(jià)值與作用。因此,在出入相補(bǔ)原理教學(xué)中,要引領(lǐng)學(xué)生品味出入相補(bǔ)原理的數(shù)學(xué)思想、數(shù)學(xué)精神,厚植家國(guó)情懷,對(duì)學(xué)生進(jìn)行品德教養(yǎng)、性情陶冶,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的過(guò)程中感受數(shù)學(xué)文化之魅力,培養(yǎng)核心素養(yǎng),從而落實(shí)立德樹人根本目標(biāo)和任務(wù)。
幾何學(xué)體系包括歐氏幾何學(xué)和中國(guó)古代幾何學(xué)等。歐氏幾何即歐幾里得的《幾何原本》中的幾何學(xué)內(nèi)容,歐氏幾何的出現(xiàn)標(biāo)志著數(shù)學(xué)領(lǐng)域建立了公理化思想體系,為數(shù)學(xué)幾何明確了一種建立科學(xué)理論的模式,為人們提供了豐富多彩的幾何知識(shí)內(nèi)容。
中國(guó)古代幾何學(xué)形成了一套體現(xiàn)中國(guó)古代數(shù)學(xué)獨(dú)有風(fēng)格且生機(jī)盎然的系統(tǒng),它從出入相補(bǔ)原理、容直容橫原理、劉徽原理等精煉扼要的原理出發(fā)推導(dǎo)數(shù)學(xué)知識(shí),其中出入相補(bǔ)原理是中國(guó)古代數(shù)學(xué)推導(dǎo)圖形面積公式的傳統(tǒng)方法和最基本的原理。
中國(guó)古代數(shù)學(xué)家利用“以盈補(bǔ)虛”的割補(bǔ)法,即以多余補(bǔ)不足,圖1 中的三角形“上盈下虛,以上補(bǔ)下”,將三角形面積問(wèn)題轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)方形面積,從而推導(dǎo)出計(jì)算公式。
圖1 三角形“以盈補(bǔ)虛”割補(bǔ)法
2000 多年前,《九章算術(shù)》記載了三角形面積的計(jì)算公式,將三角形稱為圭田,長(zhǎng)方形稱為直田。劉徽在《九章算術(shù)注》中注解:“半廣者,以盈補(bǔ)虛,為直田也”,說(shuō)明它是應(yīng)用出入相補(bǔ)原理,由長(zhǎng)方形面積導(dǎo)出了三角形面積公式。圭田術(shù)曰:“半廣以乘正從”得積步[1]。廣,稱作底;正從,稱作高,“圭田術(shù)”翻譯成現(xiàn)代語(yǔ)言就是說(shuō)“三角形的面積等于底的一半乘以高”。
《九章算術(shù)》方田章中,還給出了用“以盈補(bǔ)虛”的割補(bǔ)法計(jì)算梯形面積的兩種方法(見(jiàn)圖2),即并兩邪(上底和下底)而半之(除以二,其實(shí)就是線的割補(bǔ)),以乘正從(就是高)若廣;又可半正從(高的一半)若廣,以乘并(上底和下底的和)。
圖2 梯形三角形“以盈補(bǔ)虛”割補(bǔ)法
出入相補(bǔ)一詞出自《九章算術(shù)注》,劉徽在《九章算術(shù)注》對(duì)“勾股術(shù)”中勾股定理的證明過(guò)程作了如下解釋:“勾自乘為朱方,股自乘為青方,令出入相補(bǔ),各從其類,因就其余不移動(dòng)也;合成弦方之冪,開方除之,即弦也?!盵2]出入相補(bǔ)由此得名。劉徽用出入相補(bǔ)原理解決了一個(gè)又一個(gè)數(shù)學(xué)難題,系統(tǒng)地給出了各種圖形面積公式的證明。
我國(guó)著名數(shù)學(xué)家吳文俊對(duì)出入相補(bǔ)原理作了概括,其內(nèi)容有四:一是一個(gè)幾何圖形,可以切割成任意多塊任何形狀的小圖形,總面積或體積維持不變,等于所有小圖形面積或體積之和;二是一個(gè)幾何圖形,可以任意旋轉(zhuǎn)、倒置、移動(dòng)、復(fù)制,面積或體積不變;三是多個(gè)幾何圖形,可以任意拼合,總面積或總體積不變;四是幾何圖形與其復(fù)制圖形拼合,總面積或總體積加倍。
出入相補(bǔ)原理是古代幾何學(xué)中最基本、最重要的一條原理。它的意思十分直白,簡(jiǎn)單明了,在邏輯思維上更容易被他人接受,是一個(gè)不證自明的常理。研究相關(guān)著作可以發(fā)現(xiàn)出入相補(bǔ)原理是一個(gè)解決實(shí)際問(wèn)題的一般方法,是“無(wú)字證明”的工具。
根據(jù)吳文俊的理解,出入相補(bǔ)原理適用于平面圖形和立體圖形。在圖形范圍中出入相補(bǔ)原理的使用情況也是有不同的,如等腰三角形、直角梯形都可以利用出入相補(bǔ)原理直接論證,而論證圓的面積則需要出入相補(bǔ)原理和極限思想相結(jié)合。除此之外,出入相補(bǔ)原理的缺陷也是要特別注意的,它的缺陷就是過(guò)于直觀化,在操作過(guò)程中,圖的分、割、移、補(bǔ)都屬于直觀幾何,不小心就容易忽視細(xì)節(jié)部分,導(dǎo)致結(jié)果不一致[3]。
平面圖形有直線型和曲線型兩種,其中直線型的圖形面積往往采用出入相補(bǔ)原理推論,因此可以說(shuō)出入相補(bǔ)原理在解決能夠轉(zhuǎn)換為直線型的圖形面積時(shí)很有幫助。如解勾股形面積、等腰三角形面積等,都可以通過(guò)轉(zhuǎn)化為面積相等的長(zhǎng)方形,再運(yùn)用長(zhǎng)方形的面積公式去計(jì)算。
立體圖形可分為能夠經(jīng)過(guò)有限次分割和不能夠進(jìn)行有限次分割成長(zhǎng)方體的圖形兩種,而出入相補(bǔ)原理的作用就是分割直柱體,重新組合成長(zhǎng)方體再求體積。其中這個(gè)直柱體是一個(gè)截面為梯形的立體圖形,比如在證明堤、溝、渠等的體積時(shí),可以直接運(yùn)用出入相補(bǔ)原理將復(fù)雜的圖形經(jīng)過(guò)有限次割補(bǔ)重合為長(zhǎng)方體,再利用長(zhǎng)方體體積公式證明而得出結(jié)論。
人教版小學(xué)數(shù)學(xué)五年級(jí)下冊(cè)教材的“多邊形的面積”單元的“平行四邊形的面積”一節(jié),把平行四邊形拆分并重塑成面積相同的長(zhǎng)方形,再通過(guò)面積算法推算出平行四邊形面積計(jì)算公式,見(jiàn)圖3。
圖3 平行四邊形面積公式的推導(dǎo)
“三角形的面積”一節(jié),通過(guò)把兩個(gè)全等三角形“倍拼”,轉(zhuǎn)化為等底等高的平行四邊形,從而找到三角形面積和平行四邊形面積的關(guān)系,推導(dǎo)出平行四邊形公式,見(jiàn)圖4。
圖4 三角形面積公式推導(dǎo)的倍拼法
“梯形的面積”一節(jié),將兩個(gè)全等的梯形“倍拼”成一個(gè)平行四邊形,類似推導(dǎo)三角形面積公式,通過(guò)梯形面積與拼成的平行四邊形面積的關(guān)系推導(dǎo)出梯形面積計(jì)算公式??蛇B接梯形兩腰中點(diǎn),將梯形分割成兩部分,移補(bǔ)成一個(gè)平行四邊形,利用出入相補(bǔ)原理,梯形面積就是拼成的平行四邊形面積,從而推導(dǎo)出梯形面積計(jì)算公式,見(jiàn)圖5。
圖5 梯形面積公式推導(dǎo)的倍拼法
本單元的“你知道嗎?”欄目介紹出入相補(bǔ)原理,將三角形和梯形通過(guò)割補(bǔ)轉(zhuǎn)化為面積相等的平行四邊形,讓學(xué)生直觀了解出入相補(bǔ)原理的實(shí)際運(yùn)用,見(jiàn)圖6。
圖6 人教版小學(xué)數(shù)學(xué)教材中的“你知道嗎?”
出入相補(bǔ)原理是人教版小學(xué)數(shù)學(xué)教材中介紹數(shù)學(xué)文化的板塊,該內(nèi)容是在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)并掌握了多邊形面積計(jì)算公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)的,為后面學(xué)習(xí)圓的面積以及中學(xué)階段的勾股定理、球的體積奠定了基礎(chǔ)。出入相補(bǔ)原理是中國(guó)古代幾何中最基本、最基礎(chǔ)的原理,在中國(guó)數(shù)學(xué)史上占有極為重要的地位,對(duì)后世影響深遠(yuǎn)[4]。
圖形面積公式是小學(xué)數(shù)學(xué)的重要內(nèi)容,很多教師采用“記憶公式+模仿例題+鞏固練習(xí)”教學(xué),學(xué)生對(duì)公式知其然但不知其所以然。在教學(xué)中采用出入相補(bǔ)原理推導(dǎo)圖形的面積公式,可以加深學(xué)生對(duì)公式的理解。
《九章算術(shù)》體現(xiàn)的歸納體系、模型化等一系列的基本思想方法,都屬于中國(guó)傳統(tǒng)的基本的思想方法。出入相補(bǔ)原理作為中國(guó)古代幾何學(xué)最基本的一個(gè)原理,其蘊(yùn)涵的思想方法與《九章算術(shù)》體現(xiàn)的思想方法是一致的,有利于感悟蘊(yùn)涵其中的數(shù)學(xué)思想方法,提高數(shù)學(xué)解題能力。
1.化歸思想
將一個(gè)問(wèn)題從困難變成復(fù)雜,從復(fù)雜到簡(jiǎn)化的過(guò)程叫作化歸。它是通過(guò)問(wèn)題的轉(zhuǎn)化來(lái)解決問(wèn)題的一種方法。
小學(xué)數(shù)學(xué)教科書闡述了平行四邊形、梯形、三角形等面積公式的推導(dǎo)過(guò)程,運(yùn)用了出入相補(bǔ)原理來(lái)化歸,再求出面積的過(guò)程。由此可見(jiàn),在小學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)中,出入相補(bǔ)原理是推導(dǎo)出平面圖形面積公式的重要思想方法,該思想方法運(yùn)用圖形化簡(jiǎn)的轉(zhuǎn)化,通過(guò)新圖形的分析使問(wèn)題順利解決。
2.數(shù)形結(jié)合思想方法
數(shù)形結(jié)合思想方法是將問(wèn)題中的數(shù)量關(guān)系轉(zhuǎn)化成大小、位置的關(guān)系,或者將數(shù)字與位置的關(guān)系轉(zhuǎn)換成數(shù)量關(guān)系,從而使得問(wèn)題更簡(jiǎn)單、更直觀,可以更好地求解。
劉徽運(yùn)用出入相補(bǔ)原理將數(shù)字與形狀之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成數(shù)字的大小、位置的關(guān)系,也就是將數(shù)字的大小、位置的關(guān)系轉(zhuǎn)換成數(shù)字的關(guān)系,即數(shù)—形—數(shù)的轉(zhuǎn)化,從而為中國(guó)古代數(shù)理中的數(shù)字和形狀的結(jié)合提供了一種特殊的方法。
3.極限思想
極限思想是使變量通過(guò)無(wú)限過(guò)程轉(zhuǎn)化為常量的數(shù)學(xué)思想,它相比于其他的思想方法更為活躍,是動(dòng)態(tài)的。在小學(xué)階段,極限思想就已出現(xiàn)在教材中。如在求圓形的面積時(shí),將圓形的表面分割成等份的扇形,重新合成的圖形近似于一個(gè)平行四邊形;當(dāng)繼續(xù)把圓形多次分割,其表面的扇形大小越來(lái)越細(xì),它的數(shù)量會(huì)不斷增加,最終重新組合就會(huì)無(wú)限接近于一個(gè)長(zhǎng)方形,再利用長(zhǎng)方形的求積公式求出圓的面積。在這里求圓形面積的問(wèn)題就是運(yùn)用出入相補(bǔ)原理把圓面積轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)方形的面積,通過(guò)對(duì)圖形的轉(zhuǎn)化,簡(jiǎn)明直觀地完成極限思想的滲透。
出入相補(bǔ)原理的育人價(jià)值主要體現(xiàn)在精神力量?jī)r(jià)值、美學(xué)價(jià)值和具體證明應(yīng)用等方面。
1.精神力量?jī)r(jià)值
數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)是一項(xiàng)探索科學(xué)知識(shí)的活動(dòng),數(shù)學(xué)倡導(dǎo)實(shí)事求是的精神。在歷史變遷中,數(shù)學(xué)所表現(xiàn)出的文化精神既是一門學(xué)科的現(xiàn)象,也是一種文化現(xiàn)象。在幾何學(xué)中,出入相補(bǔ)原理貫穿整個(gè)理論體系及其發(fā)展的始終。其中對(duì)平面多邊形面積的計(jì)算、勾股定理的證明、勾股容方容圓問(wèn)題、解二次方程和秦九韶三斜求積公式的運(yùn)算證明過(guò)程等等,均說(shuō)明出入相補(bǔ)原理在古代數(shù)學(xué)幾何中的重要性。趙爽運(yùn)用出入相補(bǔ)原理,構(gòu)造“趙爽弦圖”證明了幾何學(xué)中著名的勾股定理;劉徽用“割圓術(shù)”推導(dǎo)出“圓的周長(zhǎng)的面積公式”;祖沖之父子用出入相補(bǔ)構(gòu)想“牟合方蓋”推導(dǎo)出球的體積公式,形成引領(lǐng)世界的數(shù)學(xué)成果??梢?jiàn),出入相補(bǔ)原理是中國(guó)古代數(shù)學(xué)家的智慧結(jié)晶。同學(xué)們學(xué)習(xí)運(yùn)用出入相補(bǔ)原理,有利于弘揚(yáng)中國(guó)古代數(shù)學(xué)的優(yōu)秀文化,發(fā)揚(yáng)中國(guó)古代數(shù)學(xué)家的“刻苦鉆研”和“求真創(chuàng)新”精神,自覺(jué)樹立愛(ài)國(guó)報(bào)國(guó)的理想信念。
2.美育價(jià)值
數(shù)學(xué)之美是客觀存在的,數(shù)學(xué)的美包含簡(jiǎn)約之美、和諧之美、奇異之美,等等。出入相補(bǔ)原理的美在中國(guó)文化中得到了充分的體現(xiàn),《韓非子·初見(jiàn)秦》載“今秦地折長(zhǎng)補(bǔ)短,方數(shù)千里”[5]。將土地分割、重新割補(bǔ)成形狀規(guī)則的正方形,以估計(jì)土地面積大小,這一做法就是出入相補(bǔ)原理的運(yùn)用。除此之外,《老子》《孟子·滕公文上》《戰(zhàn)國(guó)策·秦策一》中也有運(yùn)用出入相補(bǔ)原理的記載。在古代文學(xué)中,富含幾何學(xué)的語(yǔ)句也體現(xiàn)了出入相補(bǔ)原理的簡(jiǎn)約美。如在講解唐代詩(shī)人宋之問(wèn)的《靈隱寺》時(shí),教師可以“樓觀滄海日,門對(duì)浙江潮”作為基礎(chǔ),變換成幾何圖像,解釋和梯形有關(guān)的知識(shí)。通過(guò)學(xué)習(xí),可以激發(fā)學(xué)生的好奇心,使他們感受數(shù)學(xué)的美和神奇。
1.結(jié)合教材在課堂中應(yīng)用
在教學(xué)中,數(shù)學(xué)史的融入是不能缺失的,在教學(xué)中教師應(yīng)結(jié)合出入相補(bǔ)原理的內(nèi)容滲透數(shù)學(xué)史的知識(shí),讓學(xué)生感受數(shù)學(xué)文化的魅力。教師講授數(shù)學(xué)史知識(shí)時(shí)宜圍繞幾個(gè)方面展開:首先,介紹數(shù)學(xué)成就。教師可在合適的教學(xué)節(jié)奏中介紹出入相補(bǔ)原理的概念和內(nèi)容。比如在講解多邊形面積時(shí)可以介紹出入相補(bǔ)原理的概念和《九章算術(shù)》里的相關(guān)知識(shí),讓學(xué)生了解古代數(shù)學(xué)家在多邊形面積求解上取得的成就。其次,古今解法的對(duì)比。在學(xué)習(xí)勾股定理時(shí),可以介紹我國(guó)古代數(shù)學(xué)家運(yùn)用出入相補(bǔ)原理證明勾股定理的方法,再與所學(xué)的解法對(duì)比,讓學(xué)生體會(huì)多種解法的魅力。再次,注重實(shí)例歸納。在教學(xué)中先不明確講解出入相補(bǔ)原理的內(nèi)容和含義,而是通過(guò)講解實(shí)例,由學(xué)生自己推導(dǎo)出結(jié)果。如前所述,在求平行四邊形、三角形、梯形的面積時(shí),先運(yùn)用分割、移補(bǔ)、“倍拼”等方法推導(dǎo)出結(jié)果,再點(diǎn)出出入相補(bǔ)原理。注重實(shí)例歸納有利于鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的思考能力。
2.在課外活動(dòng)中應(yīng)用
可以充分利用課外活動(dòng)實(shí)現(xiàn)出入相補(bǔ)原理的育人價(jià)值,課外活動(dòng)形式主要包括專題講解和趣味宣傳兩種。專題講解是由數(shù)學(xué)興趣小組的“小講師”以出入相補(bǔ)原理為專題,向全班同學(xué)介紹出入相補(bǔ)原理的內(nèi)容、歷史背景及在我國(guó)古代運(yùn)用的事例等。學(xué)生通過(guò)查閱資料,直接接觸了解出入相補(bǔ)原理,從而激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。趣味宣傳是由數(shù)學(xué)興趣小組利用黑板報(bào)等學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的形式介紹出入相補(bǔ)原理的史料、圖形,讓學(xué)生了解出入相補(bǔ)原理。
1.探尋圖形轉(zhuǎn)化之理,感悟數(shù)學(xué)思想方法
基于深度學(xué)習(xí)的“說(shuō)理”課堂,我們需要進(jìn)一步探尋知識(shí)背后的道理?!俺鋈胂嘌a(bǔ)”目的只有一個(gè),就是把未知轉(zhuǎn)化為已知,“化歸思想”就是這一系列“以盈補(bǔ)虛”割補(bǔ)法背后的最重要的數(shù)學(xué)思想。轉(zhuǎn)化方法是教學(xué)多邊形面積一課的關(guān)鍵,學(xué)生進(jìn)行剪拼方法的操作后,在對(duì)比觀察中發(fā)現(xiàn)形狀變了但面積沒(méi)有變這“變中有不變”的數(shù)學(xué)道理,進(jìn)而在轉(zhuǎn)化的前后對(duì)比中感悟其中的“變與不變”和“等積變形”的數(shù)學(xué)思想。例如,在梯形面積公式推導(dǎo)的教學(xué)中,運(yùn)用源自我國(guó)古代幾何學(xué)的出入相補(bǔ)原理的剪拼法和分割法推導(dǎo)梯形面積公式?!胺指睢奔窗岩粋€(gè)梯形剪成兩個(gè)或兩個(gè)以上已學(xué)過(guò)的圖形,“拼補(bǔ)”即通過(guò)移補(bǔ)把一個(gè)圖形轉(zhuǎn)化成已學(xué)過(guò)的圖形,最終都要具體到探究前后兩個(gè)圖形之間的關(guān)系。從解決問(wèn)題的角度看,重點(diǎn)是讓學(xué)生自主尋找求出梯形面積的辦法,感悟數(shù)學(xué)思想,這與課標(biāo)解讀的“說(shuō)理”要求是相吻合的。
2.追古溯今,提升學(xué)生的數(shù)學(xué)文化素養(yǎng)
在教學(xué)中融入數(shù)學(xué)史,弘揚(yáng)中國(guó)古代數(shù)學(xué)的輝煌成就,可以增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感,從而體現(xiàn)育人價(jià)值。將我國(guó)古代數(shù)學(xué)家劉徽提出的“以盈補(bǔ)虛”和“出入相補(bǔ)”的原理融入“多邊形面積”教學(xué)中,能讓學(xué)生在把握與理解知識(shí)的層次上有更深入的思考。
教材中多邊形面積公式推導(dǎo)過(guò)程中使用了兩種方法:古希臘歐幾里得在《幾何原本》中提出來(lái)的“倍拼法”和中國(guó)古代數(shù)學(xué)家劉徽于《九章算術(shù)注》中提出的“出入相補(bǔ)法”。教師可比較這兩種方法在解決小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的“求陰影部分面積”問(wèn)題,讓學(xué)生感受出入相補(bǔ)原理的優(yōu)越性。我國(guó)古代數(shù)學(xué)家劉徽運(yùn)用出入相補(bǔ)原理,將圓分割移補(bǔ)成長(zhǎng)方形來(lái)推導(dǎo)圓的面積公式;古代數(shù)學(xué)家趙爽運(yùn)用出入相補(bǔ)原理構(gòu)造“勾股圓方圖”,用“最省力”的方法證明了勾股定理;祖暅用出入相補(bǔ)原理構(gòu)成了“牟合方蓋”,把平面上的出入相補(bǔ)推廣到空間上的出入相補(bǔ),推導(dǎo)出球體體積計(jì)算的公式。這些成就,反映了中國(guó)古代數(shù)學(xué)家的聰明才智與鉆研精神,是中國(guó)古代數(shù)學(xué)文化的驕傲。
3.使用信息化教學(xué)工具呈現(xiàn)數(shù)學(xué)之思,欣賞數(shù)學(xué)之美
教學(xué)中,使用計(jì)算機(jī)軟件“幾何畫板”直觀演繹三角形和梯形面積的推導(dǎo)過(guò)程,可以活躍學(xué)生的思路,提高思維的靈活性,使學(xué)生在潛移默化中掌握轉(zhuǎn)化的思想方法。學(xué)生通過(guò)觀察動(dòng)態(tài)的幾何畫板課件,尋找圖形的聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)“變與不變”,可感悟“變化中不變”的數(shù)學(xué)思想,欣賞守恒之美。
桂林師范高等??茖W(xué)校學(xué)報(bào)2022年4期