热衷于符号操作是数学教学的一个误区。机械化的练习使学生在呆板的操作过程中忘了符号本来的意义,这就把数学的精髓也丢掉了。我们要走出误区,提倡对符号的认识、理解和使用。
2.符号意识是良好的数学素质之一
我们所说的符号,是数学符号的泛指,既有性质符号,又有运算符号;既指与数学概念及专用术语相关的记号,又指表述各种数学对象相互关系的符号。
数学符号既是数学学习的重要内容,又是数学应用的重要工具,人们借助它思考数学问题,交流研究成果,进行抽象与概括。
在数学教学中,我们要全面利用符号的工具作用,提倡深刻理解,少搞死记硬背;提倡灵活运用,少套步骤程式。
3.符号意识的基本成分
对于符号意识的基本成分,人们尚未形成全面一致的见解。Fey提出的见解,有较好的参考价值。符号意识应包括:
(1)认识与鉴别能力
对于以数学、图象表示的数学模式,能粗略估计其分析表达式,鉴别以某个法则表示某个模式是否恰当。理解符号的意义,了解同一个符号在不同问题线索中的不同意义,对符号功能的理解和评价,对符号所反映的数学美及其魅力的鉴赏。
(2)估算能力
对以某种符号法则表示的某种函数,如幂函数,能对函数值作出非正式的估计与比较;对符号进行正确的操作,知道什么时候应该用什么符号以及如何使用;运用符号的机敏性与灵活性,能选择更合适的方式,更优雅的解法。
(3)验算与预告能力
对运算结果作一算术估计,或对已进行的运算的正确性作出判断。对符号操作的评估与监控,检查符号在操作过程中的意义,并与期望的结果作对比或比较。
(4)选择能力
对一个特定问题,从几个等价的解答形式中确定最合适的形式。
以下我们从理解阅读能力,鉴赏能力,探究能力,选择能力和运用能力来阐述发展学生符号意识的问题。
二、数学符号的阅读与理解
数学是由大量概念和命题构成的符号体系。由于符号的抽象性,使学生的学习增加了困难,如果回避这一困难,而对符号的意义和作用缺乏理解,则对以后的学习构成更大的障碍。
1.理解符号的意义
著名数学教育家弗赖登塔尔指出:“学生必须有意识地使用代数语言,不仅会使用公式,还要知道为何这样用而不那样用,否则代数将成为无意义的游戏。”事实上,他的话对其他数学符号的学习也有同样的意义。
理解数学符号的意义应包括:了解符号引入的必要性与优越性。理解与符号相关的数学概念,明确使用该符号的条件,等等。
2.说明符号的内涵
数学符号比文字语言更简洁,更概括,它的丰富内涵没有由符号本身明示,而要另用文字语言叙述。因此,教师要经常引导学生从具体现象概括为用符号表示,又从形式符号回到其具体内容。解释说明数学符号包含两重意义,其一是符号与文字(或口头)语言的互译,其二是说明新旧相关符号的关系,例如指数符号与对数符号的关系,等等。
3.领悟符号暗示
数学符号本身常含有对运算方法的指示,甚至含有对运算结果的暗示。帮助学生形成认真阅读符号的习惯,从中尽可能获得丰富、准确的信息,就能摆脱单纯符号操作的盲目性。
4.排除符号的迷惑
对旧符号的旧理解可能会给对新符号的理解和使用带来干扰和迷惑。例如有些学生学习对数符号logc(a+b)时,就会受到代数运算律c(a+b)=ca+cb的干扰,而误认为logc(a+b)等于logca+logcb。教师要帮助学生弄清新旧符号的区别,并通过利用特殊值来验证,排除学生的误解。良好的符号意识应包括及时检查错误,纠正错误的健康习惯。
阅读、检查、反思、排惑,树立警觉性,不要在符号错觉中误入迷途,这是符号意识的重要方面。
三、数学符号的鉴赏与体会
数学符号与意识,应超越于对符号的记忆、解释及常规运用,应包含对其精美、其魅力及其威力的鉴赏,还应包含借助于符号去欣赏数学美的能力。
1.数学符号的简洁美
利用数学符号,能排除歧见,以简洁的形式准确地表示结果。
2.数学符号的统一美
借助于数学符号,能沟通一些不同对象之间的内在联系,使之在形式上得到统一。例如,利用圆锥曲线的极坐标方程,把椭圆、双曲线、抛物线的方程在形式上统一起来。借助于负指数、分指数符号,可使整式与分式,有理式与无理式,在某程度上得到统一表示。
3.数学符号的含蓄美
在数学教学中,教师要不断带引学生鉴赏数学符号所隐含的美的构思,美的形象。例如积分号∫就是英文Sum(和)第一个字母的长写,如能与分割求和的积分思想联系起来,就能欣赏到这个符号的深刻含义。
四、数学符号的探究与发掘
通过适当操作,可发掘数学符号的深层含义,借助适当的符号,又能探究数学问题的未知规律。
1.发掘数学符号的新含义
例如某奇数的平方减去1,所得结果会是什么数?设该奇数为2n-1(n是自然数),学生们有如下认识过程:
(1)(2n-1)2-1=4n2-4n,得数为4的倍数;
(2)原数=4n(n-1),得数为8的倍数;
(3)原数=8\[n(n-1)2\],可见另一个因子恰为自然数列前n-1项之和,又可计为C2n,是一个二项式的系数,西方称之为三角形数,等等。在以上获取新意义的过程中,学生能分享喜悦,增强信心。
2.探究数学问题的新规律
良好的符号意识应包括能利用合适的符号去探索规律,验证猜想,这也正是数学符号威力之所在。
五、数学符号的恰当选择
利用数学符号表示问题情景时,应注意选择恰当的符号和合适的表示方式。
1.选好符号,以表示更多的信息
同一个量,可用不同的符号来表示,但效果却不一样,如上面的例子,若用n表示奇数,则奇数平方减1可写成(n+1)(n—1),虽然我们能说明此时(n+1)(n-1)是8的倍数,但一般学生不易直接看到这个结果。可见用2n-1表示奇数,能直接显示更多的信息,从而更好地揭示奇数平方减1的结构。
2.择好方式,以更好地表示信息
恰当地选择未知数,以及使用恰当的表示方法,对解题效果大有影响。
良好的符号意识应包括:选择符号的恰当性与灵活性,使之有利于简化计算并获得结果;选择符号的机敏性与果断性,能放弃无益的选择;具有对符号选择合理性的预感。
六、数学符号的灵活运用
利用符号解决问题是符号意识的核心,这种意识的形成要逐步积累,以美国某高中线性代数教学课例说明运用符号的认识过程。
某市市区每年有5%人口迁到郊区,而郊区每年有3%的人口迁到市区。以r0,s0分别表示该市市区、郊区人口数,试研究相邻两年间市区、郊区人口的关系,并探讨人口发展的趋向。
分析:以x0=r0s0表示该市初始年市区、郊区人口向量,据题意,可设立人口迁移矩阵M=0.950.030.050.97,如用xk=rksk表示第k年人口向量,那么,相邻两年人口关系可表示为矩阵形式xk+1=Mxk。
1.由错误的符号到正确的符号
学生使用符号难免有错,只有当他们弄清错误原因时,他们对符号的意义才有更深刻的认识。
由上面的例子,最初有学生用线性变换方式表示相邻两年人口关系为r0=0.95r0+0.03s0,s0=0.97s0+0.05r0。(1)
经过教师提醒,学生相互讨论,他们发觉(1)式左边下标有误,应把r0,s0改为r1,s1,而且(1)式只表示前两年之间人口关系,欠一般性,应改为rk+1=0.95rk+0.03sk,sk+1=0.05rk+0.97sk。(2)
这种运动,为矩阵表示法作好了准备。
2.由具体的符号到抽象的符号
对符号的认识,有个逐渐抽象的过程,如前面的例子中,为了探讨人口变化趋势,教师提问:若开始时市区迁出人口多于迁入人口,是否市区人口会递减到零?
学生商定,假设最初市区、郊区人口都为100万,并理出表格观察人口变化趋势。一直往下计算,学生会赶到厌烦,此时,向量的迭代表示法及矩阵记号就呼之欲出了。
3.由特殊符到一般符号
为寻找一般规律,教师又问:能否找到这样的初始情况,使得经过一年,人口变化最多承上一个比例因子?即Mr0s0=ar0s0,其中a为常数?
经过初等计算,学生发现,当r0∶s0=3∶5时,这个比例因子存在,切恰好为1,意味着此时市区、郊区人口流向稳定。
经过更深入研究,师生提出猜想:无论初始人口为何值,都有rk/sk3/5,为了证实上述猜想,特征值记号及对角线方法就应使用了。
事实上,记a=0.95,b=0.97,则公式(2)可用矩阵表示为rk+1sk+1=a1-b1-abrksk(3)
则可证得rk/sk(1-b)/(1-a),回到原来特殊值,得rk/sk3/5,从而猜想得到证实。
以上教学过程中,教师并没有规定学生使用什么符号,而是诱发他们的好奇心,观察他们自然的学习行为,直到他们赶到使用更一般符号的必要时,合适的符号才被提出来,这是培养学生符号意识的良好途径,也是启发式教学的一种方法。
上述各项尚待详细阐述,而且良好的符号意识页不只上述所列,但无论如何,它们可以作为符号教学的较高要求。
七、符号意识的阶段发展
学生数学符号意识的形成与其知识、能力的发展有关,也与其运用符号的经验有关。教师要了解学生符号意识形成的现状,才能有的放矢地进行符号教学。
学生数学符号意识的发展大致经历以下几个阶段。
1.启蒙与模仿阶段
认识一些具体的数字符号,少量运算符号和关系符号,能模仿课本的例题及教师的示范进行简单的符号操作。例如23=8,32=9,32>23等等。低年级学生多处于这种认识阶段。
2.抽象与探索阶段
能用字母表示不同的数,对性质符号、关系符号、逻辑推理符号等有初步认识。具有初步的抽象概括能力,能用实验归纳进行简单的猜测。
3.推理与联系阶段
随着符号的积累与丰富,学生能探索数学符号的涵意,以及符号之间关系,能用不同方法,不同符号解决同一问题。能用符号进行推理。
4.活用与评价阶段
能形成自觉需要,不断优化符号选择及运用,具有良好的符号直觉及对操作结果的预感,能对操作过程及结果作出正确评估。
符号意识的发展是不平衡的,因人而异的。就某个学生而言,他对某些符号可以运用自如,而对另一些符号的认识可能仍处于初始阶段。
八、符号错误的成因探析
学生在符号操作中的大量错误令教师感到头痛,屡禁不止,防不胜防。事实上,并不存在防治所有错误的灵丹妙药,教师要通过细致的分析观察,帮助学生认识错误之所在,加深他们对符号和算理的认识,才能产生防错改错的能力。学生在符号操作中出现错误主要以下原因。
1.盲目操作
由于对操作的原理和规律认识不清,或者操作目的不明、方向不清,从而产生种种错误。如在三角式变换时,或在解方程时,常对所操作的式子进行漫无目的变换,有时越变越复杂,有时也许绕了一圈,重返原状,从而使操作徒劳无益。
2.符号干扰
进行操作时,受到相关或类似的其它符号的干扰而致错。如在研究反三角函数问题时,常受到三角函数符号的干扰,从而产生模糊的甚至错误的认识。又例如,同一个问题中的两个符号也会互相产生干扰。
3.信息失真
未能全面领会或正确领会问题的条件信息,从而不能正确运用符号解决问题。
4.联系受阻
为了使问题易于求解,有时要对它进行变换,如果找不到符号的联系,则难以获得进展,这种情况称为联系受阻。
在数学教学中,要培养学生预想、估计、反思、检验的良好学习习惯。从而形成符号操作的自我纠正能力。
九、符号意识应长期培养
良好的符号意识有赖于经验积累、视野扩展和能力锻炼。因此,应及早开始培养,并且长期坚持。
1.在算术中引入代数符号
算术中的有关法则可用代数符号表示,这样学生从低年级起就可欣赏到符号的威力。
2.用符号揭示意义和结构
设计适当的问题线索,使学生及早用符号进行抽象与概括。
3.研究同一个符号的不同意义
例如在表达式y=kx+b中,随着那个符号表示常量,那个符号表示变量,其意义是不同的。所以要在具体的实践操作中具体对待,实现对符号的灵活运用。
十、符号能力宜综合训练
要树立学生对个人运用符号能力的自信,使之能用多种方式加深对符号的理解。
1.鼓励学生自己接通联系
学生有时会忘记的某些意义,但他们或许能在另一些方向上接通联系。如果教师匆忙代替,也许剥夺了学生自我锻炼的机会。
2.重视非正式信息的作用
教师要善于指导学生探索符号的隐含信息,尽管这些信息是非正式的,然而,在探索中能提高学生对符号的认识能力。
3.在非常规问题线索中提高符号运用能力
设计适当的问题线索,特别是非常规问题线索,有利于学生提高运用数学符号能力。
(第三节 )化归意识的培养
把尚未解决或难以解决的问题,通过适当的转化,逐步归结为一类已经解决或易于解决的问题,从而使原来问题最终获解,这种思想方法称为化归法。经常运用此法处理数学问题的意识,称为化归意识。
一、联系与转化——实现化归的条件
数学对象常从一种状态转化为另一种状态,从一种形式转化为另一种形式。事物间的相互联系是实现转化的条件。数学问题解决的过程,是师生通过共同努力,实现转化的过程。这个过程的主要特征是:从未知向已知转化;从新知识向旧知识转化;从复杂向简单转化。只要找出了联系,就确定了转化的可能性,只要找到转化的途径,则问题解决就有可能得以实现。
1.中学数学的转化思想内涵丰富
转化,是一系列数学思想的总称,在中学数学范围内,转化包含了丰富的内容。
(1)换元思想
通过换元法,可实现从超越方程向代数方程转化,从无理方程向有理方程转化,从复合函数向简单函数转化。
(2)参数思想
通过设立适当的参数,可把多元问题转化为一元问题。利用参数,可以刻画事物的变化状态,揭示变化因素之间的内在联系。
(3)降维思想
通过截面,可把三维问题降低为二维问题。类似的思想还表现为在解方程时,从高次方程向低次方程转化,把多元函数问题转化为一元函数问题,把倍角三角函数转化为单角三角函数,把多重积分变成单变量定积分,等等。
(4)坐标思想
通过建立平面直角坐标系,可把几何问题转化为代数问题。或借助于几何图形的性质,研究有关代数或函数问题。
(5)建模思想
通过问题的特定信息,确定某种特定的映射关系,从而建立适当的数学模型把实际问题转化为数学问题予以解决。