书城教材教辅中学理科课程资源-培养数学逻辑思维
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第14章 数学逻辑思维方法教学(3)

综上所述,转化是一系列数学思想的总称,并且含有十分丰富的具体内容。

2.转化是中学数学内、外联系的体现

数学中大量的公式、定理,揭示了所研究的数学对象间的关系。数学也以其形式化的语言,描述自然科学、社会科学及技术科学的有关规律,这就为把其他学科问题转化为数学问题,也为不同领域的数学问题之间的相互转化,创设了有利条件。

用数学方法探讨物理、化学、生物、教育和工程技术问题,是数学与其他学科相互联系的体现。同样,数学内部的联系和转化是十分普遍的。

代数中的基本运算在转化思想指导下得到高层次的统一,加减法在代数和的意义下统一为加法,乘除法在积的意义下统一为乘法,通过指数概念的扩充,可把根式的乘、除、乘方、开方等运算统一为幂的指数的加、乘运算,利用复数的指数形式,可以把复数的乘、除、乘方运算,转化为幂的运算,等等。

事实上,中学数学每章、每节乃至每个课时的教学,都离不开转化。只要教师在教学中引导学生明确转化的目的,弄清转化的意义,寻找转化的条件,就能促进问题的解决,同时,学生的化归意识也能得到健康发展。

3.把握联系,打好化归的坚实基础

数学问题解决过程,是一个寻找联系、探索途径的过程,而且解决同一个问题,也有不同的途径和思路。熟悉数学的各种联系,能给运用化归方法打下坚实的基础。这也是培养解决问题能力的必由之路。在数学教学中,教师应该帮助学生探索不同数学课题之间的相互影响和联系,以及这些联系在问题解决中的应用。

学生应该能够:

①识别同一概念的等价表示,例如“直线l⊥平面M”与“直线l垂直于平面M内的两条相交的直线”是等价的。

②阐述一种表示的等价表示方法。例如,一个复数,可以用代数形式a+bi表示,可以用三角形式r(cosθ+isinθ)表示,可以用向量形式表示,还可以用指数形式表示,等等。

③应用和评价数学课题之间的联系,例如,哥尼斯堡七桥问题就和一笔画投递路线问题有紧密联系。

④应用和评价数学和其它学科之间的联系。能够在同一实际问题或同一数学概念的不同表示法之间找到联系。如果学生能应用这些联系实现转化,那么,他们就会同时获得得强有力的、灵活的解题工具,并能深刻地体会数学的和谐与优美。

二、学会联想与想象,寻找化归的通途

当遇到一个具有挑战性的数学问题时,有些学生只会根据题意进行一些肤浅的变换,有时在原地兜兜转转,显得漫无目的;有时越走越远,甚至走进死胡同。其中一个原因就是解题方向不明,陷入变换的盲目性。

1.定向化是化归的基本策略

数学中的转化是多样的,一般地说,在解决问题时,要向题设要求的方向,即求证或求解的方向转化,也常常会向适应于个人认识水平的方向转化。事实上,数学所研究的转化,往往是从高级到低级,从未知向已知,从复杂向简单转化,并把新的认知问题转化为某个原有的认知问题。

例如,通过作辅助线,可把多边形问题转化为三角形问题,通过分离虚部和实部,把复数问题转化为实数问题,借助于对数与指数的深刻联系,把对数问题转化为指数问题予以解决,等等。

有时,为了问题解决的需要,数学问题也会向相反方向转化,如由低维化为高维,由简单化为复杂,由特殊化为一般,等等。总之,转化的方向要视解题目标而确定。

2.联想能展开化归的通途

解决问题的过程,是从已知条件向求证(解)结果寻求联系的过程,并力求找出由条件到结果之间的推理链,由于数学的联系纵横交错,故推理链中每个环节之间的联系也不是唯一的。因而造成了解题途径的多样性,也造成了一些歧异,无效的支叉路径。

通过联想,能不断调动解题者原有认知结构中的联系。从中选择有效的联系,达到化归的目的。

3.想象有助于突破化归的难点

尽管数学中存在诸多的联系,但要从中抽取解决问题所需要的联系,有时并非易事。如能根据题目条件,对原有已掌握的知识进行适当的选择,变换、重组,通过适当合理的想象,构造出解决问题所需要的数学模型,如构造图形、构造函数、构造方程、构造数列、构靠反例,等等,这样,原有问题转化为一个新的,具体的问题,并使解题者有能力予以解决。

三、从特殊化入手,获取化归的启示

当某个问题不易获解时,我们可以转而研究相对较为容易解决的特殊情况。通过特殊化,我们容易猜测有待寻找的结论;通过特殊化,也容易探索解题的思路与方向。例如,寻求符合某种条件的点的轨迹,我们可以从对某些特殊点的探索开始,从而寻找符合条件的动点所满足的某些规律性。这是求轨迹(方程)的常用方法。

1.特殊化有助于寻找一般性结论

考虑尚待研究的对象的一些简单特例,这些特例的性质较容易寻找,而这些性质,也许就是原问题要寻找的一般性结论。一般性寓于特殊性之中,有时就是这个道理。

2.特殊化有助于寻求解题思路

有些问题,情景较复杂,造成计算量大,或要考虑的情况较多。此时可退到特殊、简单的情况,从特殊情况中寻求解答方法,再回到原问题中求解,这是解决问题常用的以退为进的策略。

3.利用特殊结构,引起特殊联想

在教学中,有时要引导学生把注意力倾注在对象的某些特殊方面,由特殊结构引起特殊联想,从而找到解题途径。

4.先找一般规律,再解特殊问题

例如,设x=11+11+11+…11+1,

已知上式有1999条水平分数线,问x2+x>1是否成立?

分析:本题宜从一般情况入手,寻找一般规律,再解决题设的特殊问题。

解:令xn表示有n条水平分数线的,形如x的分数,则有一般的递推关系

xn+1=11+xn

易求得x1=12,x2=11+12=23,

x3=11+23=35,x4=58,…

记yn=xn2-xn,我们研究yn+1-1和yn-1的关系。

y1=x12+x1=14+12=34<1,

y2=x22+x2=109>1,

y3=x32+x3=2425<1,

y4=x42+x4=6465>1,…

根据以上特例,我们猜测:

当n为奇数时,yn<1;当n为偶时,yn>1。当猜测成立时,我们回到上面的特殊情况,即有y1999<1,从而有1999条水平分数线时,x2+x>1不成立。具体证明请读者自证。

四、在解决问题中锻炼,提高化归能力

通过解题学习解题,是提高化归能力的重要途径。在解题教学中,教师要引导学生在实践中演练、感知、体会化归的思想方法,逐步形成一系列行之有效的解题策略。如化繁为简,化生为熟,化整为零,化曲为直,以形论数,以数论形,等等,在遇到新的问题情景时,能以有效的思维策略,去探索转化的途径。

在化归过程中,学生由于思维的片面性,或由于原有知识基础不够扎实,产生诸多错误,或以特殊代替一般,或者忽视特殊情况,或者忘记重要的定理公式,或者产生概念的混淆,等等。

在数学教学中,教师要注意纠正上述错误,引导学生查找错误原因,从而提高学生的辨析能力,培养良好的思维品质。以下简要介绍学生在解决问题时的常见错误,以供防错纠错参考。

1.基础不牢,思路受阻

问题解决的思路,可以比喻为一条推理链,其中每个环节联系着不同的知识和方法,如果其中一个环节的相关知识(或方法)在解题者的头脑中找不到应有的位置,则称为知识(或方法)遗忘,只有调动记忆,把所需的知识(或方法)检索出来,解题过程才能继续进行。

即使解题者具备所需要的知识,但是,面对不熟悉的问题情景,有时在某一环节上未能找到条件和所求的联系,因而思维过程未能按预想方向进行,或因化归变形不当,使解题过程陷入复杂局面,这就称为思路受阻。

无论知识遗忘或者思路受阻,都是解题者知识不牢,方法不熟练的表现,因此,抓好基础知识、基本数学思想方法的教学,是解题过程得以顺利进行的先决条件。

2.审题不周,遗漏信息

正确理解题意,全面掌握已知条件和设问要求,是问题解决的奠基性工作,然而,不少学生由于审题不周,或忽视部分条件。或误解题意,致使后面所做的化归工作成为无效劳动。

2.概念不清,判断失真

数学是由众多概念、定理构成的网络体系,已知的概念和定理是推理的根据,化归的基础,如果学生对有关的概念、定理未弄清楚,必然导致判断、推理或计算的错误,从而使所进行的化归也失去意义。

3.分类不当,顾此失彼

有些概念需要分类定义,有些问题需要分情况讨论,如果情况辨别不清,忽视恰当分类,必然造成顾此失彼,从而犯以偏概全的错误。

4.忽视范围,换元失效

换元法是化归的具体方法之一,在研究方程、函数时广泛使用。学生在使用换元法解决有关问题时,如果不注意所换字母范围的变化,将会造成换元的失效。

为了引导学生正确进行化归,纠正类似上述所指出的错误,在教学中要帮助学生形成以下良好的学习习惯:

①认真审题,全面收集解题信息;

②重视分类,注意等价转化;

③正确处理特殊与一般的关系。

(第四节 )整体化意识的培养

整体和局部,是人们对事物认识的两个方面,整体问题有时要分为各个局部来研究,局部的性质有时能反映整体的性质。某些局部性质,对整体性质还能起决定作用。例如,研究函数的性质时,某些函数的极值点,拐点,虽然只反映该函数的局部性质,然而,对把握函数的变化趋势,却能起到关键作用。反之,整体还具有其局部所不具备的性质,例如,复数可分为虚部和实部,实数可比较大小,虚部系数亦可比较大小,但两个复数之间却不能比较大小。正确认识局部和整体的关系,对发展学生的辩证唯物主义数学观,培养学生的解决问题能力,有重要的教育价值。

一、在概念与命题教学中培养整体意识

1.把教学目标视为一个整体

课程目标所示的教学目标和要求,不是一系列单个教学目标和要求的叠加,也不能逐个孤立地落实和完成。它们是统一的、不可分割的整体。在基础知识、基本能力和数学思想方法三大范畴的教学要求之间,在代数、平面几何、立体几何、平面解析几何等分科之间,在各类数学思想方法之间,都存在极为密切的联系。在数学教学中,不能把某个目标,某项内容与其它目标,其它教学内容孤立、分割开来,只有不断深化对整体观点的认识,突出数学的内在联系,才能保证教学目标的整体实现。

为此,在备课时,教师先要进行整体性备课,即先通读大的教材,弄清每个学期、学年以至整个中学数学的教学目标和要求,然后,把每章、节的教学要求置于整体教学目标和要求中,这才能保证整体教学目标的逐步实现。

2.在概念教学中培养整体意识

(1)揭示概念之间的联系

数学概念和数学概念之间存在种种关系,如相容关系与不相容关系,相容关系中又有同一关系、包含关系和交叉关系,不相容关系又包含对立关系和矛盾关系等。弄清概念间的关系,它们的共性和个性,它们之间的联系和转化条件,是培养整体意识的重要途径。

(2)把握概念的发展线索

数学概念的发展反映了数学自身的需要,也反映了科学技术发展的要求。例如,数的概念包含了一系列子概念,如自然数,整数,有理数,实数,复数,等等。数概念的每一次扩张,都能解决数学自身的一些矛盾,扩张后的数系保持了原数系的许多性质,又具有一些原数系不具备的性质。如果在数的概念的教学中,教师能适当揭示数学发展的某些矛盾,使学生了解数系扩张的需要,这样,既能加深学生对数的概念的理解,又能全面把握数的概念发展的脉络,这对于培养学生的整体意识,帮助学生掌握数学的思想方法,能产生积极的作用。

(3)重视数学概念的整体性质