注重数学本质 提高数学素养(2)

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2021年03月03日 18:22
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教育家名言-我的好兄弟吉他谱

2021年3月3日发(作者:赵达裕)


注重数学本质



提高数学素养(


2





张奠宙



教授



数学教育家华东师范大学



唐彩斌



中学高级教师



浙江杭州现代小学数学教育研究中心



8




问题解决与应用题的教学



唐:在数学 新课程改革中,电视机前的老师会有很大的困惑,就是以


前特别熟悉的应用题不见了,取 而代之的是解决问题。这两者有怎样


的联系?我们应该怎样来处理传承与创新之间的关系 ?请张老师从


数学的角度谈谈这两者之间的关系。


< p>
张:数学问题分为两类,一类称为纯数学问题,像歌德巴赫猜想,另


一类称 为应用问题,像大学里有应用数学专业,可见应用问题是客观


存在,似乎不必回避。我们 反对的是过去小学数学中那些



矫揉造作



的远离现实,使学生得不到什么教育的应用题。



新的应用题,其情境更有真实性,方法上强调数学模型的建立。条件


可以 冗余,数据需要取舍,模型需要建立,结果需要验证。



像这一


些都是过去的应用题所缺乏的。



唐:张老师你也常常提起一个很典型的例子,就是弗赖登塔尔举过的

一个例子,你能否再给大家介绍一下。



张:对,这是我很 欣赏的一个例子,弗赖登塔尔可以说是


20


世纪最


伟大数学教育家,弗赖登塔尔有一个经典的问题:



昨夜外星人访问


我校,留下了一个巨大的手印(图),今夜他还要来,试问:我们给


他坐的椅子应该有多高?他用的新铅笔应该要多长?像这样的问题


很 现实,使我们每个学生都很感兴趣,但是它蕴含的数学思想又非常


深刻。尤其是体现比例 的思想,通过测量两只手大小的比值,按比例


放大,将比值用于设计椅子高度和铅笔长度 ,这是比、比例、相似等


数学本质的体现。像这样的问题就和过去的应用题有很大的区别 ,是


我们需要关注的。



唐:像这样的 问题既具有现实意义,又包含了很重要的数学思想。但


说起应用题与解决问题

< p>


还有一个著名的



船长 问题



不得不让我们重


提。

< p>


一条船上有


75


头牛,



32


头羊,



问船长几岁?



。记得这个题


目最早是张教授引进国内的。那时是怎样的一个背景情况?


< p>
张:当时我是在一个国际会议上面,见到法国的一个数学教育家,他


告诉我 在


1980


年前后,他们在法国进行调查。这本来是一道是不能


做的题目,可是在调查过程中发现他们学校的学生往往能够做出来,

因此法国的教育家说了一句很语重心长的话:



我们的学校 是不是把


孩子越教越笨了?



记得那年 我们在国内也选取一些学校做实验,结


果有近


90


%的学生得出来答案。学生都有这样的思想,就是老师出


的题目都是对的,都 是有答案的。




< br>对



当时我也是看到你的调查有一些新的启示

< p>


这么多年过去了,


现在的情况又是怎样的呢?所 以最近我们又做了一个调查



老师们可


以看一下屏幕上的表格,我们选择的调查对象既有二、三年级,也有


四、五、六年级的学 生,老师们可以从数据上发现,有


26.7


%的学


生是把两个数相加作为船长的年龄,还有


45.1


% 的同学通过两个数


相减得出船长的年龄。也就是说有超过


70< /p>


%的同学仅仅通过加减算


出来答案。


20


年过去了,张老师当你看到这一组数据时是一种什么


样的感觉?



答案



107




43




加减都做



其它答案



不能做



合计



18



19



39



46



28



150



2





1



1



1



5



17



7



27



10



11



72



21.6%



4



0



8



2



3



17



5.1%



45



55



84



82



67



333





六年级



4



五年级



29



四年级



9



三年级



23



二年级



24



合计



89



百分率



26.7%



45.1%



1.5%



张:这就是我们在应用题方 面的一个缺陷,认为什么题目都能算,都


有结果。其实我们应该能够区别哪些是数学问题 ,哪些不是数学问


题。数学问题要求揭示事物内在的数量关系,牛、羊数目和船长年龄< /p>


没有内在的关系,学生却盲目解答,明明不能做的题目,学生却非要


做,这就值得我们深思了。



唐:或许电视机前的老师也有这 样的好奇心,你不妨也去做一下这样


的试验,可能结果和你想象的有很大的不同。我们不 展开讨论关于解


决问题的教学,但是我们必须引起重视的是,解决数学问题应该是重


在分析内在的数量关系。而这些都是值得我们继续研究。



二、图形与几何领域问题的讨论



1


.小学几何学习内容的增加



唐:前面说了这么多数与代数的问题,接下来我们把目光转向图形的


领 域,在新课程改革过程中,我们发现在空间与几何的领域多了一些


新的内容?也常常出现 在一些公开课观摩课中



看来很受老师们的欢

< br>迎。为什么要增加了这些新的内容?



张:从大学数学的 观点来看,几何可以分成很多内容,具体说来,有


以下


5


个方面:首先是直观几何学,就是对平面图形,立体图形的


认识



还有一些求面积



体积的问题



属于度量几何



在新课标以前,


小学数学主要包括这两部分内容。后来我们发现,大学数 学的许多问


题,它的原始思是想非常简单,非常朴实的,和我们小学生的生活也


是密切相关的,所以后来我们就增加了三个方面的内容。第三就是演


绎几 何,比如说垂直,平行,线段,射线这些名词都属于演绎几何的


范畴。然后运动几何学的 一些基本的内容也加到了当中,最后我们发


现在中学、大学中经常出现的解析几何学,它 的坐标的思想也是非常


朴实、简单,大家所容易接受的,所以我们现在小学里也有了坐标 几


何学的内容。总体的看,小学里包括直观几何;度量几何;演绎几何

< br>学



运动几何学



坐标几何学



这五大块


。< /p>


从过去的两块扩大到五块,


扩大了我们几何学的视野和感受,是十 分有意义的改革。



唐:听了张老师刚才的讲解,我有一个即时 的一个想法,就是我们小


学数学是打基础的,就像造房子打地基一样,我们现在把每一个 方面


的地基都垒上来了,为他以后的学习打下了更好的基础。说起这

5


个方面的内容,再联系我们平时听到的一些课,我们就不难发现,如


果下次你再听到比如说不同的角度观察物体,比如说平移和旋转,比


如说确定 位置的时候,就便于把另外几个领域的几何联系起来了。不


过对于小学来说可能还是直观 几何最为基本



张老师你认为直观几何


学教学的重点是什么?



张:我想小学数学当中,直观几何最根 本的或者最核心的内容就是用


平面来描述立体。因为我们每个人所处的世界的事物都是立 体的,但


是我们看到的



画在教科书上 的都是平面的



因此



空间图形平面化,


通过平面图形想象空间物体是直观几何的重要内容

< p>


新课标里通过照


相机从



不同角度下拍摄照片



想象物体前后 位置就是新增的内容




过三视图科学 描述简单对象,也是如此。所以说我们通过平面来描述


立体的手段越来越多,角度也是多 种多样的。



唐:这样说来,就大大沟通了现实和数学之间的联 系。我们引导学生


观察三视图,就是希望学生从平面图形读出立体的形状;以培养学生< /p>


想象空间的能力。



2


.什么是长度、面积、体积



唐:在几何教学中,还有一些常见的概念,也常常引起一线教师的争


论 ,比如什么是长度?什么是面积?什么是体积?



张:人的概念 有两种,一种就是生活中自然形成的,比如说面积、体


积,大家都明白,但是要严格的定 义却很困难。你能说说小学是怎么


样定义这些概念的吗?



唐:小学教材中一般这样说:



物体表面或 平面封闭图形的大小叫面




,这样是 面积的定义吗?可以吗?



张:小学教材中


物体表面或平面图形的大小叫面积


,这些也只是对


面积的描述,不是严格的定义。因为总是先有面积定义,才有面积大


小。在严格的面积定义里不能出现



大 小



的词汇。但是对小学生,不


要讲究



面积



的严 格定义


(那是大学数学课程的内容)


。我们的任务


是在描述面积和体积之后,着重求一些几何图形的面积和体积。


< p>
唐:也就是说对于面积的严格定义不是重要的,重要的是我们的学生


会不会 求面积。当然我们也要知道长度、面积、体积是刻画图形大小


的度量。几何学起源于图形 大小的度量。根据图形的维数,把度量一


维图形大小的数称为长度,而将二维图形的大小 用面积来表示,体积


则是标志三维图形大小的数。线段长度是一切度量的出发点。



知道了关于面积的定义,我们再来讨论面积公式的推导。在常见的平


面图形面积推导的过程中,除了记住面积的计算公式,还有重要一种

数学思想方法的渗透:转化思想方法。例如,求平行四边形面积化为


求矩形面积,把 三角形的面积转化为求平行四边形或矩形面积等,学


习梯形和圆也是一样



所有新学图形的面积都可以由已学的图形面积


来推导 。这也是数学转化思想的具体体现。这在中国古代应该怎样称


谓。



张:这很重要,这也是中国古代数学


出入相补原理



的具体运用。这


种 化归的方法就是演绎几何的一部分



就像我们现在从正方形出发 到


矩形再到三角形这样一种化归的办法就是一种演绎的推理的方法




演绎几何在小学里的一种表现



现在我们有一个明确的说法叫做化归


的思想,这是逻辑框架里面 非常重要的一种。在演绎几何的领域里


面,学好化归的方法是非常重要的。



3


.平移、旋转和对称之间是什么关系





张老师讲到的古代数学中的


“< /p>


出入相补原理



一定会给大家很多的


启示,记得吴文俊老师就讲过我们古代数学的辉煌,或许有很多在我


们小学数学当中也会有所体现。刚才张老师所讲到思想方法,或许又


是值得我们老师探讨 的一个新的方面



在我们小学数学教学的过程当


中,除了知识和技能以外,我们又渗透率哪些思想方法,是值得我们


系列的展开 研究和讨论的。



唐:在小学里,为什么要学习平移,旋转和轴 对称这些知识?他们之


间有怎样的关系?


张:这就是我们刚才所说的第四块-运动几何学,小学里原来就有运


动。例如,平行 四边形面积,通过三角形的运动,拼成矩形,这就是


平移运动。面积在平移运动下面不变 ,同样,矩形旋转


90


度,面积


也是不 变的,这就是面积的特性。所以说运动对于我们小学老师来说


并不陌生,大家是经常在那 里使用的。



唐:


< br>知道了平移和旋转之后,为什么还要谈轴对称变换呢?这三者


之间有没有一种内在 的联系,能否举例说明。



张:我想比较详细的来说一说这件事 情。大家都知道平移和旋转的概


念,至于轴对称,我想大家也是很熟悉的,轴对称的图形 非常漂亮,


所以大家都很喜欢轴对称的图形


< br>这里要从数学上讲一讲它的原始的


价值。(


1

< p>
)一点到另一点的运动,要知道方向和距离;用平移就能


实现了。(


2


)如果是两根一样长的线段(火柴棒),先将一根火柴


移动过去,使得火柴头和火柴头重合,但是火柴尾不一定重合,还得


转一转才 行。(图)




3

)如果是两个一模一样的三角形


ABC



A’B’C’




如何看它们


运动过程呢?首先,平移运动使得


A



A’


重合,



然后转动,使得


AB



A’B’


重合。



这时可能三角形已经重合了,也可能 不重合,还


需要反射一下才行。(图)



因此,我们在平面上作运动,需要平移、旋转、轴对称三种不同的变


换。在小学里我们 要学习这三样东西,而这三样东西互相构成一个叫




刚体运动



,我们小学里面接触它还是很有必要 的。



唐:刚在张老师对这


3


个例子的讲解,把数学发生的很强的驱动性


体现出来了,不知电视机前的 老师是否听清楚了,我们不妨再来看一


下这三幅图。如果一点到另一点的运动,用平移就 能实现了。如果是


两根一样长的线段,还得转一转才能重合。如果是两个一模一样的三< /p>


角形,如何看它们运动过程呢?首先要平移,然后旋转一下。这时可


能三角形已经重合了,也可能不重合,还需要翻转一下才行。这样就


把平移、旋转和对 称联系在一起了。这部分内容的学习对后续学习有


什么作用?



张:因为这是最简单的运动,接下来还有


相似运动




< br>投影运动



等等,平面图形的很多的证明都需要依赖它。 运动几何学是一门很大


的学问,后续要学习的内容还有很多,但是我们在初步接触,对我 们


开阔几何的视野,了解几何的内容是很有帮助的。所以新课标把它列

< br>为小学数学的内容是很有见地,很有眼光的。



唐:说起 来还是为以后的学习打重要的基础。但是还有一个概念在我


们教学当中也是常常会碰到的 ,就是镜面对称是不是轴对称图形?



张:我看到有些教材或者 材料里面说镜面对称就是轴对称,我认为不


太妥当。因为轴对称都是在同一个平面当中的 两个图形,镜面对称的


两个图像不在一个平面内,所以不是平面上的轴对称图形。虽然二 者


有联系,但毕竟是不同的,我们不能混为一谈。



唐:对,就是有联系,但是也有区别。



4


.小学数学为什么要渗透平面坐标思想




小学数学的学习为什么要渗透平面坐标思想?从数学学 习的过程


和地位来看,它有怎样的地位和作用。



张:各位老师都学过解析几何,所以大家都知道笛卡尔发现解析几何


是数学上 一个巨大的进步、也是人类历史上一个重大的进步,所以我


们在小学中加入坐标几何的内 容是非常正确的



我想笛卡尔的重要贡


献,就是一个几何的对象,他可以用数来描写,而数所满足的关系就


是方程。我们小学里 面先学第一步,就是把坐标建立起来,并用数对



x

< p>


y


)来表示点。把坐标几何放到小学的学习内容 中,体现了随


着时代的进步,我们小学数学也在发展。



唐:可能电视机前的老师对于解析几何内容慢慢地有些淡忘了,通过


张 老师这么一说,我们也可以联系起我们教过的一些内容。比如说在


平面坐标这个领域当中 ,确定位置可能是我们首先要学的。那么我们


有的疑问就是坐标的核心思想就是确定位置 吗?



张:很多的教案都是到此为止,就是认为坐标就是确定位 置,这是第


一步要做的事情。笛卡尔当时发明坐标,并不是单纯的表示位置,坐


标表示位置更多的是地理学上的应用,大家知道,地理学要求用经纬


线确 定地球表面上的位置,而不是数学光要研究的问题。



数学课程


中用平面坐标系确定位置仅仅是学习坐标系知识的初步结果。



更重


要的是用坐标来表示几何图形。



例如,两个坐标一样的点,



形成一


条直线(


y=x


的图像),



两个坐标都小于或等于


10


的点,构 成一


个边长为


10


的正方形等等。所以 我们甚至建议,大家在讲完坐标之


后,让大家说一说两个坐标都一样的点是形成一个怎么 样的几何图


形,于是发现它是一条直线或者半直线。也可以问两个坐标都小于

< p>
3


的是一个怎样的图形啊,那肯定就是一个正方形。所以不要仅仅停留


在用坐标确定位置,应该稍微的引申开去。



唐:刚在张老师也举了两个例子,我们不妨也看看屏幕上的两个例


子:如果

< p>
x



y


的图像就是左边这 幅图,如果两个坐标都小于或等于


3


的,那么他构成的是一个边 长是


3


的正方形,我想用平面坐标不仅


能表示位置,而且能表示数学的对象。


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