注重数学本质 提高数学素养(2)
教育家名言-我的好兄弟吉他谱
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。
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
p>
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
,
还有一个著名的
“
船长
问题
”
不得不让我们重
提。
“
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?
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。
唐
:
< br>对
,
当时我也是看到你的调查有一些新的启示
,
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
岁
43
岁
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
p>
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
。
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
。
通
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?
p>
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
积
”
,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。
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
,
是
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
唐
:
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
p>
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
)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
和
A’B’C’
,
如何看它们
运动过程呢?首先,平移运动使得
A
和
A’
重合,
然后转动,使得
AB
和
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
做
“
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
唐
:
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
,
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
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
p>
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
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。