立足数学课堂,发展数学抽象素养

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  摘 要:数学抽象是数学最基本的思维方式之一,数学的本质特征在于它的抽象,抽象素养作为高中数学核心素养之一,是教师与学生需要关注的重要内容。我们需要通过有效的教学过程,使学生亲历抽象思维历程,提高数学思维能力,通过抽象问题本质,教会学生自主学习,独立思考,达到培养学生核心素养的目的。
  关键词:核心素养;数学抽象;数形结合;归纳类比
  《普通高中数学课程标准》(2017年版)这样界定数学核心素养中的“数学抽象”:“数学抽象是指通过对数量关系与空间形式的抽象,得到数学研究对象的素养,主要包括:从数量与数量关系、图形与图像关系中抽象出数学概念及概念之间的关系,从事物的具体背景中抽象出一般规律和架构,并用数学语言予以表征”数学抽象主要表现为:获得数学概念和规则,提出数学命题和模型,形成数学方法与思想,认识数学结构与体系”.
  一、数形结合,把相关数学知识抽象成知识体系
  例如在新教材高中数学必修一第二章第三节《二次函数与一元二次方程、不等式》,本节课的重难点是二次函数与一元二次方程、不等式的联系,借助二次函数求解一元二次不等式。
  笔者观摩了两位新教师的常规课,这两位新教师着重强调解一元二次不等次的口诀记忆,在二次项系数为正的前提下,“大于取两边,小于取中间”,利用一元二次不等式与方程的根的关系快速解一元二次不等式。笔者认为这样的教学设计过于急于求成,应当在课堂中引导学生去发现规律和本质,提升数学抽象能力。
  在初中,学生学过了从一元一次函数观点看解一元一次方程、不等式,知道了解一元一次方程ax+b=0(a≠0)可以归结为在一次函数y=ax+b(a≠0)的函数值为0时,求自变量x的值,解一元一次不等式ax+b>0或ax+b<0(a≠0)相当于在一次函数y=ax+b的值大于0或者0时,求自变量x的取值范围。
  学生观察讨论容易得出方程的实数根就是函数图象与x轴交点的横坐标。方程的根是从“数”的角度研究问题,而函数的图象与x轴交点是从“形”的角度研究问题,正体现了数形结合思想。让学生从已知抽象出未知,辨别他们之间的联系,使知识结构体系更完整,提高学生数学抽象的能力。
  希尔伯特在《直观几何》序言里说:要帮助我们的学生学会用图形来描述和刻画问题,要帮助学生学会用图形去发现解决问题的思路。”
  高中学生的数学抽象能力还比较弱,特别是刚进入高中阶段学习的学生,尽管初中也学习了不少数学概念,但对抽象的数学符号还存在认识的障碍,如果在解决问题时辅之以直观,就能够帮助学生了解题意,从而为顺利解决问题扫除障碍。这样的直观需要表达出来,数学抽象素养的提升就隐含其中了。
  二、归纳类比,培养抽象概括能力
  不少定理、公式及其证明都离不开归纳类比,教师在课堂教学中要适当引导和渗透,使学生逐步感知并运用好这一方法培养抽象概括能力。因此,归纳类比的过程,是培养学生抽象概括能力的过程。
  例如笔者在上选修2-1第二章第二节《椭圆的简单几何性质》习题课时,讲到椭圆的“伪直径”问题时,先从初中学过的圆的性质讲起:直径所对的圆周角是直角。
  表示如下:线段AB为圆的直径,C为圆上异于AB的一点,在保证AC、BC所在的直线斜率存在且不为0的前提下,有kAC·kBC=-1。我们可以引导学生思考这样一个问题:
  已知A、B為椭圆C:上关于原点对称的两点,且点C为椭圆上除点A、B以外的任意一点,在保证AC、BC所在的直线斜率存在且不为0的前提下,kAC·kBC会不会也是一个定值呢?
  我们可以证明猜想如下:设点A(m,n),B(-m,-n),C(x0,y0),由A、B、C三点均在椭圆上可得,两式相减并变形得到,则,由此可证。并且可以看出当a=b时椭圆变圆,与圆的性质一致。
  再讲到椭圆的“中点弦”问题时,我们可回顾初中学习的圆的垂径定理的推论:平分弦(不是直径)的直径垂直于弦。表示如下:
  B为圆O的一条弦(不是直径),M为线段AB的终点,在OM、AB所在的直线斜率存在且不为0的前提下,有kOM·kAB=-1。我们可以引导学生思考如下问题:
  已知A、B是椭圆上与0不在同一条直线上的两点,M为线段AB的终点,那么在OM、AB所在的直线斜率存在且不为0的前提下,kOM·kAB会不会也是一个定值呢?
  我们可以证明猜想如下:
  设A(x1,y1),B(x2,y2),M(x0,y0),由已知可得①,②,③,④。
  由点差法①-②得,,变形得,将③④式带入上式即,从而得到,即证。同样,这样的类似性质我们可以在双曲线中得到论证。
  通过上述案例可以发现,在同级类比中,通过教师的引导,使学生证明出了新的结论,从而提高了学生的抽象概括能力,从而发展了学生的数学抽象素养。
  新课标研制组负责人史宁中教授指出,提升学生的数学核心素养,也就是引导学生会用数学眼光观察世界,会用数学思维思考世界,会用数学语言表达世界。新课标指出,提升高中学生的数学核心素养,不仅要促进学生思维能力、实践能力和创新意识的发展,而且要引导学生探索事物的变化规律,增强社会责任感,在学生形成正确人生观、价值观、世界观等方面发挥独特作用。数学抽象作为核心素养之一,值得广大教师在课堂中予以关注。
  参考文献
  [1]中华人民共和国教育部.普通高中数学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.1.
  [2]钟一鸣.基于核心素养下数学抽象的教学设计-----以“集合的概念为例”[J].数学教学通讯,2020(3):27--28.
  [3]张永明.高中生数学抽象概括能力培养的途径与策略[J].数学学习与研究,2015(05).
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