何萍 趙安順
[摘? 要] 文章通過(guò)課例,探討了課堂教學(xué)實(shí)踐落實(shí)直觀想象核心素養(yǎng)培養(yǎng)的途徑:(1)用問(wèn)題串驅(qū)動(dòng)有邏輯的思考,樹(shù)立“用圖形”的意識(shí);(2)問(wèn)題引領(lǐng)感知空間位置變化,體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)變化對(duì)應(yīng)思想;(3)聚焦核心問(wèn)題驅(qū)動(dòng)深度思維,積累數(shù)形結(jié)合活動(dòng)經(jīng)驗(yàn).
[關(guān)鍵詞] 問(wèn)題驅(qū)動(dòng);直觀想象;核心問(wèn)題
直觀想象是中學(xué)階段六大數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)之一. 直觀想象是指借助幾何直觀和空間想象感知事物的形態(tài)與變化,利用圖形理解和解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的過(guò)程. 主要包括:借助空間認(rèn)識(shí)事物的位置關(guān)系、形態(tài)變化與運(yùn)動(dòng)規(guī)律;利用圖形描述和分析數(shù)學(xué)問(wèn)題;建立形與數(shù)的聯(lián)系;構(gòu)建數(shù)學(xué)問(wèn)題的直觀模型,探索解決問(wèn)題的思路. 參照《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》和高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組提出的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的基本成分,直觀想象分為空間觀念和幾何直觀. 對(duì)于幾何直觀而言,建立形與數(shù)的聯(lián)系是幾何直觀的內(nèi)核,要以此為基礎(chǔ)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)形結(jié)合思想方法在問(wèn)題解決過(guò)程中的應(yīng)用. 對(duì)于空間想象而言,要在問(wèn)題解決過(guò)程中增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用圖形和空間想象思考問(wèn)題的意識(shí),促進(jìn)直觀想象核心素養(yǎng)的形成. 那么課堂教學(xué)怎么實(shí)踐落實(shí)直觀想象核心素養(yǎng)的培養(yǎng)呢?下面以“平行線專題復(fù)習(xí)”為例,加以探討.
“平行線專題復(fù)習(xí)”教學(xué)實(shí)踐
1. 內(nèi)容和內(nèi)容解析
本節(jié)課的主要內(nèi)容是在學(xué)習(xí)角平分線、平行線判定和性質(zhì),以及二元一次方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行平行線專題復(fù)習(xí). 這是初中階段學(xué)生初步接觸平面幾何,培養(yǎng)幾何思維習(xí)慣,樹(shù)立應(yīng)用圖形解決問(wèn)題的觀念,形成直觀想象思維能力的關(guān)鍵時(shí)刻. 基于學(xué)生培優(yōu)的需要,根據(jù)上述分析,本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)確定為:在具體情境中運(yùn)用平行線知識(shí)解決問(wèn)題,體驗(yàn)數(shù)形結(jié)合思想.
2. 目標(biāo)和目標(biāo)解析
(1)通過(guò)在具體情境中解決問(wèn)題,復(fù)習(xí)平行線知識(shí),構(gòu)建知識(shí)框架圖.
(2)通過(guò)應(yīng)用圖形解決問(wèn)題,體驗(yàn)分類思想,體會(huì)方程模型思想和數(shù)形結(jié)合思想,感受運(yùn)動(dòng)變化對(duì)應(yīng)思想,發(fā)展直觀想象思維能力.
3. 教學(xué)片段呈現(xiàn)
環(huán)節(jié)1:觀察圖形,搭建知識(shí)框架,感受數(shù)形聯(lián)系.
活動(dòng)1:如圖1,AB∥CD,定點(diǎn)E,F(xiàn)分別在直線AB,CD上,平行線AB,CD之間有一動(dòng)點(diǎn)P,滿足0°<∠EPF<180°,則∠AEP,∠EPF,∠PFC滿足怎樣的數(shù)量關(guān)系?
(教師沒(méi)有讓學(xué)生直接求值,而是先提出幾個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)思考,問(wèn)題如下)
問(wèn)題1:點(diǎn)P在平行線之間運(yùn)動(dòng),它的運(yùn)動(dòng)范圍是怎樣的?在這個(gè)過(guò)程中,∠AEP,∠EPF,∠PFC滿足怎樣的數(shù)量關(guān)系?(復(fù)習(xí)平行線性質(zhì),并引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察圖形認(rèn)識(shí)事物運(yùn)動(dòng). 當(dāng)學(xué)生只給出點(diǎn)P在直線EF左側(cè)時(shí)的答案時(shí),教師繼續(xù)引導(dǎo))
問(wèn)題2:點(diǎn)P在平行線之間運(yùn)動(dòng),這三個(gè)角還有沒(méi)有可能存在其他數(shù)量關(guān)系?(繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注圖形變化,啟發(fā)點(diǎn)P的位置變化會(huì)引起三個(gè)角的數(shù)量關(guān)系的變化. 待學(xué)生解答完整后,教師拖動(dòng)幾何畫板讓學(xué)生觀察圖形變化與數(shù)量變化的聯(lián)系)
教師小結(jié):兩直線平行,可得到同位角、內(nèi)錯(cuò)角、同旁內(nèi)角的數(shù)量關(guān)系,同樣地,已知這些角的數(shù)量關(guān)系,也可以判定兩直線平行,這說(shuō)明線的位置關(guān)系與角的數(shù)量關(guān)系存在關(guān)聯(lián).
環(huán)節(jié)2:運(yùn)用圖形,感悟分類依據(jù),感受對(duì)應(yīng)變化思想.
活動(dòng)2:如圖2,AB∥CD,定點(diǎn)E,F(xiàn)分別在直線AB,CD上,在平行線AB,CD之間有一動(dòng)點(diǎn)P,滿足0°<∠EPF<180°,QE,QF分別平分∠PEB和∠PFD.
(1)若∠EPF=60°,則∠EQF=______;
(2)猜想∠EPF與∠EQF的數(shù)量關(guān)系,并說(shuō)明理由;
(3)當(dāng)∠EPF+∠EQF=________時(shí),∣∠EPF-∠EQF∣=________.
(教師沒(méi)有直接呈現(xiàn)第(1)問(wèn),而是先在圖1中添加∠PEB和∠PFD的平分線,然后提出問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考,問(wèn)題如下)
問(wèn)題1:當(dāng)點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)到一個(gè)位置時(shí),點(diǎn)Q對(duì)應(yīng)著也運(yùn)動(dòng)到一個(gè)位置,一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)角度,那么當(dāng)∠EPF取一個(gè)值時(shí),對(duì)應(yīng)的∠EQF也會(huì)取一個(gè)值. 運(yùn)動(dòng)點(diǎn)P,使得∠EPF=60°,此時(shí)對(duì)應(yīng)的∠EQF為多少度?(引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注圖形的變化,初步感受對(duì)應(yīng)變化思想,接著呈現(xiàn)第(1)問(wèn))
學(xué)生解得∠EQF=150°后,教師針對(duì)分類遺漏的難點(diǎn)繼續(xù)提問(wèn)啟發(fā)觀察.
問(wèn)題2:點(diǎn)P在平行線之間移動(dòng),滿足∠EPF=60°的位置除了這一個(gè),還有第二個(gè)位置嗎?請(qǐng)你指出來(lái).(學(xué)生畫出了第二個(gè)位置,教師繼續(xù)啟發(fā)觀察)
問(wèn)題3:你還能畫出第三個(gè)位置嗎?這樣的位置有多少個(gè)?(學(xué)生回答:無(wú)數(shù)個(gè))
問(wèn)題4:這無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)形成了怎樣的圖形?(有幾個(gè)學(xué)生叫出來(lái):弧形)
教師用幾何畫板拖動(dòng)點(diǎn)P在平行線之間運(yùn)動(dòng),直觀呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡,出現(xiàn)兩條圓弧,啟發(fā)學(xué)生關(guān)注,并將問(wèn)題“點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)為什么會(huì)形成兩條圓弧”作為課后興趣題拓展,然后繼續(xù)提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生思考.
問(wèn)題5:這無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)P,都使得∠EPF=60°,那么對(duì)應(yīng)的∠EQF都是150°嗎?(引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注圖形,直觀想象點(diǎn)P的位置變化引起∠EQF的變化,在求得∠EQF的另一個(gè)值為30°的情況下,教師繼續(xù)追問(wèn))
問(wèn)題6:在這無(wú)數(shù)個(gè)位置中,∠EQF的值只有這兩種情況嗎?你認(rèn)為是什么原因使得∠EQF的值發(fā)生變化?如果讓你來(lái)分類,會(huì)分成幾類?是哪幾類?(啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用圖形將點(diǎn)P分成在EF左邊和EF右邊兩種情況)
教師小結(jié):點(diǎn)的位置變化往往是產(chǎn)生分類的重要依據(jù).
問(wèn)題7:當(dāng)點(diǎn)P在平行線之間運(yùn)動(dòng)時(shí),相對(duì)于P點(diǎn)的其他位置,你還能求得對(duì)應(yīng)的∠EQF的值嗎?(學(xué)生舉了當(dāng)∠EPF=40°時(shí),∠EQF=160°或20°的例子,這時(shí)有學(xué)生舉手,提出了問(wèn)題8)
問(wèn)題8:我想探究∠EPF與∠EQF的數(shù)量關(guān)系.(教師順勢(shì)呈現(xiàn)第(2)問(wèn))
學(xué)生很快求得兩種情況下的數(shù)量關(guān)系:∠EPF+2∠EQF=360°或∠EPF=2∠EQF. 教師繼續(xù)提出問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生探索.
環(huán)節(jié)3:聯(lián)想圖形,構(gòu)建方程模型,體驗(yàn)數(shù)形結(jié)合思想.
問(wèn)題1:當(dāng)點(diǎn)P在EF左邊時(shí),有∠EPF+2∠EQF=360°,這是我們非常熟悉的二元一次方程,它有多少個(gè)解?當(dāng)添加條件“∠EPF=60°”時(shí),就得到了二元一次方程組,我們就能求出∠EQF的值了. 現(xiàn)在改變添加的條件,即當(dāng)∠EPF+∠EQF等于多少度時(shí),能確定∠EPF,∠EQF的值?(教師呈現(xiàn)第(3)問(wèn))
學(xué)生添加了以下幾種情況:①當(dāng)∠EPF+∠EQF=150°時(shí),∣∠EPF-∠EQF∣=50°;②當(dāng)∠EPF+∠EQF=210°時(shí),∣∠EPF-∠EQF∣=90°或70°;③當(dāng)∠EPF+∠EQF=300°時(shí),∠EPF,∠EQF不存在. 教師提出問(wèn)題繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生思考.
問(wèn)題2:當(dāng)添加的值不同時(shí),為什么有的時(shí)候存在,有的時(shí)候不存在;有的時(shí)候有一個(gè)解,有的時(shí)候有兩個(gè)解?它們分別對(duì)應(yīng)了哪一種圖形?你能不能確定當(dāng)∠EPF+∠EQF取哪些值時(shí),解是存在的?取哪些值時(shí),只有一個(gè)解?取哪些值時(shí),有兩個(gè)解?(啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想圖形,運(yùn)用圖形解決問(wèn)題)
學(xué)生運(yùn)用圖形猜測(cè)出幾個(gè)關(guān)鍵位置,從而歸納出:當(dāng)0°<∠EPF+∠EQF≤180°時(shí),有1個(gè)解;當(dāng)180°<∠EPF+∠EQF<270°,有2個(gè)解;當(dāng)∠EPF+∠EQF≥270°時(shí),無(wú)解. 教師接著提出問(wèn)題3作為課后思考題.
問(wèn)題3:如果∠EQF用∠EPF的代數(shù)式表示,那么∠EPF+∠EQF就可以轉(zhuǎn)化為用∠EPF的代數(shù)式表示,我們由∠EPF的取值范圍,是不是可以求出∠EPF+∠EQF的取值范圍?如果能,請(qǐng)寫出解決問(wèn)題的過(guò)程.
環(huán)節(jié)4:概括小結(jié),運(yùn)用數(shù)形結(jié)合思想.
教師呈現(xiàn)本節(jié)課的復(fù)習(xí)框圖(圖3),總結(jié):在動(dòng)點(diǎn)問(wèn)題中,首先觀察圖形的變化,點(diǎn)的位置的變化是產(chǎn)生分類的重要依據(jù),可以用方程(組)數(shù)學(xué)模型刻畫數(shù)量關(guān)系,運(yùn)用圖形建立數(shù)與形的聯(lián)系是問(wèn)題解決的重要方法.
教師布置思考題:如圖4,AB∥CD,定點(diǎn)E,F(xiàn)分別在直線AB,CD上,在平行線AB,CD所在的平面上有一動(dòng)點(diǎn)P,滿足0°<∠EPF<180°,QE,QF分別平分∠PEB和∠PFD,猜想∠EPF與∠EQF的數(shù)量關(guān)系,并說(shuō)明理由.
問(wèn)題驅(qū)動(dòng)思維,生成直觀想象
核心素養(yǎng)
著名數(shù)學(xué)家和數(shù)學(xué)教育家M·克萊因認(rèn)為:“數(shù)學(xué)不是依靠在邏輯上,而是依靠在正確的直觀上. ”國(guó)內(nèi)學(xué)者史寧中也認(rèn)為,在大多數(shù)情況下,數(shù)學(xué)的結(jié)果是“看”出來(lái)的,而不是“證”出來(lái)的. 這種“看”的能力依賴于直觀想象. 直觀想象本質(zhì)上是一種基于圖形展開(kāi)想象的思維能力;是發(fā)現(xiàn)和提出數(shù)學(xué)問(wèn)題、分析和解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的重要手段,是探索和形成論證思路、進(jìn)行邏輯推理、構(gòu)建抽象結(jié)構(gòu)的思維基礎(chǔ). 直觀想象集中體現(xiàn)在利用幾何直觀與空間想象解決數(shù)學(xué)問(wèn)題上,因此,用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)思維,在數(shù)學(xué)問(wèn)題的解決過(guò)程中將問(wèn)題表征、圖式構(gòu)建與學(xué)生思維有機(jī)結(jié)合,能生成直觀想象核心素養(yǎng).
1. 用問(wèn)題串驅(qū)動(dòng)有邏輯的思考,樹(shù)立“用圖形”的意識(shí)
意識(shí)上引起對(duì)圖形的關(guān)注是生成直觀想象的首要條件. 可用教學(xué)內(nèi)容和創(chuàng)設(shè)情境提出的內(nèi)在邏輯關(guān)系的一系列問(wèn)題,去推動(dòng)學(xué)生借助圖形展開(kāi)有邏輯的思考,以此樹(shù)立學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)“用圖形”的意識(shí). 問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)過(guò)程展開(kāi)的內(nèi)在邏輯關(guān)系如圖5. 首先,創(chuàng)設(shè)在兩條平行線之間存在動(dòng)點(diǎn)P,求∠AEP,∠EPF,∠PFC的數(shù)量關(guān)系的情境. 學(xué)生通過(guò)觀察圖形,在運(yùn)用平行線的性質(zhì)獲得三個(gè)角的數(shù)量關(guān)系的過(guò)程中,初步體會(huì)動(dòng)點(diǎn)的位置變化引起數(shù)量關(guān)系的變化,引出繼續(xù)探索點(diǎn)的位置關(guān)系與角的數(shù)量關(guān)系. 在添加兩條角平分線后,通過(guò)求特殊情況“當(dāng)∠EPF=60°,求∠EQF的值”,進(jìn)一步引出“產(chǎn)生不同數(shù)量關(guān)系與什么有關(guān)”,即“如何分類”這一核心問(wèn)題,想象P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡,觀察、運(yùn)用圖形,歸納在無(wú)數(shù)個(gè)滿足∠EPF=60°的點(diǎn)P的位置中,只存在兩種角的不同數(shù)量關(guān)系,從而感受分類的依據(jù),并進(jìn)一步運(yùn)用圖形,探索一般情況下∠EPF與∠EQF的數(shù)量關(guān)系,從而得到關(guān)于∠EPF與∠EQF的二元一次方程. 接著,為了確定∠EPF,∠EQF的值,在學(xué)生自主探究∠EPF+∠EQF取哪些值的活動(dòng)中,再次聯(lián)想運(yùn)用圖形,驗(yàn)證存在性問(wèn)題. 在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中,通過(guò)有層次的、有機(jī)聯(lián)系的一系列問(wèn)題,將教學(xué)內(nèi)容逐步展開(kāi),每一個(gè)教學(xué)內(nèi)容緊緊圍繞著“基于圖形展開(kāi)想象”的思維活動(dòng),體會(huì)運(yùn)用圖形想象、思考問(wèn)題的作用,感受數(shù)與形結(jié)合運(yùn)用的價(jià)值,樹(shù)立“用圖形”解決問(wèn)題的意識(shí).
2. 問(wèn)題引領(lǐng)感知空間位置變化,體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)變化對(duì)應(yīng)思想
借助空間認(rèn)識(shí)事物的形態(tài)與變化,用問(wèn)題引領(lǐng)感知空間位置變化,體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)變化對(duì)應(yīng)思想,是培養(yǎng)直觀想象核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容. 從內(nèi)容性問(wèn)題出發(fā),我們要思考“教什么”“如何走向深刻”. 根據(jù)本課的選題,從平行線的知識(shí)出發(fā),在探究角的數(shù)量關(guān)系中,通過(guò)例題的三個(gè)問(wèn)題引導(dǎo),經(jīng)歷了從特殊到一般,從方程思想到函數(shù)思想的過(guò)程,又滲透了函數(shù)與方程的關(guān)系,能幫助學(xué)生真正理解相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的同時(shí),讓學(xué)生體驗(yàn)到運(yùn)動(dòng)變化對(duì)應(yīng)思想. 站在運(yùn)動(dòng)變化的高度認(rèn)識(shí)事物,認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)教學(xué),高屋建瓴,既能為后續(xù)學(xué)習(xí)做鋪墊,也能為今后進(jìn)一步在復(fù)雜情境中探索事物的位置關(guān)系、形態(tài)變化與運(yùn)動(dòng)規(guī)律積累直觀想象經(jīng)驗(yàn).
3. 聚焦核心問(wèn)題驅(qū)動(dòng)深度思維,積累數(shù)形結(jié)合的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)
數(shù)學(xué)教育的主要任務(wù)應(yīng)是促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展,特別地,應(yīng)通過(guò)教師的教學(xué)幫助學(xué)生逐步學(xué)會(huì)更清晰、更深入、更全面、更合理地進(jìn)行思考. 因此,問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)中要關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題:一是學(xué)科層面的本原問(wèn)題,二是教學(xué)層面的核心問(wèn)題. “核心問(wèn)題指向所學(xué)知識(shí)的本質(zhì),通過(guò)它,學(xué)生能理解所學(xué)知識(shí)的要點(diǎn). 核心問(wèn)題是整合數(shù)學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵和重點(diǎn),其他問(wèn)題由它派生出來(lái),并與它有著內(nèi)在的邏輯聯(lián)系,通過(guò)它,學(xué)生能實(shí)現(xiàn)知識(shí)的整體建構(gòu);核心問(wèn)題是思考的動(dòng)力,是知識(shí)學(xué)習(xí)的大綱. 提煉核心問(wèn)題,要在知識(shí)理解的關(guān)鍵. ”核心問(wèn)題是基于本原問(wèn)題又超越本原問(wèn)題的一種課堂呈現(xiàn),教師根據(jù)因材施教的原則挖掘出核心問(wèn)題,既有利于發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,也有助于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性. 課堂上呈現(xiàn)的是顯性的教學(xué)組織上的核心問(wèn)題,但是背后的支撐離不開(kāi)對(duì)學(xué)科本原性問(wèn)題的準(zhǔn)確把握. 聚焦核心問(wèn)題,關(guān)注“教什么”“如何走向深刻”,思考“怎么教”“如何走向生動(dòng)”,驅(qū)動(dòng)學(xué)生深度思維,積累數(shù)形結(jié)合的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),是生成直觀想象核心素養(yǎng)的必要途徑.
本課選題來(lái)源于初中階段的動(dòng)態(tài)幾何問(wèn)題教學(xué). 動(dòng)態(tài)幾何問(wèn)題教學(xué)的核心問(wèn)題應(yīng)該是,通過(guò)某個(gè)動(dòng)點(diǎn)問(wèn)題的解決,提煉、歸納出動(dòng)點(diǎn)問(wèn)題的一般思考方法,使學(xué)生掌握舉一反三解決問(wèn)題的能力,并獲得思考數(shù)學(xué)問(wèn)題的一般結(jié)構(gòu)和方法. 基于初一學(xué)生的認(rèn)知能力和水平,選取“如何分類”作為本課的核心問(wèn)題,以平行線為載體,通過(guò)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),教會(huì)學(xué)生思考. 首先,清晰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和路徑;然后,清晰哪些量引起了圖形或數(shù)量關(guān)系的變化,找到變化中的規(guī)律,即不變的本質(zhì);最后,構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行解決. 為了解決核心問(wèn)題,教師不停地“挑起事端”:點(diǎn)P在平行線之間運(yùn)動(dòng),它的運(yùn)動(dòng)范圍是怎樣的?點(diǎn)P在平行線之間運(yùn)動(dòng),這三個(gè)角還有沒(méi)有可能存在其他數(shù)量關(guān)系?點(diǎn)P在平行線之間移動(dòng),滿足∠EPF=60°的位置除了這一個(gè),還有第二個(gè)位置嗎?你還能畫出第三個(gè)位置嗎?這樣的位置有多少個(gè)?這無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)形成了怎樣的圖形?這無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)P,都使得∠EPF=60°,那么對(duì)應(yīng)的∠EQF都是150°嗎?在這無(wú)數(shù)個(gè)位置中,∠EQF的值只有這兩種情況嗎?你認(rèn)為是什么原因使得∠EQF的值發(fā)生變化?如果讓你來(lái)分類,會(huì)分成幾類?是哪幾類?這些問(wèn)題能讓學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)并提出核心問(wèn)題,能充分運(yùn)用圖形進(jìn)行思考,形成自己對(duì)問(wèn)題的想法,充分表達(dá)自己的想法,傾聽(tīng)、捕捉?jīng)_突點(diǎn),引發(fā)思維碰撞,主動(dòng)探索數(shù)量關(guān)系,體驗(yàn)數(shù)形結(jié)合思想.