中国数学网


小学数学 初中数学 高中数学 数学新闻


漫谈小学数学思想及其在教学中的渗透


摘要:数学思想是从某些具体数学认识过程中提炼和概括,在后继的认识活动中被反复证实其正确性,带有一般意义和相对稳定的特征。在小学数学教育中有意识地向学生渗透一些基本数学思想方法是提高学生数学能力和思维品质的重要手段,是数学教育中实现从传授知识到培养学生分析问题、解决问题能力的重要思维活动,且它本身也蕴涵了情感素养的熏染。这点也是新课程标准充分强调的。

关键词:数学思想;渗透;符号思想;类比思想;分类思想;方程与函数思想;建模思想。

数学思想是从某些具体数学认识过程中提炼和概括,在后继的认识活动中被反复证实其正确性,带有一般意义和相对稳定的特征。它揭示了数学发展中普遍的规律,对数学的发展起着指引方向的作用,它直接支配着数学的实践活动,是数学的灵魂。而数学方法则体现了数学思想,在自然辩证法一书的导言中,恩格斯叙述了笛卡儿制定了解析几何,耐普尔制定了对数,来布尼茨和牛顿制定了微积分后指出:“最重要的数学方法基本上被确定了”,对数学而言,可以说最重要的数学思想也基本上被确定了。

《九年制义务教育全日制小学数学课程标准》(试验稿)提出:“学生通过学习,能够获得适应未来社会生活和进一步发展所必需的重要数学知识以及基本的数学思想方法。”因此,在小学数学教学阶段有意识地向学生渗透一些基本数学思想方法可以加深学生对数学概念、公式、定理、定律的理解,是提高学生数学能力和思维品质的重要手段,是数学教育中实现从传授知识到培养学生分析问题、解决问题能力的重要途径,也是小学数学教学进行素质教育的真正内涵之所在。在小学阶段,数学思想主要有符号思想、类比思想、分类思想、方程与函数思想、建模思想等。

一、符号思想

西方较早地在数学研究中引进了符号,十六世纪数学家韦达对数学符号作了很多改进,并且第一个有意识地系统地用字母表示已知数、未知数及其乘幂,带来了代数学研究的重大拓展,奠定了符号代数的基础,后来大数学家笛卡儿对韦达使用的字母又作了改进。用符号化的语言(包括字母、数字、图形和各种特定的符号)来描述数学的内容,这就是符号思想。在数学中各种量的关系,量的变化以及量与量之间进行推导和演算,都是用小小的字母表示数,以符号的浓缩形式来表达大量的信息,如乘法分配律(a+b)×c=a×c+b×c,这里的a、b、c不仅可以表示1、2、3,也可以表示4、5、6、7……长方形的面积计算公式s=a×b,不管世界上有多少个不同的长方形,都可用它计算出来。又如在“有余数的除法”教学中,最后出现一道思考题:“六一”联欢会上,小明按照3个红气球、2个黄气球、1个蓝气球的顺序把气球串起来装饰教室。你能知道第24个气球是什么颜色的吗?解决这个问题,学生可以有多种方法。如,用书写简便的字母a、b、c分别表示红、黄、蓝气球,则按照题意可以转化成如下符号形式:aaabbc aaabbc aaabbc……从而可以直观地找出气球的排列规律,并推出第24个气球是蓝色的。

上例所分析的这些都是符号思想的具体体现,它们将所有的数据实例集为一体,把复杂的语言文字叙述用简洁明了的字母公式表示出来,便于记忆,便于运用,正如华罗庚所说的“数学的特点是抽象,正因为如此,用符号表示就更具有广泛的应用性与优越性”。这种用符号来体现的数学语言是世界性语言,是一个人数学素养的综合反映。

把客观存在的事物和现象及它们相互之间的关系抽象概括为数学符号和公式,有一个从具体到表象再抽象符号化的过程,小学生在数学学习中,从接受到运用会遇到较多的困难,需要教师在平时地教学中,从介绍字母使用的历史入手,循循善诱,加强培养和训练。

二、类比思想

数学上的类比思想是指依据两类数学对象的相似性,有可能将已知的一类数学对象的性质迁移到另一类数学对象上去的思想,它能够解决一些表面上看似复杂困难的问题。就迁移过程来分,有些类比十分明显、直接、比较简单,如由加法交换律a+b=b+a的学习迁移到乘法分配律a×b=b×a的学习;而有些类比需在建立抽象分析的基础上才能实现,比较复杂。

例如有这么一道数学奥林匹克竞赛题:某科学考察组进行科学考察,要越过一座山。上午8时上山,每小时行3千米,到达山顶时休息1小时。下山时,每小时行5千米,下午2时到达山底。全程共行了19千米。上山和下山的路程各是多少千米?分析:此题表面上看似一道行程问题,但实质上只不过是一道典型的“鸡兔同笼”问题的变化题型。其特征是:

(1)已知两种事物的单值:上山速度为3千米;下山速度为5千米。

(2)已知这两种不同事物的总个数:除去休息1小时的5小时;全程19千米。

(3)要求的是这两种不同事物的个数:上山和下山的时间各是多少?可见此题的解答方法与"鸡兔同笼"问题的解答方法完全相同。假设5小时都是上山时间,则共走路程为3×5=15(千米),比实际走的19千米少了19-15=4(千米),原因是由于把下山时间也当作了上山时间,则下山时间为4÷(5-3)=2(小时)。从而可以推出下山路程是5×2=10(千米),上山路程是19-10=9(千米)。当然我们也可以假设5小时都是下山时间来类推求解。数学中所有公式定理的运用就是类比思想的直接反映。

目前,小学数学教材中类比思想的内容很多,杂志上发表得较多的某些定理,问题的延伸,推论,拓广也是类比思想的反映,这就要求教师去发掘去实施,如长方形的面积公式为长×宽=a×b,通过类比,三角形的面积公式也可以理解为长(底)×宽(高)÷2=a×b(h)÷2。类似的,圆柱体体积公式为底面积×高,那么锥体的体积可以理解为底面积×高÷。类比思想不仅使数学知识容易理解,而且使公式的记忆变得顺水推舟得自然和简洁,从而可以激发起学生的创造力,正如数学家波利亚所说:"我们应该讨论一般化和特殊化和类比的这些过程本身,它们是获得发现的伟大源泉。"

三、分类思想

数学中每一个概念都有其特有的本质特征,它又是按照一定的规律扩展变化的,它们之间都存在着质变到量变的关系。要正确的认识这些概念,就需要具体的概念依据具体的标准具体分析,这就是数学的分类思想,是指按某种标准,将研究地数学对象分成若干部分进行分析研究。

一般我们分类时要求满足互斥,无遗漏、最简便的原则。如整数以能否被2整除为例,可分为奇数和偶数;若以自然数的约数个数来分类,则可分为质数、合数和1。几何图形中的分类更常见,如学习"角的分类"时,涉及到许多概念,而这些概念之间的关系渗透着量变到质变的规律。其中几种角是按照度数的大小,从量变到质变来分类的,由此推理到在三角形中以最大一个角大于、等于和小于90°为分类标准,可分为钝角三角形、直角三角形和锐角三角形。而三角形以边的长短关系为分类标准,又可分为不等边三角形和等边三角形,等边三角形又可分为正三角形和等腰三角形。不同的分类标准会有不同的分类结果,从而产生新的数学概念和数学知识的结构。 由于分类讨论,一则在学习数学的过程中,学生潜移默化地受到了辨证唯物主义思想的启蒙教育;又一则对学生能力有明显的区别功能,再加上现实世界需要分类研究的普遍性,作为一种数学思想必然会引起人们的重视。

例如在教学多位数读写法后,设计了这样一道开放题:下面五张卡片上分别写有数字0、0、1、2、3,可以利用它们组成许多不同的五位数,求所有五位数的平均数。分析:以最高位上的数字为标准,把所有能组成的五位数分成三类,再依从小到大的顺序列表如下。

(1)10023 (2)20013 (3)30012
10032 20031 30021
10203 20103 30102
10230 20130 30120
10302 20301 30201
10320 20310 30210
12003 21003 31002
12030 21030 31020
12300 21300 31200
13002 23001 32001
13020 23010 32010
13200 23100 32100

这36个数的平均数,万位上的数字是2,可由(1+2+3)÷3=2确定,其他数位上的数字都是1,可由(1+2+3)×6÷36=1确定。平均数是21111。

四、方程和函数思想

在已知数与未知数之间建立一个等式,把生活语言“翻译”成代数语言的过程就是方程思想。笛卡儿曾设想将所有的问题归为数学问题,再把数学问题转化成方程问题,即通过问题中的已知量和未知量之间的数学关系,运用数学的符号语言转化为方程(组),这就是方程思想的由来。

在小学阶段,学生在解应用题时仍停留在小学算术的方法上,一时还不能接受方程思想,因为在算求解题时,只允许具体的已知数参加运算,算术的结果就是要求未知数的解,在算术解题过程中最大的弱点是未知数不允许作为运算对象,这也是算术的致命伤。而在代数中未知数和已知数一样有权参加运算,用字母表示的未知数不是消极地被动地静止在等式一边,而是和已知数一样,接受和执行各种运算,可以从等式的一边移到另一边,使已知与未知之间的数学关系十分清晰,在小学中高年级数学教学中,若不渗透这种方程思想,学生的数学水平就很难提高。例如稍复杂的分数、百分数应用题、行程问题、还原问题等,用代数方法即假设未知数来解答比较简便,因为用字母x表示数后,要求的未知数和已知数处于平等的地位,数量关系就更加明显,因而更容易思考,更容易找到解题思路。在近代数学中,与方程思想密切相关的是函数思想,它利用了运动和变化观点,在集合的基础上,把变量与变量之间的关系,归纳为两集合中元素间的对应。数学思想是现实世界数量关系深入研究的必然产物,对于变量的重要性,恩格斯在自然辩证法一书有关“数学”的论述中已阐述得非常明确:“数学中的转折点是笛卡儿的变数,有了变数,运动进入了数学;有了变数,辨证法进入了数学;有了变数,微分与积分也立刻成为必要的了。”数学思想本质地辨证地反映了数量关系的变化规律,是近代数学发生和发展的重要基础。在小学数学教材的练习中有如下形式:

6×3=          20×5=          700×800=

60×3=         20×50=         70×800=

600×3=        20×500=        7×800=

有些老师,让学生计算完毕,答案正确就满足了。有经验的老师却这样来设计教学:先计算,后核对答案,接着让学生观察所填答案有什么特点(找规律),答案的变化是怎样引起的?然后再出现下面两组题:

45×9=         1800÷200=

15×9=         1800÷20=

5×9=          1800÷2=

通过对比,让学生体会“当一个数变化,另一个数不变时,得数变化是有规律的”,结论可由学生用自己的话讲出来,只求体会,不求死记硬背。研究和分析具体问题中变量之间关系一般用解析式的形式来表示,这时可以把解析式理解成方程,通过对方程的研究去分析函数问题。中学阶段这方面的内容较多,有正反比例函数,一次函数,二次函数,幂指对函数,三角函数等等,小学虽不多,但也有,如在分数应用题中十分常见,一个具体的数量对应于一个抽象的分率,找出数量和分率的对应恰是解题之关键;在应用题中也常见,如行程问题,客车的速度与所行时间对应于客车所行的路程,而货车的速度与所行时间对应于货车所行的路程;再如一元方程x+a=b等等。 学好这些函数是继续深造所必需的;构造函数,需要思维的飞跃;利用函数思想,不但能达到解题的要求,而且思路也较清晰,解法巧妙,引人入胜。

五、建模思想

目前,由世界著名数学家和数学教育家弗赖登塔尔提出的“现实数学教育”观点得到国际数学教育界的普遍认同,也为广大数学教师所接受。这一思想表明,一则学校数学具有现实的性质,数学来源于现实生活,再运用到现实生活中去;二则学生应该用现实的方法学习数学,即学生通过熟悉的现实生活,自己逐步发现和得出的数学结论。这就意味着数学课程的应用性和实践性成为国际数学课程改革的一个基本趋势。

例如美国数学教师协会1989数学课程标准和2000年标准的基本特点之一都是强调数学应用;荷兰从60年代起就开始了现实数学教育的改革历程,到90年代初,几乎所有的荷兰中小学生都已经在使用根据现实数学教育思想编写的数学课本,注重培养学生数学应用意识与实践能力;日本的数学课程设置了综合课题学习,同样也体现了数学知识综合应用的关注。这一系列实际上强调的是一种数学建模思想。

所谓数学模型是对于现实世界的某一特定研究对象,为了某个目的,在作了一些必要的简化和假设之后运用适当的数学工具,并通过数学语言表达出来的一个数学结构。而数学建模思想就是把现实世界中有待解决或未解决的问题,从数学的角度发现问题、提出问题、理解问题,通过转化过程,归结为一类已经解决或较易解决的问题中去,并综合运用所学的数学知识与技能求得解决的一种数学思想和方法。

数学中的各种基本概念都以各自相应的现实模型作背景。如自然数集是用以描述离散数量的模型;各类几何图形也都是从现实中抽象出来的数学模型。那些基本的数学模型使我们能对与之联系的实际问题,举一反三,触类旁通。

例如在平面图形面积一章复习中,设计了这样一个综合学习课题:自主运用已学图形为自己的房间进行简单的镶嵌设计。

学生能顺利解决问题,关键在于理清各种平面图形之间的知识联系,在教学中,可以建立一个平面求积的模型S=ab,从长方形求积公式出发推导出正方形、平行四边形、三角形、梯形、圆形的求积公式,沟通了各平面图形的内在联系;同时又随着相关边长的变化,展示出这些平面图形可以相互转化。学生学会了建模,有顿悟之感。

在此基础上,进一步让学生通过探索平面图形的镶嵌,知道三角形、四边形或者正六边形可以镶嵌平面,然后自行设计房间镶嵌方案。在这整个过程中,强调了数学学习经历“问题情境──建立模型──分类求解──解释与应用”的基本过程,引导学生主动参与、亲身实践、独立思考、合作探究,实现了学习方式的转变,改变了单一的记忆、接受、模仿的被动学习方式,发展了学生搜集和处理信息的能力,以及交流与合作的能力。

当然,在数学教育中,加强数学思想和数学方法的渗透不只是单存的思维活动,它本身就蕴涵了情感素养的熏染。而这一点在传统的数学教育中往往被忽视了。我们在强调学习知识和技能的过程和方法的同时,更加应该关注的是伴随这一过程而产生的积极情感体验和正确的价值观。《标准》把“情感与态度”作为四大目标领域之一,与“知识技能”、“数学思考”、“解决问题”三大领域相提并论,这充分说明新一轮的数学课程标准改革对培养学生良好的情感与态度的高度重视。它应该包括能积极参与数学学习活动,对数学有好奇心与求知欲。在数学学习活动中获得成功的体验,锻炼克服困难的意志,建立自信心。初步认识数学与人类生活的密切联系及对人类历史发展的作用,体验数学活动充满着探索与创造,感受数学的严谨性以及数学结论的确定性,形成实事求是的态度以及进行质疑和独立思考的习惯。另一方面引导学生在学习知识的过程中,学会合作学习,培养探究与创造精神,形成正确的人格意识。

现代数学思想方法的内涵极为丰富,诸如还有集合思想、极限思想、优化思想、统计思想、猜想与证明等等,小学数学教学中都有所涉及。我们广大小学数学教师要做教学有心人,有意渗透,有意点拨,重视数学史的渗透,重视课堂教学小结,要以适应小学生年龄特点的大众化、生活化方式呈现教学内容,让学生通过现实活动,主动参与、自主探究,学会用数学思维方法提出问题、分析问题、解决问题,从而让学生的数学思维能力得到切实、有效地发展,进而提高全民族的数学文化素养。

主要参考文献:

1. 《九年制义务教育全日制小学数学课程标准》(试验稿)

2. 和学新,《新一轮基础教育课程改革解读》,《教学与管理》2002-2-1

3. 徐斌艳,《“现实数学教育”中基于情境性问题的教学模式分析》,《外国教育资料》2000-4

4.孔企平,《近年来国际数学课程改革的若干趋势》,《外国教育资料》2000-6


相关内容:

面对这样的小学二年级数学题 你有多大自信?
小学数学开放题的研究与实践
小学数学实践活动教学初探
浅析信息技术在小学数学课堂中的实践和思考
情感教学在小学数学教学中的体现与应用
在小学数学教学中关注学生的学习爱好与兴趣
在新理念下小学数学命题的改革趋向
实施新课标探索小学数学课堂评价
信息技术与小学数学课程整合的研究与实践
浅谈小学数学教学媒体改革