基于多元方式的中學數(shù)學實驗教學設(shè)計

李業(yè)斌 王華

摘 要 中學數(shù)學實驗的主要作用是輔助數(shù)學教學，可以讓學生在動手實踐的過程中學習數(shù)學知識。概括開展數(shù)學實驗的必要性，介紹中學數(shù)學實驗中常見的四種設(shè)計類型，探討這四種設(shè)計類型的應(yīng)用方式。

關(guān)鍵詞 中學數(shù)學；實驗教學；數(shù)學軟件；MATLAB；幾何畫板；多媒體教學

中圖分類號：G633.6 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）13-0086-03

1 前言

說起數(shù)學，大家都不陌生，沒少被數(shù)學打擊過。一方面，數(shù)學是比較嚴謹?shù)膶W科，也就是人們常說的歐幾里得式的嚴謹教學；另一個方面，數(shù)學是一種創(chuàng)造性的科學，通俗地講，也就是一門實驗性的歸納學科[1]。因此，數(shù)學實驗就是數(shù)學的一個懵懂的側(cè)面，將抽象的數(shù)學進行修飾，使得原來枯燥無味的公式推導(dǎo)變成數(shù)據(jù)的海洋，更加的直觀，數(shù)據(jù)計算也會更加的真實。例如：作為文明古國之一的古希臘，就利用數(shù)學實驗測得了金字塔的高度；在我國，豐收完谷物之后都會將谷物堆積在一起，對如何計算堆積后的谷物的體積，我國古代人民就通過他們的智慧，利用數(shù)學實驗測得了；大數(shù)學家高斯利用尺規(guī)作圖法做出了正十七邊形；以及計算機利用數(shù)學實驗證明了“四色問題”。這些都是通過數(shù)學實驗的設(shè)計與應(yīng)用來解決實際的數(shù)學問題的突出例子。

2 開展數(shù)學實驗的必要性

究竟什么是數(shù)學實驗?zāi)?？對此很多人都有自己的看法，主要有以下幾種。

1）人們由于某種數(shù)學理論的創(chuàng)造，檢驗?zāi)硞€數(shù)學猜想，進而可以解決一些實際的問題，在數(shù)學思維的活動下，實驗者依靠技術(shù)等手段來證明數(shù)學理論。

2）數(shù)學實驗是指在一定的數(shù)學思想、數(shù)學理論的指導(dǎo)下，經(jīng)過一定的組織設(shè)計，并運用一定的物質(zhì)技術(shù)手段如儀器手段等進行數(shù)學化的操作，對客觀事物的量化特性進行觀察、量化、測試、仿真等，來解決數(shù)學問題[2]。

3）現(xiàn)代數(shù)學實驗引入了計算機系統(tǒng)，以正確的數(shù)學理論作為實驗原理，以簡單的人機交互方式或者較為復(fù)雜的程序方式，完成數(shù)學的計算、圖形的演示以及符號方面的計算等。如運用中國研制的世界上運算速度非常快的計算機“天河一號”[3]，通過計算機模擬仿真實驗，得出實驗結(jié)果，最后進行歸納總結(jié)，將結(jié)果以最常見的實驗報告的形式呈現(xiàn)給人們。

但是中學數(shù)學實驗運用在教材上卻不多，無論是教材還是教學方法，只是側(cè)重于演繹論證，根本不重視數(shù)學實驗對于解決數(shù)學問題的重要性。舉例子說明一下。從前人們計數(shù)都是掰手指頭，接著發(fā)展為用算盤來算數(shù)，到現(xiàn)在用計算機來進行計算，這都是一個數(shù)學的實驗過程。中學數(shù)學教學在人的教學中起基礎(chǔ)性作用，因此，數(shù)學實驗理應(yīng)成為促進學生發(fā)展的一種手段。中學數(shù)學實驗是一種古典實驗法和新技術(shù)支持下的實驗法的結(jié)合，它是一種有目的的實驗手段，需要預(yù)先的組織和設(shè)計才能發(fā)揮它的優(yōu)勢，得出令人信服的答案。

教學實踐證明，一堂成功的數(shù)學實驗課往往比幾節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)學課要學得更多，教學中讓學生動手，既能夠?qū)W到一些數(shù)學知識概念原理，又可以培養(yǎng)學生的動手能力，自己得出數(shù)據(jù)自己證明，提高學生的邏輯思維能力。對數(shù)學實驗進行一種合理的分類，可以分成驗證式、分析模擬式、探索構(gòu)建式、操作理解式[4]，這幾種方式的作用是不同的。

3 常見的數(shù)學實驗教學設(shè)計方式

中學數(shù)學實驗主要就是用來輔助教學，并且將實踐帶進數(shù)學課堂中去，它就會用到很具體的策略方法，如建立可重復(fù)性的歸納實驗，充分利用多樣的實驗手段，要充分考慮學生對于實驗工具和實驗手段的熟練程度；教學組織形式還是要選擇討論交流的方式，使學生的思維更加縝密，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力。下面對幾種中學數(shù)學實驗進行設(shè)計。

驗證式數(shù)學實驗設(shè)計 驗證式的數(shù)學實驗歸根結(jié)底就是讓學生自己動手做實驗，來檢測自己學過的數(shù)學相關(guān)知識理論和方法，又或者是做出一般猜測的正確與否，這樣就可以培養(yǎng)學生動手的能力[5]，使其獲得自信。通過運用實驗技術(shù)儀器，對得出的數(shù)學結(jié)果進行驗證歸納總結(jié)，因此，這種驗證式的數(shù)學實驗是讓學生對問題的答案的正確與錯誤有了全新的認識。

傳統(tǒng)的數(shù)學問題解決只能讓學生根據(jù)自己的邏輯判斷正確或者錯誤，而在驗證式數(shù)學實驗中，可以讓學生采用實驗方法驗證判斷和猜測。如證明圓的一般方程的充要條件，還有圓錐曲線的軌跡問題的驗證，都可以很好地運用數(shù)學實驗來得到驗證和解決。下面舉個驗證式數(shù)學實驗設(shè)計的例子。

【問題】若logm5>logn5（m，n>0，且m≠1，n≠1），討論m，n的大小關(guān)系。

【實驗設(shè)計步驟】

1）讓學生根據(jù)掌握的關(guān)于對數(shù)方面的知識，獨立地完成這個問題。

2）利用一定的數(shù)學軟件的計算和繪圖功能，如MATLAB等軟件或者TI圖形處理器、幾何畫板、Z+Z智能軟件，輸入符合自己運算結(jié)果的m，n數(shù)據(jù)，最后來驗證結(jié)果。

3）用計算機來繪制出y=logx5的圖像，如圖1所示，利用呈現(xiàn)出來的圖像信息，確定m，n，0，1的位置，進而判斷大小。

4）最后修正答案，對于一些看起來就錯誤的答案要及時篩出，寫出問題的正確結(jié)果。

從圖1所示圖像中可以利用其函數(shù)的單調(diào)性來確定m，n的大小，對于自己得出來的結(jié)論還需要進行驗證，對得出的錯誤結(jié)果還需要進行反思。數(shù)學中的函數(shù)還有很多很多，光靠人工手畫，很多方面都是很難完成的。但是由于有了數(shù)學實驗的加入，可以更好地利用數(shù)學軟件強大的繪圖功能，就很好解決這些難題了。數(shù)學實驗為學生提供了一個新的平臺，為學生處理問題提供了一個新途徑、新方法，為學生反思自己的數(shù)學推理過程提供了技術(shù)支撐。

分析模擬式數(shù)學實驗設(shè)計 有一些數(shù)學問題，本身特別復(fù)雜，無法用準確的語言來將它表達出來，因此引入多媒體教學，用圖畫圖標直觀地表示出來，從而得出有規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)，并對這些規(guī)律做出判斷、預(yù)測。而在中學數(shù)學教學過程中，如動態(tài)規(guī)劃問題、參數(shù)問題，還有極其常見的軌跡問題，都可以用分析模擬式數(shù)學實驗來解決。下面通過舉例來說明。

【問題】冪函數(shù)的圖像及其性質(zhì)。

【數(shù)學實驗原理】函數(shù)的基本性質(zhì)及冪函數(shù)的定義。

【實驗過程】利用計算機自帶的繪圖儀，或者通過第三方軟件如MATLAB等，將自己設(shè)計的實驗步驟畫出冪函數(shù)的圖像（如圖2所示），并且根據(jù)圖像及學習冪函數(shù)的時候歸納出來的性質(zhì)，得出冪函數(shù)的性質(zhì)，完成實驗報告。

從圖2的冪函數(shù)圖像可以很容易地看出函數(shù)的單調(diào)性，在圖像中可以看到這個函數(shù)恒過一點（1，1），并且在（0，1）這個區(qū)間上和一次函數(shù)y=x大致重合。學生可以根據(jù)自己的實驗來觀察這個結(jié)果，這是一個團結(jié)協(xié)作的過程，也可以從實踐的過程中得出一定的數(shù)學學習經(jīng)驗。學生之間可以相互幫助、相互學習、取長補短，不斷地提高自己解決問題的能力。

通過這個實例可以很好地看出由數(shù)學實驗代替了黑板書寫，由一種比較枯燥的教學方式變得更加的有吸引力與創(chuàng)新性，讓數(shù)學學習起來更加輕松。

探索建構(gòu)式數(shù)學實驗設(shè)計 現(xiàn)階段出現(xiàn)一種新的數(shù)學實驗，把它稱作探索建構(gòu)式數(shù)學實驗。這種實驗對學生要求比較嚴格，學生需要具備一定的數(shù)學能力，并且養(yǎng)成合作探究的好習慣，才可以充分地開展下去。歸根結(jié)底是讓學生在沒有教師的情況下，可以通過自己或者小組觀察、計算來建立一定的數(shù)學思維模型，還可以充分借鑒前人的思想來進行總結(jié)，擴展知識與能力，大力培養(yǎng)探索精神。

【問題】直線和雙曲線有無交點問題：

已知雙曲線x2-y2=4，這個雙曲線它過一個定點（2，0），問直線l何時與雙曲線只有一個公共點？

【實驗過程】通過在計算機上繪制曲線和直線，就可以很清楚地看到一個公共交點的時刻。教師需要教給學生一定的操作方法，對于學生不理解的地方，可以將這個問題一般化：設(shè)一個參數(shù)，如P點，這個P點就是直線和雙曲線的交點?？梢詫W生分成若干組，讓他們分組討論P點的選取位置。這時候討論出來的P點肯定是雜亂無章的，但是這些結(jié)論都是學生經(jīng)過深刻討論得出來的，甚至經(jīng)過了親自探索，有一定的實踐意義。這也很好地表明，數(shù)學實驗啟發(fā)了學生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)了探究學習的主動性。

操作理解式實驗設(shè)計 這一種設(shè)計模式主要是教師全程參與，對實驗對象的條件進行觀察、理解、測量，最后進行歸納演繹，從而得出數(shù)學的真理。這一設(shè)計模式的主要特點就是學生將已知的數(shù)學材料作為實驗材料，對其做“數(shù)字化”分析，從而產(chǎn)生對于數(shù)學定理進行證明的愿望。下面舉例說明應(yīng)用。

【問題】求體積的設(shè)計。

【實驗形式】4～7人為一組，團結(jié)協(xié)作。

【實驗原理】利用分割和組合的方法對幾何體進行轉(zhuǎn)化；圓柱以及圓錐的體積公式。

【實驗材料】紙，乒乓球，繩子，尺子等。

【實驗步驟】

1）用紙和乒乓球組合成同底等高的圓錐和圓柱體。

2）想一想沙子是用來干什么的？自己動手并思考。

3）自己探索，得出體積公式，并觀察這幾個體積公式之間有什么關(guān)系。

4）由教師指導(dǎo)，根據(jù)實驗過程，驗證一開始的猜想，然后寫出操作過程。

通過這個實驗，學生了解到圓柱和圓錐體的體積公式有很多表達形式，然后還可以觀察到同底等高的圓柱、圓錐以及半球的體積計算公式，根據(jù)這些公式來確定它們之間的關(guān)系，然后按照教師的步驟去驗證和證明，培養(yǎng)了個性以及創(chuàng)造力。

4 結(jié)語

實驗教學就是培養(yǎng)學生創(chuàng)造力與動手能力的過程。教師讓學生自己去設(shè)計實驗，去驗證自己的猜想，然后加以誘導(dǎo)，讓他們按照給的步驟去證明數(shù)學原理的正確性，體現(xiàn)出多樣化的學習過程，對于提高學生的數(shù)學能力具有重要意義。

參考文獻

[1]張倩，單忠德，鄒愛玲，等.基于ANSYS Workbench的裝載機動臂結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].煤礦機械，2015，36（9）：288-290.

[2]韓晶.中學數(shù)學實驗的內(nèi)容與實踐[J].長治學院學報，2014，31（5）：107-109.

[3]田敏.利用“數(shù)學實驗”促進課堂教學“隱性目標”的實現(xiàn)[D].濟南：山東師范大學，2008.

[4]周亮.中學數(shù)學研究性實驗教學初探[D].武漢：華中師范大學，2008.

[5]劉濤.信息技術(shù)與中學數(shù)學教學整合的探索與思考[D].大連：遼寧師范大學，2007.