李平香 林運(yùn)來(lái)
(1.三明市第二中學(xué),福建三明 365000;2.廈門大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué),福建漳州 363123)
“核心素養(yǎng)”是適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.如何將“核心素養(yǎng)”轉(zhuǎn)化為學(xué)生看得見(jiàn)用得上的素質(zhì)能力?章建躍博士指出:根據(jù)核心素養(yǎng)與數(shù)學(xué)學(xué)科特征,應(yīng)抓住整體性、系統(tǒng)思維和單元教學(xué)等關(guān)鍵詞.實(shí)施單元教學(xué)能有效地把整體性教學(xué)和系統(tǒng)思維的培養(yǎng)融為一體[1].數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一是“數(shù)學(xué)思考”.“思考”是指“進(jìn)行比較深刻、周到的思維活動(dòng)”[2];“思考”是思維的一種探索活動(dòng),“思考”的核心是“思考力”,“思考力”則是在思維過(guò)程中產(chǎn)生的一種具有積極性和創(chuàng)造性的作用力.2014年,呂傳漢教授提出“教思考、教體驗(yàn)、教表達(dá)”的“三教”教育理念,呂教授指出,“教思考”旨在讓學(xué)生學(xué)會(huì)“想數(shù)學(xué)”,促進(jìn)學(xué)生思辨能力的培育[3].在物理學(xué)中,力具有三個(gè)基本要素:大小、方向、作用點(diǎn);在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中,思考力同樣離不開三個(gè)基本要素:大小、方向、作用點(diǎn)[4].
在“整體—局部—整體”的單元教學(xué)方式中,前一個(gè)“整體”是先行組織者,是章節(jié)學(xué)習(xí)的“導(dǎo)游圖”,主要呈現(xiàn)研究一個(gè)數(shù)學(xué)對(duì)象的概要思路、普適性的思想方法、解決問(wèn)題的策略等,從宏觀上解決“學(xué)什么”“怎么學(xué)”“為什么學(xué)”等問(wèn)題,讓學(xué)生能始終保持正確的路徑和明確的方向;中間的“局部”是前一個(gè)“整體”中給出的研究方案的具體化,即對(duì)具體的每個(gè)知識(shí)進(jìn)行研究;后一個(gè)“整體”是在分課時(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的歸納、總結(jié),不僅要完善本單元的知識(shí)結(jié)構(gòu),更要建立與相關(guān)知識(shí)的聯(lián)系,從而使學(xué)生形成結(jié)構(gòu)功能良好、遷移能力強(qiáng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[1].在日常教學(xué)實(shí)踐中,教師往往對(duì)中間“局部”階段的課時(shí)教學(xué)比較重視、擅長(zhǎng),對(duì)前后兩個(gè)“整體”階段的教學(xué)比較吃力,感到“實(shí)力不足”“底氣不夠”.本文以“圓錐曲線的方程”一章的教學(xué)為例,談?wù)勅绾伟l(fā)揮“核心概念”“基本套路”“思想方法”等數(shù)學(xué)的內(nèi)在力量,引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)思考力的“大小”“方向”和“作用點(diǎn)”.
思考力的大小取決于思考者掌握的關(guān)于思考對(duì)象的知識(shí)量和信息量的大小,如果沒(méi)有相關(guān)的知識(shí)和信息,就不可能產(chǎn)生相關(guān)的思考活動(dòng).一般情況下,知識(shí)量和信息量越大,思考的維度就越加具體、全面和完整[4].按“整體—局部—整體”的方式進(jìn)行單元教學(xué),中間的“局部”是前一個(gè)“整體”的細(xì)化,是“由薄到厚”的過(guò)程,即循序漸進(jìn)地對(duì)數(shù)學(xué)對(duì)象的內(nèi)涵與要素、概念的定義和表示、分類、性質(zhì)、特例等展開研究,通過(guò)“如何歸納、抽象概念”“如何發(fā)現(xiàn)值得研究的問(wèn)題”“如何研究性質(zhì)”“如何找到證明的方法”等引導(dǎo),使學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)地認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的具體方法[1].后一個(gè)“整體”教學(xué)是在“局部”學(xué)習(xí)之后,更深入地揭示知識(shí)的聯(lián)系與融合,是“由厚到薄”的過(guò)程.在后一個(gè)“整體”教學(xué)過(guò)程中,教師要立足系統(tǒng)思維,發(fā)揮核心概念(即大概念:是人們?cè)谔骄课镔|(zhì)及其變化本質(zhì)的過(guò)程中所形成的高度抽象的思維產(chǎn)物,它具有統(tǒng)領(lǐng)具體概念和事實(shí)概念的作用[5])的力量架設(shè)知識(shí)聯(lián)結(jié)、融合的通道,將習(xí)得的知識(shí)形成網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建功能良好、遷移能力強(qiáng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu).利用核心概念的統(tǒng)領(lǐng)、紐帶、橋梁、延展作用,在知識(shí)發(fā)展的內(nèi)在邏輯中,自然地增強(qiáng)學(xué)生思考力的大小.
在“圓錐曲線的方程”單元教學(xué)中,利用“運(yùn)算”“距離”“角度”“斜率”等核心概念得到了大量的結(jié)論,在這些“局部”的具體研究基礎(chǔ)上,還需用系統(tǒng)論的方法對(duì)教材中具有內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)性的內(nèi)容進(jìn)一步地提煉概括,建立聯(lián)系方式,打通融合渠道,在形成整體認(rèn)識(shí),建構(gòu)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的知識(shí)體系過(guò)程中,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考.[6]下面以聯(lián)通橢圓定義教學(xué)設(shè)計(jì)為例:
1.“距離之和”定義:課本對(duì)平面內(nèi)到兩個(gè)定點(diǎn)的距離之和、距離之差為常數(shù)的點(diǎn)的軌跡作了重點(diǎn)研究,詳細(xì)探究了平面內(nèi)兩個(gè)定點(diǎn)F1,F(xiàn)2,一個(gè)動(dòng)點(diǎn)M,若常數(shù),則動(dòng)點(diǎn)M的軌跡是什么曲線?若為常數(shù),則動(dòng)點(diǎn)的軌跡是什么曲線?還可以引導(dǎo)學(xué)生與“距離之商”“距離之積”為常數(shù)時(shí),動(dòng)點(diǎn)M的軌跡進(jìn)行比較區(qū)別.
在推導(dǎo)橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程的過(guò)程中,通過(guò)代數(shù)恒等變形,變換距離類型,實(shí)現(xiàn)距離轉(zhuǎn)化,將橢圓的“距離之和”定義與“距離之比”定義建立聯(lián)系,打通融合渠道.
1.“斜率之積”定義:課本第108頁(yè)例3,如圖1,設(shè)A,B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(-5,0),(5,0),直線AM,BM相交于點(diǎn)M,且它們的斜率之積是,求點(diǎn)M的軌跡方程.
第116頁(yè)第11題,如圖2,矩形ABCD中,|AB|=2a,|BC|=2b(a>b>0).E,F(xiàn),G,H分別是矩形四條邊的中點(diǎn),R,S,T是線段OF的四等分點(diǎn),R′,S′,T′是線段CF的四等分點(diǎn).
證明直線ER與GR′、ES與GS′、ET與GT′的交點(diǎn)L,M,N都在橢圓上.
圖1
圖2
第146頁(yè)第11題,已知△ABC的兩個(gè)頂點(diǎn)A(-5,0),B(5,0),且AC,BC所在直線的斜率之積等于m(m≠0),試探求頂點(diǎn)C的軌跡.同時(shí),課本還與斜率之和、斜率之差、斜率之商的軌跡作比較(課本第146頁(yè)習(xí)題第9題,第139頁(yè)習(xí)題第11題,第109頁(yè)練習(xí)第4題).
在推導(dǎo)橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程的過(guò)程中,通過(guò)代數(shù)恒等變形,把“距離”向“斜率”轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)橢圓的“距離定義”與“斜率定義”相聯(lián)系,建立融合通道.
1.壓縮圓:課本第108頁(yè)例2,如圖3,在圓x2+y2=4上任取一點(diǎn)P,過(guò)點(diǎn)P作x軸的垂線段PD,D為垂足.當(dāng)點(diǎn)P在圓上運(yùn)動(dòng)時(shí),線段PD的中點(diǎn)M的軌跡是什么?
2.拉伸圓:課本第115頁(yè)習(xí)題第9題,如圖4,DP⊥x軸,點(diǎn)M在DP的延長(zhǎng)線上,且當(dāng)點(diǎn)P在圓x2+y2=4上運(yùn)動(dòng)時(shí),求點(diǎn)M的軌跡方程,并說(shuō)明軌跡的形狀.與例2相比,你有什么發(fā)現(xiàn)?
3.同心圓:如圖5,平面上有兩個(gè)同心圓,半徑分別為a,b(a>b>0),大圓上有動(dòng)點(diǎn)A,半徑OA與小圓交于B,AN⊥x于N,BM⊥AN于M,則M的軌跡是什么?并與用“壓縮圓”的方式得到橢圓作比較.
4.圓+中垂線:課本第115頁(yè)習(xí)題第6題,如圖6,圓O的半徑為定長(zhǎng)r,A是圓O內(nèi)一個(gè)定點(diǎn),P是圓O上任意一點(diǎn),線段AP的垂直平分線l和半徑OP相交于點(diǎn)Q,當(dāng)點(diǎn)P在運(yùn)動(dòng)時(shí),點(diǎn)Q的軌跡是什么?為什么?
5.過(guò)定點(diǎn)的動(dòng)圓+定圓+內(nèi)切:如圖7,平面內(nèi)過(guò)半徑為2a的定圓F1內(nèi)一定點(diǎn)F2且與定圓F1相切的動(dòng)圓圓心M的軌跡是什么?
6.動(dòng)圓+兩內(nèi)含定圓+內(nèi)外切:課本第115頁(yè)習(xí)題第10題,一動(dòng)圓與圓x2+y2+6x+5=0外切,同時(shí)與圓x2+y2-6x-91=0內(nèi)切,求動(dòng)圓圓心的軌跡方程,并說(shuō)明它是什么曲線.
圖3
圖4
圖5
圖6
圖7
1.截圓錐:再讀課本章前語(yǔ),如圖8,用平面去截圓錐,截口曲線什么時(shí)候是橢圓、雙曲線、拋物線?
2.截圓柱:如圖9,用一個(gè)與圓柱母線斜交的平面截圓柱,截口曲線是橢圓.
圖8
3.拓展學(xué)習(xí):比利時(shí)數(shù)學(xué)家Dandelin用雙球把“截口曲線定義”,如圖9、圖10,與“距離定義”建立聯(lián)系,統(tǒng)一了橢圓的定義.
上述教學(xué)立足系統(tǒng)思維,通過(guò)“距離”“斜率”等解析幾何學(xué)科核心概念,以及“圓”“圓錐”“圓柱”等基本圖形,結(jié)合“運(yùn)算”“伸縮”“垂直”“相切”“截口”等具體方法,借助“核心概念”的強(qiáng)大力量將教材中出現(xiàn)的各種橢圓定義之間建立通道聯(lián)系,并通過(guò)對(duì)比區(qū)別不同,在橢圓定義發(fā)展的道路上,引導(dǎo)學(xué)生從“見(jiàn)木”到“見(jiàn)林”的過(guò)程中,構(gòu)建知識(shí)體系、積累可以遷移的研究經(jīng)驗(yàn),并能用類比的方法學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)相似的其他圓錐曲線,進(jìn)而在圓錐曲線定義發(fā)展的內(nèi)在邏輯中,增強(qiáng)思考力的大小.
圖9
圖10
思考是一種有目的性、有計(jì)劃性的思維活動(dòng),漫無(wú)目的地思考難以發(fā)揮強(qiáng)有力的思考力,常常會(huì)把思考引進(jìn)死胡同,無(wú)果而終.因此,思考需要具有價(jià)值導(dǎo)向的思路引領(lǐng),使思考更有目的性、方向性和一致性.所以,目的性、方向性、一致性和價(jià)值導(dǎo)向,決定著思考的角度和向度[4].所謂的“套路”是指精心策劃的應(yīng)對(duì)某種情況的方式方法,使用該方式方法的人,往往已經(jīng)對(duì)該方式方法熟練掌握,并且形成條件反射,邏輯上傾向于慣性使用這種應(yīng)對(duì)方法以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的情況,心理上往往產(chǎn)生對(duì)此方法的依賴性[7].以“問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)習(xí)”已成為數(shù)學(xué)教學(xué)的基本原則,教師如何通過(guò)“問(wèn)題研究”讓學(xué)生發(fā)展邏輯思維能力,學(xué)會(huì)思考呢?章建躍博士指出:依靠研究問(wèn)題的“基本套路”.研究問(wèn)題的“基本套路”的邏輯圖,如圖11,這就是“基本套路”.在教學(xué)中,如果一有機(jī)會(huì)就引導(dǎo)學(xué)生以這個(gè)邏輯圖為指導(dǎo)展開思考活動(dòng),那么經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期熏陶,就能使學(xué)生在潛移默化中養(yǎng)成一種思考習(xí)慣[8].因此,教師要立足系統(tǒng)思維,善于發(fā)揮“基本套路”的力量,設(shè)計(jì)思考脈絡(luò),在問(wèn)題研究的邏輯思維中,引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)思考力的方向性.
在“圓錐曲線的方程”單元學(xué)習(xí)中,有許許多多的“二級(jí)結(jié)論”,如何發(fā)現(xiàn)這些結(jié)論呢?波利亞指出:“一個(gè)專心認(rèn)真?zhèn)湔n的教師能夠拿出一個(gè)有意義但又不太復(fù)雜的題目,去幫助學(xué)生挖掘問(wèn)題的各個(gè)側(cè)面,通過(guò)這道試題就好比通過(guò)一道門戶,把學(xué)生引入一個(gè)完整的理論領(lǐng)域”.發(fā)揮“基本套路”的力量,設(shè)計(jì)研究問(wèn)題的思路,是引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入“這個(gè)完整的理論領(lǐng)域”的有效途徑.
圖11
圖12
在“聯(lián)通橢圓定義”教學(xué)中,不論是從“距離”“斜率”等核心概念角度,還是從“圓”“圓錐”“圓柱”等基本圖形角度研究橢圓定義,都充分發(fā)揮了“基本套路”的力量設(shè)計(jì)思路,使得研究方向明確.如在探究橢圓的幾何特征時(shí),首先,類比圓的幾何特征,把“圓心”F這一個(gè)定點(diǎn)一分為二成“兩個(gè)定點(diǎn)”F1,F(xiàn)2,設(shè)計(jì)探究問(wèn)題:動(dòng)點(diǎn)M到兩定點(diǎn)F1,F(xiàn)2的距離之和是一個(gè)常數(shù)(大于|F1F2|)的點(diǎn)的軌跡是什么曲線?接著特殊化,設(shè)計(jì)探究問(wèn)題:動(dòng)點(diǎn)M到兩定點(diǎn)F1,F(xiàn)2的距離之和等于|F1F2|這個(gè)常數(shù)的點(diǎn)的軌跡是什么曲線?然后,再類比“距離之和”的軌跡,自然生成“距離之差”的軌跡,設(shè)計(jì)問(wèn)題:平面內(nèi)與兩個(gè)定點(diǎn)的距離之差等于常數(shù)的點(diǎn)的軌跡是什么?再進(jìn)行平行類比,設(shè)計(jì)問(wèn)題:比較平面內(nèi)動(dòng)點(diǎn)到兩定點(diǎn)“距離之和”“距離之差”“距離之商”“距離之積”等于常數(shù)的點(diǎn)的軌跡.因?yàn)椤熬嚯x”“斜率”都是解析幾何的核心概念,把“距離”換成“斜率”,繼續(xù)按上面設(shè)計(jì)問(wèn)題的套路,設(shè)計(jì)探究“斜率之積”“斜率之商”“斜率之和”“斜率之差”的軌跡問(wèn)題;最后,再一般化,設(shè)計(jì)探究這些圓錐曲線共同的幾何特征.所以,在教學(xué)過(guò)程中,教師要注意發(fā)揮“基本套路”的力量,在圓錐曲線問(wèn)題研究的邏輯思維發(fā)展過(guò)程中,如圖12,增強(qiáng)思考力的方向性,找到更多的“好問(wèn)題”.正如波利亞說(shuō):“好問(wèn)題如同某種蘑菇,有些相似,它們大都成堆地生長(zhǎng).找到一個(gè)以后,你應(yīng)當(dāng)在周圍再找找,很可能在附近就有幾個(gè).”所以用“問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)習(xí)”的關(guān)鍵是:引導(dǎo)學(xué)生“怎么找到好問(wèn)題”.教學(xué)中要善于發(fā)揮“基本套路”的力量,通過(guò)類比、推廣、一般化、特殊化、具體化、轉(zhuǎn)化與化歸等方法構(gòu)建思考路徑,從不同的視角、不同的層面進(jìn)行改編、拓展、引申,在問(wèn)題研究的邏輯思維中,引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)思考力的方向性,在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中,培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力.
思考力的作用點(diǎn)是指必須把思考集中在特定的對(duì)象上,并把握其中的關(guān)鍵點(diǎn).如果找不準(zhǔn)思考的著力點(diǎn),就會(huì)精力分散、思維紊亂、胡思亂想,出現(xiàn)東一榔頭西一棒槌的現(xiàn)象,使得思考停留在事物的表面上,浮光掠影,無(wú)法深入內(nèi)核,更無(wú)法深刻認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì).思考在作用點(diǎn)上的集中性程度,決定著思考的強(qiáng)度和力度[4].數(shù)學(xué)思想是對(duì)數(shù)學(xué)對(duì)象的本質(zhì)認(rèn)識(shí),是認(rèn)識(shí)具體數(shù)學(xué)概念、命題、規(guī)律、方法等過(guò)程中提煉概括的基本觀點(diǎn)和根本想法,對(duì)數(shù)學(xué)活動(dòng)具有普遍的指導(dǎo)意義,是數(shù)學(xué)活動(dòng)的指導(dǎo)思想;數(shù)學(xué)方法是指數(shù)學(xué)活動(dòng)中所采用的途徑、方式、手段、策略等,是思想轉(zhuǎn)化而來(lái)的具體操作方法,可以提高效果和效率.[9]在教學(xué)中,教師要善于發(fā)揮數(shù)學(xué)思想方法的力量抓住本質(zhì)規(guī)律,在尋找著力點(diǎn)的過(guò)程中,引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)思考力的聚焦性.
解析幾何是用代數(shù)的方法研究幾何問(wèn)題,“坐標(biāo)法”是解析幾何的核心思想,也是解析幾何的根本大法.教學(xué)中,既要善于借助坐標(biāo)、方程、運(yùn)算等思想方法的引領(lǐng)聚焦作用,還要兼顧幾何圖形的特征和性質(zhì),抓住問(wèn)題的本質(zhì)規(guī)律,在“坐標(biāo)法”“幾何特征”等關(guān)鍵點(diǎn)處著力思考.如在“聯(lián)通橢圓定義”教學(xué)中,推導(dǎo)橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程時(shí),得到移項(xiàng),整理得此時(shí),若將思考的著力點(diǎn)放在的幾何意義上,設(shè)點(diǎn)A,B的坐標(biāo)分別為(-1,0),(a,0),動(dòng)點(diǎn)M(x,y),則直線AM,BM的斜率之積是,特別地,當(dāng)a=b時(shí),kAM·kBM=-1,此時(shí),動(dòng)點(diǎn)M(x,y)的軌跡是以Ab為直徑的圓,反之,直徑所對(duì)的圓周角是直角,稱為圓周角定理,類似地,若AB為橢圓直徑(即過(guò)橢圓中心的弦),由點(diǎn)差法可證得稱為橢圓周角定理.再將思考的著力點(diǎn)放在圓周角定理、垂徑定理、平行弦中點(diǎn)性質(zhì)、切線定理等圓的幾何性質(zhì)之間的邏輯關(guān)系上,把橢圓與圓類比,就可以得到橢圓非常多的“類圓性質(zhì)”,即橢圓周角定理、垂徑定理、平行弦中點(diǎn)性質(zhì)、切線定理、以及它們之間的聯(lián)系[6],如圖13.
圖13
(1)這組直線何時(shí)與橢圓相交?
(2)當(dāng)它們與橢圓相交時(shí),證明這些直線被橢圓截得的線段的中點(diǎn)在同一條直線上.
拓展應(yīng)用:已知中心在原點(diǎn)的橢圓C的右焦點(diǎn)坐標(biāo)為(1,0),離心率等于
(1)求橢圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程;
(2)證明:斜率為1的所有直線與橢圓C相交得到的弦的中點(diǎn)共線;
(3)圖14中的曲線為某橢圓E的一部分,試作出橢圓E的中心,并寫出作圖步驟.
圖14
在“聯(lián)通橢圓定義”的教學(xué)基礎(chǔ)上,把思考的著力點(diǎn)聚焦在圓周角定理,類比得到橢圓周角定理,繼續(xù)把思考的著力點(diǎn)聚焦在圓的垂徑定理、平行弦中點(diǎn)性質(zhì)、切線定理等圓的幾何性質(zhì)之間的邏輯關(guān)系上,進(jìn)一步類比可以得到橢圓的許多“類圓性質(zhì)”,這些性質(zhì)還可以繼續(xù)類比、遷移、拓展到雙曲線中,統(tǒng)一歸納為有心圓錐曲線的“類圓性質(zhì)”.在“坐標(biāo)法”思想指引下,著力在“坐標(biāo)”“方程”“運(yùn)算”“幾何特征”等關(guān)鍵處思考,抓住了本質(zhì)規(guī)律,所以,思如泉涌、威力無(wú)比、勢(shì)不可擋.
當(dāng)前,學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)已成為教育熱點(diǎn).《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確提出了數(shù)學(xué)學(xué)科的六大核心素養(yǎng),而其本質(zhì)就是數(shù)學(xué)思考.“思考”的核心是“思考力”.“核心概念”力量大,“基本套路”方向明,“思想方法”把脈準(zhǔn).教學(xué)中,應(yīng)充發(fā)揮數(shù)學(xué)的內(nèi)在力量,引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)思考力的大小、方向、作用點(diǎn),提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生會(huì)用數(shù)學(xué)眼光觀察世界,會(huì)用數(shù)學(xué)思維思考世界,會(huì)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)世界[10].