強(qiáng)化代數(shù)推理教學(xué)提高學(xué)生核心素養(yǎng)

黃秀旺

摘要：推理能力是學(xué)生數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的主要表現(xiàn)之一.代數(shù)推理是數(shù)學(xué)推理的組成部分，代數(shù)推理存在于數(shù)學(xué)教學(xué)的全過程之中.代數(shù)推理的教學(xué)可分為以歸納猜想為主的合情推理、以演繹證明為主的推理論證、先探索后證明的綜合推理這三個(gè)階段.

關(guān)鍵詞：代數(shù)推理；教學(xué)現(xiàn)狀；推理教學(xué)

《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《2022年版課標(biāo)》）首次提出了“數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)”，并指出推理能力是學(xué)生數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的主要表現(xiàn)之一.雖然我國(guó)的數(shù)學(xué)教學(xué)歷來都十分重視對(duì)學(xué)生推理能力的培養(yǎng)，但在具體實(shí)施過程中，卻過分依賴“幾何”知識(shí)培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，而忽視了利用“代數(shù)”知識(shí)培養(yǎng)學(xué)生推理能力.本文中首先闡述對(duì)“代數(shù)推理”的認(rèn)識(shí)，然后分析代數(shù)教學(xué)中在培養(yǎng)推理能力方面存在的主要問題，最后指出代數(shù)推理教學(xué)的三個(gè)階段.

1 對(duì)代數(shù)推理的認(rèn)識(shí)

早在1963年，在前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)教育體系影響下，教育部頒布了《全日制中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)大綱（草案）》，從此我國(guó)數(shù)學(xué)教育體系初步形成.該大綱首次明確提出了“培養(yǎng)學(xué)生正確而迅速的計(jì)算能力、邏輯推理能力和空間想象能力”的目標(biāo)，這個(gè)階段邏輯推理能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在幾何知識(shí)的教學(xué)中.

義務(wù)教育之前，初中數(shù)學(xué)教材一直按《代數(shù)》與《幾何》分別編寫，其中《代數(shù)》4本，《幾何》2本.有很多學(xué)校的數(shù)學(xué)教師只教《代數(shù)》，有的只教《幾何》，于是出現(xiàn)了張三是代數(shù)老師，王五是幾何老師的中國(guó)特色“稱謂”.這個(gè)時(shí)候“自上而下”人為地把原本一體的數(shù)學(xué)知識(shí)分為代數(shù)、幾何兩部分.大部分教師認(rèn)為主要通過幾何教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)推理能力，這勢(shì)必削弱了對(duì)學(xué)生推理能力的培養(yǎng)力度.

2001年《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》頒布后，課程內(nèi)容分為“數(shù)與代數(shù)”“空間與圖形”“統(tǒng)計(jì)與概率”“實(shí)踐與綜合應(yīng)用”四個(gè)領(lǐng)域，相應(yīng)的教材便采用“混編”的形式，從根本上結(jié)束了義務(wù)教育階段數(shù)學(xué)教材“分科”的歷史.這樣一來，培養(yǎng)推理能力的“載體”理所當(dāng)然地包含“代數(shù)”內(nèi)容，但是仍然沒有引起教師們的足夠重視，在推理能力培養(yǎng)上還是以幾何教學(xué)為主.

目前隨著《2022年版課標(biāo)》的頒布，教師應(yīng)徹底轉(zhuǎn)變主要依賴幾何培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)推理能力的觀念，重視代數(shù)推理在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的作用.

（1）培養(yǎng)推理能力是整個(gè)數(shù)學(xué)教學(xué)的任務(wù)

《2022年版課標(biāo)》指出：“推理能力主要是指從一些事實(shí)和命題出發(fā)，依據(jù)規(guī)則推出其他命題或結(jié)論的能力.”[1]從推理能力的界定上看，推理能力不是幾何“獨(dú)屬”的一個(gè)名詞.在整個(gè)數(shù)學(xué)教學(xué)的過程中，都要把培養(yǎng)學(xué)生的推理能力作為首要的任務(wù).在實(shí)際教學(xué)中，無論講授的內(nèi)容屬于哪個(gè)領(lǐng)域，我們都要充分發(fā)揮具體知識(shí)所承載的培養(yǎng)推理能力的作用，既要讓學(xué)生掌握相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識(shí)，又要利用這些知識(shí)來培養(yǎng)、發(fā)展和提高學(xué)生的數(shù)學(xué)推理能力.

（2）新課標(biāo)對(duì)代數(shù)推理提出了明確的要求

在以往的數(shù)學(xué)《教學(xué)大綱》或《課程標(biāo)準(zhǔn)》中都沒有出現(xiàn)“代數(shù)推理”的字樣，《2022年版課標(biāo)》在“課程內(nèi)容”中明確提出了“了解代數(shù)推理”[1]的要求，特別強(qiáng)調(diào)了代數(shù)推理問題.新課標(biāo)表述“推理”的詞有很多“散現(xiàn)”于“數(shù)與代數(shù)”領(lǐng)域，例如“能利用乘法公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的推理”“通過基于符號(hào)的運(yùn)算和推理，建立符號(hào)意識(shí)，感悟數(shù)學(xué)結(jié)論的一般性，理解運(yùn)算方法與運(yùn)算律的關(guān)系，提升運(yùn)算能力”[1]等.因此加強(qiáng)代數(shù)推理教學(xué)符合《2022年版課標(biāo)》的要求.

代數(shù)推理是以代數(shù)知識(shí)為背景，通過邏輯推理解決數(shù)學(xué)問題的過程.它比幾何論證更加抽象，對(duì)思維能力、邏輯論證能力要求更高，更能“反映”學(xué)生抽象思維能力的層次.在“數(shù)與代數(shù)”領(lǐng)域內(nèi)容的教學(xué)中，“計(jì)算”是核心，這種計(jì)算要依據(jù)一定的“原理”（公式、法則、運(yùn)算律等），在計(jì)算中處處含有推理（算理）的過程.現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)量關(guān)系往往有其自身的規(guī)律，用代數(shù)式、方程、不等式、函數(shù)刻畫這種數(shù)量關(guān)系或變量關(guān)系的過程中，也不乏分析、判斷和推理.這是一個(gè)經(jīng)歷觀察、猜想、歸納、證明的過程，是一個(gè)既有合情推理又有演繹推理的過程[2].

代數(shù)推理同幾何推理一樣，也包括演繹推理、歸納和類比推理.例如，從若干運(yùn)算結(jié)果中歸納出有關(guān)運(yùn)算規(guī)律，就是歸納；根據(jù)運(yùn)算法則推演出運(yùn)算的規(guī)律或者公式，就是演繹；而根據(jù)有理數(shù)的運(yùn)算法則得到無理數(shù)的運(yùn)算法則、實(shí)數(shù)的運(yùn)算法則等就是類比[3].

2 代數(shù)推理教學(xué)的現(xiàn)狀

自2001年課程改革以來，教師沒有發(fā)揮好“數(shù)與代數(shù)”領(lǐng)域內(nèi)容在學(xué)生推理能力培養(yǎng)方面“應(yīng)有”的作用，突出表現(xiàn)在兩個(gè)方面.

（1）教師研讀教材的力度不夠

《2022年版課標(biāo)》指出：“數(shù)學(xué)教材為學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)提供了學(xué)習(xí)主題、知識(shí)結(jié)構(gòu)和基本線索，是實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)課程目標(biāo)、實(shí)施數(shù)學(xué)教學(xué)的重要資源.” [1]在教材的編寫過程中，由于受篇幅的限制，教材隱去了很多知識(shí)的產(chǎn)生過程或利用知識(shí)解決問題的過程，其實(shí)這些過程中蘊(yùn)含著大量的推理思想.教師在研讀教材時(shí)，應(yīng)該把這些“省略”的推理過程“挖掘”出來.而在教學(xué)中是否“補(bǔ)充”給學(xué)生，要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際接受能力而定，即使不能“補(bǔ)充”，教師也要在心中整體把握這個(gè)完整的推理過程.

例1（青島版教材中的例題）在下列各題中的空格處，分別填上大于號(hào)或小于號(hào)（“＞”或“＜”），并說明理由.

（1）2.50；（2）-10；

（3）1-100；（4）-3-2.

解：（1）2.5＞0（正數(shù)大于0）；

（2）-1＜0（負(fù)數(shù)小于0）；

（3）1＞-100（正數(shù)大于一切負(fù)數(shù)）；

（4）-3＜-2（在數(shù)軸上，右邊的點(diǎn)所表示的數(shù)比左邊的點(diǎn)所表示的數(shù)大）.

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)置此例題，一是利用法則比較兩個(gè)有理數(shù)的大小，二是培養(yǎng)學(xué)生的說理意識(shí).由于學(xué)生剛升入初中，說理能力比較弱，因此教材采用了“把比較兩數(shù)大小的依據(jù)填在結(jié)論后面的括號(hào)內(nèi)”的處理方式，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生的說理意識(shí).

教師在講課時(shí)，可以按照上面的過程進(jìn)行.但是教師在研讀本課教材時(shí)，應(yīng)該明確本題實(shí)質(zhì)上完整地體現(xiàn)了“三段論”的推理模式.以第（3）小題為例說明如下：因?yàn)檎龜?shù)大于負(fù)數(shù)（大前提），-100＜0，1＞0（小前提），所以-100＜1（結(jié)論）.

有些大學(xué)師范生初到教學(xué)崗位時(shí)，總覺得初中數(shù)學(xué)太簡(jiǎn)單，課堂上需要講的內(nèi)容太少.果真如此嗎？

（2）教學(xué)過程過于簡(jiǎn)略

在數(shù)學(xué)教學(xué)中，過程教學(xué)意義重大.由于揭示知識(shí)發(fā)生、發(fā)展的過程“費(fèi)時(shí)費(fèi)力”，因此很多教師往往直接給出結(jié)果，這樣容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不深刻，同時(shí)也失去了培養(yǎng)學(xué)生推理能力的“機(jī)會(huì)”.

例2（蘇科版教材中的例題）計(jì)算56×14.

解：56×14

=56×14

=4×14×14

=（2×14）2

=2×14=28.

設(shè)計(jì)意圖：很多教師在研讀教材時(shí)沒下功夫，教學(xué)中又不重視過程，就直接按照上面的解法講給學(xué)生，這樣就錯(cuò)過了培養(yǎng)學(xué)生代數(shù)推理能力的一次“機(jī)會(huì)”.

本題的解答過程其實(shí)隱含了涉及二次根式性質(zhì)的兩步推理過程：

（1）因?yàn)閍·b=ab（a≥0，b≥0），且a=56，b=14，所以56×14=56×14；

（2）因?yàn)閍2=a（a0），且a=2×14，所以（2×14）2=2×14.

在課堂教學(xué)中必須把推理過程“還原”給學(xué)生，按照上面的兩步推理過程書寫，這樣就能幫助學(xué)生養(yǎng)成解答數(shù)學(xué)問題時(shí)做到步步有據(jù)的習(xí)慣，有助于學(xué)生代數(shù)推理能力的形成與提高.

從這個(gè)角度看，這不僅僅是一個(gè)計(jì)算題，同時(shí)也是一道推理題.學(xué)生通過解答既加深了對(duì)二次根式的性質(zhì)、二次根式乘法的理解，又增強(qiáng)了運(yùn)算能力，還能“感悟”到代數(shù)推理的過程，久而久之，學(xué)生的推理能力自然得到提升.

3 代數(shù)推理教學(xué)的實(shí)施

《2022年版課標(biāo)》指出：“數(shù)與代數(shù)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生形成抽象能力、推理能力和模型觀念，發(fā)展幾何直觀和運(yùn)算能力.” [1]初中階段“數(shù)與代數(shù)”領(lǐng)域包括“數(shù)與式”“方程與不等式”和“函數(shù)”三個(gè)主題，這些內(nèi)容是學(xué)生理解數(shù)學(xué)符號(hào)，以及感悟用數(shù)學(xué)符號(hào)表達(dá)事物的性質(zhì)、關(guān)系和規(guī)律的關(guān)鍵內(nèi)容，是學(xué)生初步形成抽象能力和推理能力、感悟用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的重要載體.教師在教授這些內(nèi)容時(shí)，既要傳授好這些基礎(chǔ)知識(shí)，還要以這些內(nèi)容為“載體”培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)推理能力，從而提高學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng).代數(shù)推理能力的培養(yǎng)可以劃分為三個(gè)階段.

（1）以探索發(fā)現(xiàn)為主，旨在培養(yǎng)合情推理能力

在規(guī)范學(xué)習(xí)幾何“證明”之前，代數(shù)推理表現(xiàn)為“合情推理”的方式.在這個(gè)階段的教學(xué)中，教師以“數(shù)與代數(shù)”領(lǐng)域的知識(shí)點(diǎn)為載體，創(chuàng)設(shè)問題情境，開展觀察、實(shí)驗(yàn)、猜想（類比與歸納）等活動(dòng)；在活動(dòng)的過程中，學(xué)生能憑借經(jīng)驗(yàn)和直覺，通過歸納和類比等推斷某些結(jié)果，提高合情推理能力.

例3（蘇科版教材中的一道復(fù)習(xí)題）3個(gè)朋友在一起，每?jī)扇宋找淮问?，他們一共握了幾次手?個(gè)朋友在一起呢？ n個(gè)朋友在一起呢？

設(shè)計(jì)意圖：本題屬于探究規(guī)律的問題，為了便于找到規(guī)律，還可以繼續(xù)提出“5個(gè)朋友在一起呢？”的問題，以得到較多的例子.顯然，當(dāng)n為2，3，4，5時(shí)，握手的總次數(shù)分別為1，3，6，10.根據(jù)1=12×2×1，3=12×3×2，6=12×4×3，10=12×5×4，可猜想出n個(gè)朋友在一起，他們一共握了12×n×（n-1）次手．

學(xué)生合情推理能力的提升過程不同于一般數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與技能的獲取過程，需要在問題的引導(dǎo)下“悟”出來.根據(jù)“引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，利用觀察、猜測(cè)、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、推理、驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析、直觀想象等方法分析問題和解決問題” [1]的要求，教師要在第一階段的教學(xué)中認(rèn)真研讀“數(shù)與代數(shù)”方面的內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，設(shè)計(jì)系列問題串，以引導(dǎo)學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)，不斷發(fā)展合情推理能力.

（2）以演繹推理為主，旨在培養(yǎng)推理論證能力

學(xué)生在學(xué)習(xí)了幾何“證明”后，掌握了幾何證明的基本模式，在敘述證明的過程中能使用“∵……，∴……”的符號(hào)語(yǔ)言.推理進(jìn)入邏輯推理階段，以培養(yǎng)推理論證能力為主.這時(shí)在“數(shù)與代數(shù)”方面內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，也要利用這種推理模式培養(yǎng)學(xué)生的演繹推理能力.

例4已知函數(shù)y= 6x ，求證：當(dāng)x<0或x>0時(shí)，y隨x的增大而減?。?/p>

證明：當(dāng)x1<0，x2<0時(shí)，不妨設(shè)x1

因?yàn)閤10，x1－x2<0．

因此6（x1－x2）x1x2<0，即y2－y1<0，y2

所以，當(dāng)x<0時(shí)，y隨x的增大而減小.

同理可證，當(dāng)x>0時(shí)，y也是隨x的增大而減?。?/p>

設(shè)計(jì)意圖：初中階段都是通過分析函數(shù)表達(dá)式和函數(shù)圖象來探究函數(shù)性質(zhì)的（是合情推理），沒有對(duì)性質(zhì)進(jìn)行證明（是基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求）.事實(shí)上，學(xué)生已具備證明所需的知識(shí)及能力，因此教學(xué)中可適度拓寬要求，加強(qiáng)演繹推理以滿足部分學(xué)生發(fā)展的需求．

例5已知函數(shù)y＝x2+2mx－2m－1（m為常數(shù)）．

（1）當(dāng)m＝－1時(shí)，此函數(shù)的圖象與x軸有幾個(gè)交點(diǎn)？

（2）求證：不論m為何值，該二次函數(shù)的圖象與x軸總有公共點(diǎn)．

解：（1）當(dāng)m＝－1時(shí)，y＝x2－2x+1．

由Δ＝（-2）2－4×1×1＝4－4＝0，可知一元二次方程x2－2x+1＝0有兩個(gè)相等的實(shí)數(shù)根．

所以，此函數(shù)的圖象與x軸只有1個(gè)交點(diǎn).

（2）證明：因?yàn)榉匠蘹2+2mx-2m-1＝0的根的判別式Δ＝4m2－4（－2m－1）＝4（m+1）2≥0，所以方程x2+2mx-2 m-1＝0有實(shí)數(shù)根．

因此，不論m為何值，該二次函數(shù)的圖象與x軸總有公共點(diǎn)．

設(shè)計(jì)意圖：本題的第（1）問雖然是解答題，但是解答過程離開演繹推理是沒法進(jìn)行的；本題的第（2）問要按照“幾何”證明的格式寫出證明過程.本題表面看是考查學(xué)生對(duì)一元二次方程根的判別式、拋物線與x軸的交點(diǎn)等知識(shí)的掌握情況，深層看是以這些知識(shí)為“載體”，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力.

（3）合情與演繹推理相融合，旨在提升推理能力

經(jīng)過第二個(gè)階段，學(xué)生具備了按照演繹推理形式對(duì)有關(guān)“數(shù)與代數(shù)”的結(jié)論進(jìn)行證明的技能，此階段的代數(shù)教學(xué)宜采用“合情推理和演繹推理相輔相成”的方式，讓學(xué)生經(jīng)歷從合情推理到演繹推理的閉環(huán)，有利于提高學(xué)生的代數(shù)推理能力.

例6（蘇科版教材中的一道復(fù)習(xí)題）計(jì)算下列各式，你得到什么結(jié)論？試用字母表示數(shù)，并說明結(jié)論的正確性.

8×8-7×9；11×11-10×12；80×80-79×81.

設(shè)計(jì)意圖：本題包含“探索—證明”兩個(gè)環(huán)節(jié)，教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生先觀察幾個(gè)算式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后再計(jì)算.如果學(xué)生直接按運(yùn)算順序計(jì)算，教師暫不評(píng)論，在得到結(jié)果后（都為1）再引導(dǎo)學(xué)生觀察算式的特征，在此基礎(chǔ)上利用合情推理進(jìn)行大膽猜想，并引入符號(hào)，將猜想表示為“n2-（n-1）（n+1）=1”，然后利用演繹推理對(duì)結(jié)論進(jìn)行證明.因?yàn)樽筮?n2-（n-1）5（n+1）=n2-（n2-1）=1，右邊=1，所以左邊=右邊，因此結(jié)論是正確的.

這樣的教學(xué)，學(xué)生能體會(huì)到“合情推理用于探索思路，發(fā)現(xiàn)結(jié)論；演繹推理用于證明結(jié)論”.合情推理和演繹推理相輔相成，進(jìn)一步提高了學(xué)生的推理能力.

參考文獻(xiàn)：

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