在幾何初步知識學習過程中發(fā)展學習能力的幾點思考

應(yīng)佳成

(杭州市富陽區(qū)教育發(fā)展研究中心 311400)

幾何基礎(chǔ)知識是平面幾何學習的起點，是第一次從數(shù)學內(nèi)部研究幾何圖形，也是第一次學習如何對幾何定理進行嚴格證明，是發(fā)展學生抽象、推理能力的重要內(nèi)容，將對學生幾何研究的方式方法產(chǎn)生根本性的影響．

事實上，學生在小學階段已經(jīng)對基本圖形甚至對圖形與圖形間的關(guān)系有了一定的了解，但能力要求僅限于直觀感知，對于相同的研究對象，中學階段要如何展開研究呢？分析義務(wù)教育階段課標不難發(fā)現(xiàn)，初中階段幾何基礎(chǔ)知識教學的任務(wù)是經(jīng)歷“體、面、線、點”等概念的抽象過程，掌握幾何圖形的基本研究方式，積累研究經(jīng)驗，培養(yǎng)抽象能力、推理能力等素養(yǎng)[1]．對于這些基本能力的培養(yǎng)，筆者認為需要基于整體視角，為幾何教學打好基礎(chǔ)，需要解決好四個根本問題：教好幾何基本事實、構(gòu)建幾何研究框架、滲透幾何圖形與代數(shù)表達相互表征的意識與基本方法、架構(gòu)幾何學習的具有一般性的研究邏輯，培育好幾何學習的萌芽，讓學生持續(xù)的學習能力得到發(fā)展．

1 教好基本事實，發(fā)展抽象能力

在幾何基礎(chǔ)知識學習階段，集中涉及到幾何內(nèi)容的大部分基本事實，我們知道，初中階段的幾何學習是以基本事實為前提，在借助幾何直觀理解幾何基本事實的基礎(chǔ)上，從幾何基本事實出發(fā)推導圖形的性質(zhì)和定理，培養(yǎng)學生幾何直觀、邏輯推理、理性思維和分析解決問題的能力．但是一線教學中，基本事實的教學并沒有得到應(yīng)有的重視，如何教好基本事實是本文闡述的第一個問題．

1.1 驗證基本事實成立

比如初中階段的第一個基本事實“兩點確定一條直線”，作為幾何學習階段第一條基本事實，它的驗證方式對今后的幾何教學起到方向性的作用，首先需要解決的是該如何驗證這條基本事實的正確性，在實際教學中老師們往往采取兩種方式，一種是直觀感知，但是這樣的驗證方式與小學并無差異，另一種是“敲釘子釘木條”等實際驗證的方式，這樣的方式不但有“應(yīng)用基本事實”之嫌，更是沒有脫離實際背景，沒有抽象到數(shù)學內(nèi)部．該如何用數(shù)學的方法呢？可以采取“畫一畫”等方法，引導學生思考“要確定一條直線，最少需要幾個點？經(jīng)過一個點能否確定一條直線？”，顯然過一個點無法確定直線的方向，可以做出無數(shù)條直線，直線的確定受方向的控制．因此考慮通過增加點的個數(shù)來確定直線，可以發(fā)現(xiàn)增加一個點就能夠做出唯一的直線，并且無需繼續(xù)增加點的個數(shù)，在這一探究過程中，發(fā)現(xiàn)增加的點的作用是關(guān)鍵．

1.2 挖掘基本事實內(nèi)涵

其次，要重視對基本事實內(nèi)涵的挖掘，比如“兩點確定一條直線”，內(nèi)部蘊含的“方向”：在確定一條直線的過程中，兩個點各有作用，如果將一個點視作確定位置，那么另一個點的作用就是確定方向，這其中不但可以得出“點(位置)+方向兩個要素可以確定直線段”這一重要結(jié)論，更能說明作為直線的部分，射線和線段也有方向，直線和線段都有兩個方向，但是射線僅有一個方向．

“兩點確定一條直線”內(nèi)還蘊含著“差異” ：點是位置的抽象化，由于位置存在差異，不同的點表示不同的位置，因此，連接兩點的直線刻畫了位置差異．在幾何基礎(chǔ)知識學習初始階段，對位置、位置差異、差異大小的刻畫是自然而然的需要，正是差異決定了方向．基于認知的角度看教學，理解差異的存在不困難，如何在差異和方向之間建立聯(lián)系是關(guān)鍵，這需要設(shè)計具體的、可操作的情境引發(fā)認知沖突，幫助學生體驗方向的存在，理解方向?qū)坍嫴町惖年P(guān)鍵意義．

2 構(gòu)建研究框架，發(fā)展推理能力

從整體視角看，在數(shù)學學習中，每當接觸一個新的研究對象，都要為其構(gòu)建起研究框架，在這樣的研究框架的指導下展開學習，幾何學習作為初中數(shù)學學習的四大領(lǐng)域之一，幾何基礎(chǔ)知識是第一次真正意義上對幾何對象展開系統(tǒng)的學習，作為第一次從數(shù)學內(nèi)部展開研究的幾何知識，學習方式的培養(yǎng)、學習思路的構(gòu)建、整體視角的形成至關(guān)重要，也要為學生構(gòu)建出幾何學習方式，這是本文闡述的第二個根本問題．

基本事實是幾何研究的根基，基于基本事實、結(jié)合幾何直觀構(gòu)建研究框架是幾何教學中需要解決好的問題．“線”是中學里第一個系統(tǒng)研究的基本圖形，在線的學習中，教師需要關(guān)注對學生能力的要求有別于小學的直觀感知，需要學習和使用符號表示線，理解“一條直線a上的兩點A和B，這一對點A和B所成的點組叫做線段”[4]，理解作為數(shù)學的幾何學研究的是更高的抽象，直線是進一步抽象的結(jié)果，射線和線段是直線上的部分，直線與射線、線段間是整體與部分的關(guān)系，確定出線的最優(yōu)學習邏輯是：直線——射線——線段，讓學生感受初中幾何是基于知識邏輯的學習．

在構(gòu)建出概念之后，作為數(shù)學對象，自然構(gòu)建出“概念(定義、表示、分類)——性質(zhì)(大小)——運算——特例”的學習框架，并在此基礎(chǔ)上用好類比、遷移等方式，構(gòu)建出“角”的學習路徑，理解“角”的學習邏輯與“線”的學習邏輯保持高度一致，在教學中幫助學生體會到這種一致性，使學生對單元內(nèi)容有整體把握，而非碎片化、散點式的學習．

將視角再提升一個維度，從知識領(lǐng)域看，在幾何學習之前，學生已經(jīng)有了代數(shù)研究的基礎(chǔ)，形成了代數(shù)研究邏輯：“概念(定義、表示、分類)——性質(zhì)(大小)——運算——特殊”，容易發(fā)現(xiàn)，幾何基礎(chǔ)知識的研究邏輯與代數(shù)的研究邏輯具有高度一致性，這樣的認識有助于學生跨越知識領(lǐng)域形成數(shù)學整體觀念，形成研究問題的框架意識，這樣的整體觀一旦形成，對學生思維方式將產(chǎn)生積極深遠的影響，會在其它問題的學習中想辦法去厘清內(nèi)容框架結(jié)構(gòu)，隨著解決問題的經(jīng)驗不斷積累，對思維產(chǎn)生的影響會不斷疊加．

3 圖形與代數(shù)相互表征，發(fā)展模型意識

從現(xiàn)代數(shù)學的發(fā)展趨勢看，數(shù)學的研究越來越重視數(shù)形結(jié)合，教學中越來越傾向于用代數(shù)的方法研究幾何問題．《普通高中數(shù)學課程標準(2017年版)》也顯示了這種傾向，并且秉承了這樣的理念：通過幾何建立直觀，通過代數(shù)予以表達．邏輯連貫地進行幾何基礎(chǔ)教學，重視將能力培養(yǎng)落實到課堂教學中，是培養(yǎng)學生數(shù)學素養(yǎng)和學習能力的根本途徑，也是幾何基礎(chǔ)教學中需要精心呵護的思維萌芽，是需要處理好的第三個根本問題．

3.1 度量是幾何圖形與代數(shù)表達的根本

前文提到，兩點之間存在差異，這樣的差異如何表示？疊合的方法只能比較出相對大小，這是度量的雛形，但是需要有統(tǒng)一的標準能夠?qū)λ械木€段加以比較，這樣就自然而然產(chǎn)生了問題：如何數(shù)量化表示出差異的大小．從學生認知的角度看，利用刻度尺、量角器等工具“量出”線段的“長短”和角的“大小”是最直接的反應(yīng)，但是工具背后是對“度量”的理解，“以線量線”是對線段與線段進行大小比較的基本原理，“以角量角”是對角與角進行大小比較的基本原理．在實際教學中，“疊合”是體驗這一基本原理的關(guān)鍵內(nèi)容，用疊合的方法可以比較大小、可以“復制”一個基本圖形，這是體驗“度量”的意義的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．有了統(tǒng)一的標準，所有的線段和角也就有了“大小”．線段的長度和角的度數(shù)都是將差異大小數(shù)量化的結(jié)果，數(shù)量化為運算提供了基礎(chǔ)，使得線段能夠像數(shù)一樣進行加減運算．將來向量可以像實數(shù)一樣運算，表明代數(shù)化的過程對幾何研究起到質(zhì)的推動作用，而幾何基礎(chǔ)知識的學習恰恰是培養(yǎng)數(shù)形結(jié)合思想的萌芽階段，需要好好把握．

3.2 數(shù)量運算是圖形運算的實質(zhì)

線段的長短和角的大小都與數(shù)的大小關(guān)系類似，是對圖形的定量刻畫，而“大小”與代數(shù)關(guān)系又密不可分．在實際教學中，在用好幾何直觀的同時，更要注意對圖形中蘊含的代數(shù)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和表達，從具象的圖形到抽象的代數(shù)關(guān)系，代數(shù)化處理幾何基礎(chǔ)知識有助于從數(shù)學整體的視角認識數(shù)學，可以加強學生對幾何圖形關(guān)系甚至是邏輯關(guān)系的理解，如果說數(shù)形結(jié)合的思維萌芽產(chǎn)生在代數(shù)(數(shù)軸學習)階段，那么幾何基礎(chǔ)知識的學習就是加強數(shù)形結(jié)合理解水平的最佳素材．

來看線段和差的幾何表征與代數(shù)表征：如果將線段a和線段b視為一維圖形，線段之和仍舊是線段，其代數(shù)表征表示為兩數(shù)之和a+b，在一維線段和差與兩數(shù)和差之間建立起聯(lián)系．如圖1：

圖1

圖2

圖3

事實上在后續(xù)學習中，經(jīng)常還需要將代數(shù)公式進行幾何表征，比如整式乘法與二維面積之間相互表征，仍舊可以在圖形和數(shù)量之間建立關(guān)聯(lián)，對于(a+b)·(c+d)=ac+ad+bc+bd這樣的代數(shù)結(jié)構(gòu)可以基于線段和的認識基礎(chǔ)，逐步向面積過度：線段AB表示線段a與b的和，其長度記為a+b；線段AD表示線段c與d的和，其長度記為c+d；矩形ABCD的面積可以記為(a+b)(c+d)，巧妙實現(xiàn)圖形與代數(shù)式的相互表征，如圖4：

圖4

初三階段將要學習的比例線段等內(nèi)容蘊含著線段的乘除、乘方、開方等關(guān)系，這都是從整體上理解數(shù)學知識之間的關(guān)聯(lián)，具有深刻的數(shù)學內(nèi)涵．代數(shù)關(guān)系對圖形結(jié)構(gòu)所進行的定量刻畫在解題過程中有時能夠起到四兩撥千斤的作用，這樣的數(shù)形結(jié)合思維的培養(yǎng)需要滲透于幾何基礎(chǔ)知識的教學中．反之，有了這樣的學習經(jīng)驗，將來對于一些復雜的代數(shù)式也可以用簡潔的幾何圖示表達，變抽象為具體，盡管能用幾何圖形解釋的代數(shù)問題相當有限，但是這樣的思考方式非常有助于提升直觀理解水平．

需要說明的是，幾何問題代數(shù)表達的根基在于數(shù)軸，在完成“線”的學習后，有必要反觀曾經(jīng)學習過的數(shù)軸，其本質(zhì)就是一條存在方向的直線，數(shù)軸上表示互為相反數(shù)的點與原點之間可以形成方向相反、長度相同的有向線段.任意兩點之間也可形成有向線段，作為代數(shù)系統(tǒng)中引入的直線，其幾何特征以另外的形式呈現(xiàn)：用絕對值表示數(shù)軸上點與原點的距離、用正負號表示方向，其本質(zhì)并沒有發(fā)生改變，盡管數(shù)軸學習在代數(shù)部分已經(jīng)完成，但是在幾何初步知識的學習過程中非常有必要重新審視，在此處加深體會．

4 邏輯連貫的研究，發(fā)展學習能力

幾何教學的根本任務(wù)是培養(yǎng)邏輯推理能力，在對幾何基礎(chǔ)知識深刻理解的基礎(chǔ)上，可以進一步有邏輯地研究相交線和平行線，兩直線相交能形成角，但是歐氏幾何中平行線間沒有交點，這就需要引入一條與平行線相交的直線形成角，使得角的思考邏輯在線與線的關(guān)系的研究中得以繼承，體現(xiàn)數(shù)學的整體性和邏輯的連貫性，這是幾何基礎(chǔ)知識教學中需要著力解決好的第四個根本問題.

4.1 分析基本圖形確定研究對象

首先，教師需要幾何直觀讓學生知道，變化過程中的不變性是幾何圖形的性質(zhì)，而相交線與平行線的性質(zhì)都需要借助“角”刻畫：“相交”自然形成的角，就是相交線的研究對象．由于兩條直線平行沒有公共點，無法用角去表現(xiàn)兩條平行線的性質(zhì)，引導學生自然聯(lián)想引入第三條截線與兩條平行線相交形成角，有了角，平行線的性質(zhì)就可以借助角之間的關(guān)系來表現(xiàn)，由此確定“三線八角”是平行線的研究對象．無論是相交線還是平行線，用“角”研究“線與線的關(guān)系”根本上是轉(zhuǎn)化化歸思想的體現(xiàn)．

4.2 邏輯連貫地探究幾何對象的性質(zhì)

相交線的性質(zhì)表現(xiàn)在兩條直線相交所形成的四個角的位置關(guān)系和大小關(guān)系：將一條射線從一個位置繞端點轉(zhuǎn)到另一個位置存在方向的差異，反之方向也相反，因此順時針或者逆時針將一條射線旋轉(zhuǎn)到另一個位置的差異是用角來刻畫的．

那么如何在“方向”的視角下研究平行線的性質(zhì)呢？結(jié)合幾何直觀，基于兩個前提，其一，需要充分用好“兩直線相交”的上位知識，當任意兩條直線a和b被第三條直線c所截時，會形成三線八角，相交線的性質(zhì)在交點所形成的角之間得以體現(xiàn)；其二，需要用運動的視角來看直線a和b，兩條繞著交點轉(zhuǎn)動的直線a和b存在平行的一瞬間(如圖5和6)，這時兩直線方向相同，即它們的方向差為零，而截線c的方向是唯一確定的，因而將直線a和直線b沿著相同的方向旋轉(zhuǎn)相同的度數(shù)一定能夠與截線c重合，說明兩直線平行，所形成的同位角相等．再輔之以相交線的性質(zhì)，平行線的性質(zhì)可以一氣呵成順利得出．值得一提的是基于以上思路可以繼續(xù)用方向差判斷兩直線平行，理性且邏輯清晰．

圖5

圖6

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，兩直線相交或平行的位置關(guān)系都是通過角的數(shù)量關(guān)系來刻畫的．而利用角的關(guān)系刻畫線的關(guān)系的過程中，一以貫之地使用“方向”這一思考邏輯，使得研究過程在數(shù)學思想方法的統(tǒng)領(lǐng)下，讓幾何學習有邏輯可以遵循，研究方法有了靈魂．

在幾何基礎(chǔ)的學習過程中，以方向為內(nèi)部邏輯去認識研究對象，對提升學生的幾何研究能力和理解水平具有奠基作用，如果這一關(guān)鍵基礎(chǔ)不扎實將來僅憑大量解題無法代償．

從整體的視角看，平面幾何的研究主要是源于歐氏幾何，事實上在今后的幾何圖形的研究都是建立在該公理體系之下的，這是更為宏觀的視角的邏輯連貫．

5 總結(jié)

平面幾何內(nèi)容在培養(yǎng)學生的幾何直觀、抽象能力、推理能力中有不可替代的作用，教學既要立足基礎(chǔ)，也要面向?qū)恚瑸閷W生的長遠發(fā)展謀利益，因此，教師要提高教學觀點，引導學生感悟數(shù)學基本思想、積累數(shù)學基本活動經(jīng)驗、發(fā)展理性思維、提高發(fā)現(xiàn)和提出問題的能力、培育學生的數(shù)學核心素養(yǎng)，在思維方式、邏輯能力、空間觀念的培養(yǎng)等方面為學生的長遠發(fā)展做出努力．

有研究結(jié)論表明：教師對于學生在幾何的學業(yè)成就的影響大于代數(shù)，分析這個差異的原因可能與代數(shù)、幾何這兩個數(shù)學領(lǐng)域思維方式的差異有關(guān)，即不同領(lǐng)域的數(shù)學學習可能受到教師水平差異的影響程度不同，相對程序化的代數(shù)學習受到不同教師水平差異的影響相對較小[9]．這對數(shù)學教師的職業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求．