摘" 要:課程的改革,課標(biāo)的修訂,數(shù)學(xué)素養(yǎng)的提出,“雙減”政策的出臺(tái)推動(dòng)了數(shù)學(xué)教學(xué)的發(fā)展.教育教學(xué)更重視知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程和學(xué)以致用的能力的提高.數(shù)形轉(zhuǎn)化作為一種重要的高層次的數(shù)學(xué)思想,是指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)的一種常用的思想,它是通過(guò)數(shù)轉(zhuǎn)形、形轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)形轉(zhuǎn)換,具有數(shù)的抽象和形的直觀的特點(diǎn),優(yōu)化了研究問(wèn)題的思路,指明了快速解決問(wèn)題的方向.本文通過(guò)數(shù)與形轉(zhuǎn)化的教學(xué),探究怎樣在教學(xué)中滲透數(shù)形轉(zhuǎn)化的思想.
關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)思想;數(shù)形轉(zhuǎn)化;滲透
數(shù)學(xué)思想本質(zhì)上是對(duì)數(shù)學(xué)理論和數(shù)學(xué)事實(shí)加以歸納提煉,經(jīng)過(guò)思維加工而產(chǎn)生的結(jié)果,是一種反映現(xiàn)實(shí)中的數(shù)量關(guān)系和空間形式的意識(shí),是一種具有普遍性、總結(jié)性、指導(dǎo)性的觀點(diǎn).其對(duì)于運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題具有普遍指導(dǎo)作用.學(xué)懂弄通數(shù)學(xué)思想,基本上就掌握了數(shù)學(xué)的靈魂和精髓.
數(shù)學(xué)是研究數(shù)量關(guān)系和空間形式的科學(xué).數(shù)量關(guān)系是研究數(shù)方面的內(nèi)容,空間形式是研究形方面的內(nèi)容,它們之間有著非常密切的關(guān)系.往往數(shù)量的關(guān)系可以通過(guò)圖形的性質(zhì)來(lái)研究,圖形的性質(zhì)可以通過(guò)數(shù)量的關(guān)系來(lái)研究,也就是數(shù)與形不是互相獨(dú)立,而是可以互相轉(zhuǎn)化的.數(shù)形轉(zhuǎn)化的思想就是這種運(yùn)用數(shù)與形之間的互相轉(zhuǎn)化來(lái)解決問(wèn)題,是一種高層次的數(shù)學(xué)思想之一.它既有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù),也有直觀的形,主要包含形轉(zhuǎn)化為數(shù)、數(shù)轉(zhuǎn)化為形兩個(gè)方面.
滲透是指液體從多孔的物體透過(guò)漏出.轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)思想在數(shù)學(xué)教學(xué)中滲透是指教師在教學(xué)過(guò)程中,把已經(jīng)準(zhǔn)備好的轉(zhuǎn)化思想,有目的、有計(jì)劃地按步驟結(jié)合課堂不失時(shí)機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)掌握,逐漸給學(xué)生形成一種意識(shí)、一種思維、一種能力.
1" 數(shù)形和諧對(duì)應(yīng),凸顯轉(zhuǎn)化功能
在數(shù)學(xué)教材中的實(shí)數(shù)與數(shù)軸、有序數(shù)對(duì)與點(diǎn)、集合、復(fù)數(shù)、向量的運(yùn)算都蘊(yùn)涵著數(shù)形轉(zhuǎn)化思想,無(wú)不體現(xiàn)數(shù)形的和諧完美的對(duì)應(yīng),為數(shù)形的轉(zhuǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).因此教師在備課和教學(xué)中不僅要學(xué)會(huì)學(xué)透,而且要在教學(xué)的環(huán)節(jié)中巧妙設(shè)置滲透的時(shí)機(jī),促使學(xué)生在學(xué)習(xí)交流的過(guò)程中能潛移默化地熟悉和領(lǐng)會(huì)數(shù)形轉(zhuǎn)化對(duì)應(yīng)關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生自主地、有意識(shí)地運(yùn)用數(shù)形轉(zhuǎn)化思想,從而掌握常用的數(shù)形轉(zhuǎn)化技巧.如運(yùn)用坐標(biāo)系繪制函數(shù)圖象、賦予數(shù)式(如方程、不等式等)的幾何直觀、給予直觀圖形的數(shù)式表達(dá)等.
2" 數(shù)形巧妙轉(zhuǎn)化,突出特色效果
2.1" 形轉(zhuǎn)數(shù),揭示數(shù)的細(xì)微
解決形的問(wèn)題,可以考慮其對(duì)應(yīng)的數(shù)的模型,通常通過(guò)方程(組)、坐標(biāo)系、向量、復(fù)數(shù)等數(shù)量關(guān)系,把形的推理部分削弱或者省去,精確地將形的部分或全部轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù),最終形的相關(guān)問(wèn)題都?xì)w結(jié)為對(duì)應(yīng)的數(shù)量相關(guān)問(wèn)題.如我們平時(shí)常遇到幾何中的線段、角的關(guān)系問(wèn)題,事實(shí)上就是研究關(guān)于這些線段、角的數(shù)量之間的關(guān)系.可以用字母來(lái)表示線段、角,問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就轉(zhuǎn)化為含字母的數(shù)式關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了形轉(zhuǎn)數(shù),進(jìn)而利用恒等式或方程解決圖形的有關(guān)性質(zhì)問(wèn)題.
2.1.1" 借助方程(組)、不等式等實(shí)現(xiàn)形轉(zhuǎn)數(shù)
例1" 一個(gè)長(zhǎng)方體紙箱的長(zhǎng)、寬、高分別為5m、4m、2m,它要通過(guò)一個(gè)正方形窗口,試計(jì)算正方形窗口的最小邊長(zhǎng).
圖1
分析:根據(jù)題意畫出示意圖(如圖1),應(yīng)該選擇長(zhǎng)方體各個(gè)面中寬和高所在面,利用勾股定理建立方程,從而確定正方形與長(zhǎng)方形的邊長(zhǎng)之間的關(guān)系.
解:設(shè)AE=x,BE=y,根據(jù)題意,得
AE=AH=CF=CG=x,
BE=BF=DG=DH=y.
根據(jù)勾股定理,得
x2+x2=42,
y2+y2=22,解得x=22,
y=2.
∴x+y=22+2=32.
例2" 如圖2,△ABC中,點(diǎn)D是BC邊上一點(diǎn),DE∥AC交AB于點(diǎn)E,且△ADE的面積為5,試確定△ABC面積S的取值范圍.
分析:由DE∥AC可知,△ABC的面積與△BDE面積有關(guān),而△BDE與△ADE的面積比等于BE與AE的比,那么△ABC與△ADE的面積關(guān)系就可以確定,△ABC面積的取值范圍就可以求出來(lái).
圖2
解:設(shè)BEAB=x.
∴S△BDES=x2.
∴S△BDE=Sx2.
S△BDES△ADE=BEAE=x1-x=Sx25.
整理,得Sx2-Sx+5=0.
∵這個(gè)關(guān)于x的方程有實(shí)數(shù)根,
∴Δ=S2-4×S×5≥0.
∴S≥20.
2.1.2" 借助函數(shù)實(shí)現(xiàn)形轉(zhuǎn)數(shù)
例3" 如圖3,△ABC中,AB=BC,D為AC邊上一動(dòng)點(diǎn),作DE∥AB交BC于E,DF∥BC交AB于F,EM、FN、BH分別是△DEC、△AFD、△ABC的高.
圖3
(1)猜想EM、FN、BH之間的數(shù)量關(guān)系,并加以證明.
(2)若tanC=2,AC=4,試求四邊形DFBE的面積的最值.
分析:(1)根據(jù)DE∥AB及DF∥BC可以得到△DEC、△AFD均是等腰三角形,那么EM、FN、BH都是等腰三角形的底邊上的高,借助三角函數(shù)可得EM=CMtanC=12CDtanC,同理FN=12ADtanA,BH=12ACtanA,又∠A=∠C,就可以知道EM、FN、BH之間的數(shù)量關(guān)系.
(2)確定四邊形DFBE的函數(shù)表達(dá)式,通過(guò)函數(shù)的性質(zhì)來(lái)求面積的最值.
解:(1)EM+FN=BH.
證明如下:∵AB=BC,
∴∠A=∠C.
∵DE∥AB,DF∥BC,
∴∠CDE=∠A,∠FDA=∠C.
∴∠CDE=∠C,∠FDA=∠A.
∵EM、FN、BH分別是△DEC、△AFD、△ABC的高,
∴EM=CMtanC=12CDtanC.
同理,F(xiàn)N=12ADtanA,BH=12ACtanA.
又tanC=tanA.
∴EM+FN=12CDtanC+12ADtanA=12(AD+CD)tanA=12ACtanA=BH.
即EM+FN=BH.
(2)設(shè)CD=x,四邊形DFBE的面積為S.
則EM=12CDtanC=x,F(xiàn)N=4-x,BH=4.
∴S△DCE=12x×x=12x2,S△ADF=12(4-x)×(4-x)=12(4-x)2,S△ABC=12×4×4=8.
∴S=S△ABC-S△DCE-S△ADF=8-12x2-12(4-x)2=-x2+4x=-(x-2)2+4.
∴當(dāng)x=2時(shí),S有最大值4.
2.2" 數(shù)轉(zhuǎn)形,展現(xiàn)形的直觀
形是數(shù)的直觀表現(xiàn),探究抽象的數(shù)所蘊(yùn)含的圖形幾何直觀,從而把抽象的數(shù)轉(zhuǎn)化為直觀的形,然后利用圖形的性質(zhì)將問(wèn)題解決.如在解方程、不等式、求函數(shù)的定義域及值域、代數(shù)式及函數(shù)的最值、三角函數(shù)的問(wèn)題都可以運(yùn)用這種方法進(jìn)行解決.這是問(wèn)題解決中最為常見(jiàn)的思路,可以直接簡(jiǎn)化解題過(guò)程,避免繁雜的計(jì)算和推理.
2.2.1" 巧用數(shù)式、方程(組)、不等式等所賦予的幾何意義實(shí)現(xiàn)數(shù)轉(zhuǎn)形
例4" 若0lt;xlt;4,求代數(shù)式x2+1+(4-x)2+4的最小值.
分析:由x2+1及(4-x)2+4聯(lián)想到勾股定理,構(gòu)造兩個(gè)直角三角形,把問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求幾何最值問(wèn)題.
解:如圖4,作線段AB=4、Rt△ACD、Rt△BED,其中∠A=∠B=90°,點(diǎn)D是線段AB上的動(dòng)點(diǎn).
由于0lt;xlt;4,可設(shè)AD=x,則BD=4-x,CD=x2+1,DE=(4-x)2+4.
∴x2+1+(4-x)2+4的最小值就是CD+DE的最小值.
∴當(dāng)C、D、E三點(diǎn)共線時(shí),CD+DE最小,即為線段CE的長(zhǎng)度(如圖5).
這時(shí)過(guò)C點(diǎn)作CF∥AB交EB的延長(zhǎng)線于點(diǎn)F.
∴∠F=∠ABF=90°,且四邊形ABFC為矩形.
∴BF=AC=1,CF=AB=4.
∴EF=3.
∴CE=CF2+EF2=42+32=5.
2.2.2" 巧用函數(shù)的幾何直觀實(shí)現(xiàn)數(shù)轉(zhuǎn)形
例5" 已知函數(shù)y=-x+12t-1,xlt;t,
x-32t-1,x≥t,其中t為常數(shù),記這個(gè)函數(shù)的圖象為M.已知點(diǎn)A(0,-1),B(0,2),C(2,-1),當(dāng)t滿足什么條件時(shí),圖象M與△ABC有兩個(gè)公共點(diǎn).
分析:通過(guò)函數(shù)圖象可以直觀展現(xiàn)圖象與△ABC的交點(diǎn)情況,由圖象經(jīng)過(guò)特殊定點(diǎn)A、B、C來(lái)確定t所滿足的條件.
解:設(shè)y1=-x+12t-1,y2=x-32t-1.
①如圖6,當(dāng)y2經(jīng)過(guò)點(diǎn)B時(shí),圖象M與△ABC有一個(gè)公共點(diǎn),
這時(shí)2=0-32t-1,
解得t=-2.
圖6
②如圖7,當(dāng)y2經(jīng)過(guò)點(diǎn)A時(shí),圖象M與△ABC有兩個(gè)公共點(diǎn),把A(0,-1)代入y2,得
-1=0-32t-1,
解得t=0.
圖7
綜合①②,得當(dāng)-2lt;t≤0時(shí),圖象M與△ABC有兩個(gè)公共點(diǎn).
③當(dāng)y1經(jīng)過(guò)點(diǎn)A時(shí),把A(0,-1)代入y1,得-1=0+12t-1,
解得t=0.
∴tgt;0時(shí),隨著t值的增大,y1與線段AB、AC各有一個(gè)交點(diǎn),y2與線段AC、BC各有一個(gè)交點(diǎn),因而圖象M與△ABC有四個(gè)交點(diǎn),直到y(tǒng)2經(jīng)過(guò)點(diǎn)C(如圖8).
圖8
④如圖9,當(dāng)y2經(jīng)過(guò)點(diǎn)C時(shí),把C(2,-1)代入y2,得
-1=2-32t-1,
解得t=43.
這時(shí)y1分別與AB、AC各有一個(gè)交點(diǎn),此時(shí)圖象M與△ABC有三個(gè)公共點(diǎn),當(dāng)t繼續(xù)增大時(shí),圖象M與△ABC有兩個(gè)公共點(diǎn),直到y(tǒng)1經(jīng)過(guò)點(diǎn)B.
圖9
⑤如圖10,當(dāng)y1經(jīng)過(guò)點(diǎn)B時(shí),圖象M與△ABC有一個(gè)交點(diǎn),把B(0,2)代入y1,得
2=0+12t-1,
解得t=6.
圖10
綜合④⑤,得當(dāng)43lt;t≤6時(shí),圖象M與△ABC有兩個(gè)公共點(diǎn).
∴當(dāng)-2lt;t≤0或43lt;t≤6時(shí),圖象M與△ABC有兩個(gè)公共點(diǎn).
3" 數(shù)形轉(zhuǎn)化教學(xué)中應(yīng)遵循的原則
數(shù)形轉(zhuǎn)化作為重要的數(shù)學(xué)思想,其實(shí)它也是一種重要數(shù)學(xué)解題策略.由于它是在數(shù)與形對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)下進(jìn)行的,所以在教學(xué)過(guò)程中,分析問(wèn)題和解決問(wèn)題注意要遵循如下原則.
(1)等價(jià)性原則:進(jìn)行數(shù)形轉(zhuǎn)化要充分考慮圖形的存在性、整體性、準(zhǔn)確性、界限性、合理性,確保代數(shù)性質(zhì)與幾何性質(zhì)可以進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換.
(2)科學(xué)性原則:數(shù)形的互化包含了圖形的代數(shù)抽象和代數(shù)的圖形的直觀賦予,這兩部分的相互對(duì)應(yīng)必須
科學(xué)合理,能充分揭示數(shù)形完美的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)數(shù)與形的雙重科學(xué)統(tǒng)一.
(3)簡(jiǎn)易化原則:數(shù)形轉(zhuǎn)化的作用是解決問(wèn)題快速、簡(jiǎn)捷、高效.選擇這種思想后,就要選擇方法,如幾何法或代數(shù)法,還是幾何法和代數(shù)法相結(jié)合.在充分分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上選擇簡(jiǎn)單快速有效的方法,避免為了“數(shù)形轉(zhuǎn)化”而把問(wèn)題復(fù)雜化.
4" 教學(xué)中滲透數(shù)形轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)思想
4.1" 加強(qiáng)教材研究,結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)挖掘數(shù)形轉(zhuǎn)化思想
教學(xué)中滲透數(shù)形轉(zhuǎn)化思想可以提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng),增強(qiáng)他們的思維能力,提升他們的解題水平,滲透數(shù)形轉(zhuǎn)化思想的途徑主要有下面三類.
(1)坐標(biāo)類.有直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系、復(fù)平面等.
(2)建模類.構(gòu)建幾何、函數(shù)等模型.
(3)轉(zhuǎn)化類.準(zhǔn)確分析數(shù)式、方程(組)、不等式等所賦予
的
幾何直觀意義,圖形所對(duì)應(yīng)的數(shù)量關(guān)系,進(jìn)行數(shù)與形的精確轉(zhuǎn)化.
《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》著重提到學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的培養(yǎng),因而在教學(xué)中注重滲透數(shù)形轉(zhuǎn)化的思想,有利于提高學(xué)生上面的“四力”,對(duì)開拓學(xué)生的視野,培養(yǎng)學(xué)生觀察、比較、類比、聯(lián)想能力有很大的幫助,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索最佳的解決問(wèn)題的方法有一定的指導(dǎo)意義.[1]數(shù)形轉(zhuǎn)化的思想形成后,可以促進(jìn)學(xué)生自覺(jué)進(jìn)行抽象化思考,形成自己正確的解題策略,提升他們的數(shù)學(xué)素養(yǎng),培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)鉆研數(shù)學(xué)的興趣.
4.2" 重視教學(xué)探索,尋找恰當(dāng)時(shí)機(jī)滲透數(shù)形轉(zhuǎn)化思想
數(shù)形轉(zhuǎn)化中的數(shù)有豐富的內(nèi)涵及外延,可以是平時(shí)普遍接觸的數(shù),也可以是式子、方程、不等式、函數(shù)等.數(shù)的幾何直觀圖形表示就稱為形.形是研究圖形的性質(zhì),只要精確尋找出抽象的數(shù)的問(wèn)題所對(duì)應(yīng)的幾何圖形,問(wèn)題就可以用圖形直觀的來(lái)表達(dá).數(shù)的抽象理解可以轉(zhuǎn)化為直觀的圖形來(lái)展示,所以抽象的理解如果變?yōu)閳D形的識(shí)別,多么復(fù)雜的數(shù)的抽象問(wèn)題都會(huì)用圖形輕而易舉地解決,學(xué)生的思維深刻性也會(huì)得到進(jìn)一步培養(yǎng).
其實(shí)數(shù)形轉(zhuǎn)化始終貫穿在數(shù)學(xué)教材的每一章節(jié)之中,我們教師應(yīng)該要胸有成竹,如不等式的解集與數(shù)軸、函數(shù)與圖象、集合與文氏圖等,又如引入坐標(biāo)系后,代數(shù)與幾何在解析幾何中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一等.教師在教學(xué)探索中應(yīng)善于運(yùn)用實(shí)際的事例,結(jié)合生活實(shí)際和學(xué)生發(fā)展具體情況,在課堂教學(xué)中實(shí)時(shí)滲透數(shù)形轉(zhuǎn)化的思想方法,有計(jì)劃、有目的地引導(dǎo)學(xué)生啟動(dòng)動(dòng)態(tài)思維,改變思維方式,對(duì)問(wèn)題進(jìn)行多角度、多層次、有針對(duì)性的思考,學(xué)生的思維發(fā)散性也會(huì)進(jìn)一步得到培養(yǎng).
我們知道事物是運(yùn)動(dòng)變化的,數(shù)與形的關(guān)系可理解為事物運(yùn)動(dòng)的某時(shí)刻的兩個(gè)量的刻畫,即數(shù)量取值和位置,于是在分析、處理、研究教材時(shí),可以適當(dāng)采用動(dòng)態(tài)思維來(lái)思考,從而揭開知識(shí)前后變化及相互聯(lián)系的成因,進(jìn)而從根本上認(rèn)清事物的變化發(fā)展,有力地促進(jìn)學(xué)生辯證思維的發(fā)展.因此在平時(shí)的教學(xué)中,應(yīng)不失時(shí)機(jī)地合理進(jìn)行數(shù)形轉(zhuǎn)化思想的滲透,同時(shí)還要關(guān)注學(xué)生如下能力的培養(yǎng).
(1)圖形觀察能力的培養(yǎng),能從圖形的動(dòng)靜變化中迅速發(fā)現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)量關(guān)系.
(2)圖形繪制能力的培養(yǎng),能使所繪制的圖形準(zhǔn)確契合所對(duì)應(yīng)的數(shù)量關(guān)系.
(3)數(shù)形轉(zhuǎn)化意識(shí)的培養(yǎng),能熟練做到觀形識(shí)別數(shù)量關(guān)系,看數(shù)學(xué)關(guān)系聯(lián)系圖形性質(zhì).
通過(guò)數(shù)形轉(zhuǎn)化的教學(xué),促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)與形的內(nèi)在關(guān)系的深入了解,它也是一種數(shù)學(xué)問(wèn)題模型轉(zhuǎn)化研究的基本思路和方法,可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會(huì)形轉(zhuǎn)數(shù),數(shù)轉(zhuǎn)形的妙用,掌握數(shù)與形等價(jià)轉(zhuǎn)化技巧.這不僅能培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性,也有助于學(xué)生情感價(jià)值觀的培養(yǎng).
數(shù)學(xué)家波利亞(George Polya)說(shuō)過(guò)掌握數(shù)學(xué)就是善于解題.解題通俗說(shuō)就是求出問(wèn)題的結(jié)果,通常也可以叫做問(wèn)題的答案,
揭示問(wèn)題中的條件和結(jié)論的聯(lián)系,探究怎樣把已知的條件推導(dǎo)出未知的結(jié)論.而數(shù)形轉(zhuǎn)化的思想正是一種化未知為已知的直觀有效并且簡(jiǎn)潔的思路,直觀的圖形和精確的數(shù)量完美結(jié)合常常會(huì)給我們美妙的啟迪,甚至給我們開辟了一種別樣的解決問(wèn)題的途徑,可以使繁雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化、抽象問(wèn)題具體化,從而優(yōu)化解題過(guò)程,提高解題效率.
我們知道數(shù)學(xué)問(wèn)題種類繁多,考查的知識(shí)不同,設(shè)置的條件和結(jié)論不同,難易程度也不同,但是解題的思想方法可以在不同的問(wèn)題中使用.因而教師在教學(xué)中要尤為重視數(shù)形轉(zhuǎn)化思想的滲透.這是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作,只要通過(guò)日積月累、潛移默化,一定能提高學(xué)生的數(shù)學(xué)解題能力.
俗話說(shuō)“授人以魚”不如“授人以漁”,教師在教學(xué)中更要重視“教什么”“怎么教”“為什么這么教”,切實(shí)幫助學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為自主學(xué)習(xí),主動(dòng)探索知識(shí)的產(chǎn)生過(guò)程,探究數(shù)學(xué)問(wèn)題的思想方法,變“老師要我學(xué)什么,我就學(xué)什么”為“我要學(xué)什么,怎么學(xué),為什么這么學(xué)”,真正體現(xiàn)學(xué)生主體,教師主導(dǎo)的作用.數(shù)形轉(zhuǎn)化思想就是一種重要的數(shù)學(xué)“漁法”,可以利用數(shù)形互化,化復(fù)雜為簡(jiǎn)捷,去抽象為具體.
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