“做實(shí)驗(yàn)”培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)

《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，數(shù)學(xué)抽象是指通過對(duì)數(shù)量關(guān)系與空間形式的抽象，得到數(shù)學(xué)研究對(duì)象的素養(yǎng).主要包括：從數(shù)量與數(shù)量的關(guān)系、圖形與圖形的關(guān)系中抽象出數(shù)學(xué)概念及概念之間的關(guān)系，從事物的具體背景中抽象出一般規(guī)律和結(jié)構(gòu)，并用數(shù)學(xué)語言予以表征.在平時(shí)的數(shù)學(xué)教學(xué)中，不少學(xué)生對(duì)概念認(rèn)知不清晰，理解不深刻，應(yīng)用解決問題容易出現(xiàn)偏差.數(shù)學(xué)抽象作為數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，在課堂教學(xué)中應(yīng)通過做實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性，探究數(shù)學(xué)概念形成過程的原理，加深對(duì)數(shù)學(xué)概念的理解[1].本文中結(jié)合具體教學(xué)案例進(jìn)行探究.

1 案例背景

課下和學(xué)生交流討論問題時(shí)，問了學(xué)生這樣一個(gè)問題：“在學(xué)習(xí)過程中，你們的數(shù)學(xué)老師帶著你們做過哪些實(shí)驗(yàn)來幫助你們認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)概念？”

有幾位學(xué)生不假思索，脫口而出：

生甲：在八年級(jí)上冊(cè)學(xué)習(xí)三角形時(shí)，我們數(shù)學(xué)老師讓我們做了長方形、正方形、和三角形模型，然后讓我們拉動(dòng)長方形、正方形、三角形，我們的直觀印象是長方形、正方形很容易被拉變形了，而三角形沒有變形，這加深了我對(duì)三角形穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí).

生乙：在高中學(xué)習(xí)幾何體的體積時(shí)，老師用一個(gè)圓柱形狀的瓶子裝了一瓶沙子，讓我們用紙做一個(gè)與圓柱同底等高的圓錐，然后用圓錐裝圓柱形狀瓶子里的沙子，大概裝了三次才裝完，讓我們加深了對(duì)圓錐體積公式V=13Sh的認(rèn)識(shí).

生丙：上勾股定理那一節(jié)時(shí)，老師讓我們用小木棍拼三角形，三邊長度分別為（3，4，5）或（6，8，10）或（5，12，13）.再用量角器去測量角度，得到直角三角形的三邊關(guān)系，即a2+b2=c2（勾股定理），加深了對(duì)勾股定理的認(rèn)識(shí).

筆者從交流同學(xué)的眼中看到了閃亮閃亮的快樂.

啟示：在數(shù)學(xué)教學(xué)中，教師要多鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)探索與創(chuàng)新.通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠親自體驗(yàn)，去實(shí)踐，從而深入地理解數(shù)學(xué)原理和概念，相較于傳統(tǒng)的死記硬背，無疑更加有效[2].皮亞杰的認(rèn)識(shí)與發(fā)展理論指出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生通過自身經(jīng)驗(yàn)來探索和理解世界，從而促進(jìn)他們的認(rèn)識(shí)與發(fā)展.瑪麗·蒙臺(tái)梭利教學(xué)法通過實(shí)際操作和感官體驗(yàn)來促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，從而提升對(duì)原理概念的認(rèn)識(shí).

當(dāng)然，也有不少學(xué)生說沒做過實(shí)驗(yàn)，筆者對(duì)比了一下做過實(shí)驗(yàn)和沒做過實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，發(fā)現(xiàn)做過實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的求知欲、主動(dòng)性都比較強(qiáng).杜威強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，他提倡“從做中學(xué)”的理念，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性.

雙曲線定義的教學(xué)可用“做實(shí)驗(yàn)”來探索雙曲線形成的原理，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，促進(jìn)數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)的培養(yǎng).

2 案例呈現(xiàn)

活動(dòng)1：動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)探究.

問題我們知道，平面內(nèi)與兩個(gè)定點(diǎn)F1，F(xiàn)2的距離之和等于常數(shù)（大于|F1F2|）的點(diǎn)的軌跡叫做橢圓，這兩個(gè)定點(diǎn)叫做橢圓的焦點(diǎn)，兩焦點(diǎn)間的距離叫做橢圓的焦距．設(shè)M是橢圓上的動(dòng)點(diǎn)，則需滿足|MF1|＋|MF2|=2a（2agt;|F1F2|）.

差是和的逆運(yùn)算，那么，平面內(nèi)與兩個(gè)定點(diǎn)F1，F(xiàn)2距離的差等于常數(shù)的點(diǎn)的軌跡是什么呢？

為了研究方便，設(shè)動(dòng)點(diǎn)為M，則問題即為研究滿足“|MF1|－|MF2|=常數(shù)C”的軌跡問題．

由于學(xué)生事先有預(yù)習(xí)，因此有的學(xué)生急著給出答案——雙曲線．果真是雙曲線嗎？一石激起千層浪！

學(xué)生當(dāng)場利用GGB作圖.

生1：選擇C=0，|PA|=|PB|，軌跡是AB的中垂線.

師：很好，考慮特值是我們平時(shí)解決問題中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié).

生2：我選擇Cgt;0，對(duì)于|MF1|－|MF2|=C（Cgt;0），我聯(lián)想到圓的性質(zhì)，圓上任一點(diǎn)到圓心的距離相等，可構(gòu)造兩相交圓．當(dāng)點(diǎn)P在以A，B為端點(diǎn)的兩條射線上移動(dòng)時(shí)形成雙曲線（如圖1）.圖1作圖過程其中F1，F(xiàn)2為平面內(nèi)兩定點(diǎn)，|MF1|=|PA|，|MF2|=|PB|，|AB|＜|F1F2|.掃碼可看圖1的作圖過程.

師：很漂亮，美麗的雙曲線.

作圖過程生3：老師我作出的軌跡是分別以F1，F(xiàn)2為端點(diǎn)的兩條射線（如圖2），為什么呀？掃碼看圖2的作圖過程.

師：你看看|MF1|－|MF2|=C（Cgt;0）的C是否等于|F1F2|？即|F1F2|=|AB|.

作圖過程生3：的確是的，我明白了.

生4：老師我沒有作出軌跡（如圖3），為什么??？掃碼看圖3的作圖過程.

師：哪位同學(xué)給我們解釋一下？

生5：我們所作的軌跡是兩圓的交點(diǎn)作為動(dòng)點(diǎn)形成的，而|MF1|－|MF2|=C（Cgt;0）的C大于|F1F2|，即|AB|gt;|F1F2|，也就是兩圓半徑差的絕對(duì)值小于圓心距，兩圓是內(nèi)含關(guān)系，所以沒有交點(diǎn)，因而不能形成軌跡.

師：太棒了！請(qǐng)同學(xué)們?yōu)樗恼?這就是數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的魅力，探究原理，樂在其中，我們不僅知道了原理，還溫習(xí)了兩圓的位置關(guān)系. 還有其他解釋嗎？

生6：還可以用三角形兩邊之差小于第三邊來解釋.

課堂氣氛熱鬧非凡，但雙曲線定義還沒有精準(zhǔn)形成，教學(xué)中趁熱打鐵，完善條件，抽象概念.

教學(xué)說明：從“差是和的逆運(yùn)算”，引導(dǎo)學(xué)生思考問題，過渡自然，引起學(xué)生對(duì)實(shí)數(shù)C的討論（C=0，Cgt;0，C＜0），滲透分類討論思想．學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中發(fā)現(xiàn)問題，逐步形成概念.而傳統(tǒng)的中學(xué)課堂教學(xué)往往以應(yīng)試為主，缺乏對(duì)學(xué)生探究能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[3].

活動(dòng)2：完善條件，抽象概念.

師：C小于零怎么考慮？

生7：老師，其實(shí)生2在演示已經(jīng)展示了，當(dāng)點(diǎn)P在以A為端點(diǎn)的射線上時(shí)，|PA|－|PB|就是小于零.我們可以用||PA|－|PB||=|AB|來統(tǒng)一，無論點(diǎn)P在以A為端點(diǎn)的射線上，還是在以B為端點(diǎn)的射線上.

師：很好！結(jié)合實(shí)驗(yàn)的條件，那么雙曲線的定義如何表述？

生8：通過“做實(shí)驗(yàn)”我們獲得雙曲線定義——把平面內(nèi)與兩個(gè)定點(diǎn)F1，F(xiàn)2的距離的差的絕對(duì)值等于非零常數(shù)（小于|F1F2|）的點(diǎn)的軌跡叫做雙曲線．其中這兩個(gè)定點(diǎn)叫做雙曲線的焦點(diǎn)，兩焦點(diǎn)間的距離叫做雙曲線的焦距．雙曲線上的動(dòng)點(diǎn)M滿足||MF1|－|MF2||=2a（0＜2a＜|F1F2|）．

師：太棒了！為你們鼓掌.這節(jié)課同學(xué)們通過動(dòng)手操作，探究雙曲線形成的原理，加深了對(duì)雙曲線概念的認(rèn)識(shí)和理解，得到了自己的作品，體驗(yàn)了主動(dòng)學(xué)習(xí)的樂趣.在雙曲線的定義中要注意兩點(diǎn)，即“距離的差的絕對(duì)值”與“非零常數(shù)小于|F1F2|”．

教學(xué)說明：軟件作圖，可以讓學(xué)生直觀感受雙曲線定義的形成，深刻理解概念的形成過程，利用兩圓的位置關(guān)系構(gòu)架距離差為定值，從而使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中感受雙曲線是由怎樣的點(diǎn)如何形成的，避免出現(xiàn)“知其然，不知其所以然”的局面．這種課堂，師生共情，學(xué)生積極參與，數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)探究過程中得以培養(yǎng)和提升.

3 案例反思

3.1 實(shí)驗(yàn)操作探索，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)概念的可視化

對(duì)于數(shù)學(xué)概念的學(xué)習(xí)，一直以來很多學(xué)生都覺得乏味枯燥，學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性不強(qiáng).在數(shù)學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生利用軟件工具，親自動(dòng)手，不僅活躍了課堂氣氛，還增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、趣味性和實(shí)演的直觀性，也使數(shù)學(xué)概念變得可視、清晰.在實(shí)驗(yàn)的過程中，感受概念滿足的條件，衍生拓展概念生成的過程及形成的原理，不僅培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，同時(shí)也提高了課堂的有效性，促進(jìn)數(shù)學(xué)抽象的培養(yǎng)[4].

3.2 師生互動(dòng)合作，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)

“天生我材必有用”，每個(gè)學(xué)生都有自己的閃光點(diǎn)，在數(shù)學(xué)課堂上師生合作，做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，教師既能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的一些問題，同時(shí)也能使師生的思維不斷碰撞，促使學(xué)生在碰撞中感受概念的形成過程，為學(xué)生搭建了一個(gè)自主、積極、敢于實(shí)驗(yàn)、大膽創(chuàng)新的學(xué)習(xí)平臺(tái).師生合作是課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)合作的能力和意識(shí)，而且提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，發(fā)展了學(xué)生主動(dòng)合作、主動(dòng)參與的能力，使每位學(xué)生都有事做，提升了學(xué)生的專注度，從而自主參與到做實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)中.

“做實(shí)驗(yàn)”引導(dǎo)學(xué)生通過親身體驗(yàn)，感悟數(shù)學(xué)概念形成、抽象的過程.通過“做實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生既加深了對(duì)研究對(duì)象的認(rèn)知，同時(shí)也體會(huì)到概念、公式、法則、性質(zhì)等的發(fā)現(xiàn)歸納過程，淬煉了不畏困難的意志品質(zhì)，養(yǎng)成了發(fā)現(xiàn)問題、研究問題與解決問題的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣.“做實(shí)驗(yàn)”使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，數(shù)學(xué)知識(shí)成為學(xué)生的勞動(dòng)作品，有力地促進(jìn)學(xué)生整體素養(yǎng)的培養(yǎng).

3.3" 教師引導(dǎo)解惑，實(shí)現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)培育

在“做實(shí)驗(yàn)”的過程，即“問題—實(shí)驗(yàn)探究—討論交流—整合提煉—總結(jié)”中，教師既要做好學(xué)生學(xué)習(xí)的陪跑者，又要做好學(xué)生學(xué)習(xí)的引路人.在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面要做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的明確，實(shí)驗(yàn)步驟清晰易懂，操作有利于學(xué)生的自主探究，多關(guān)注學(xué)生的參與度和積極性，及時(shí)解答學(xué)生的疑惑，引導(dǎo)他們深入思考，發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，從而在”做實(shí)驗(yàn)“中實(shí)現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的培育.為黨育人，為國育才，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興不能靠口號(hào)喊出來，需要一線教師在課堂奮力實(shí)踐，培育忠于黨，熱愛祖國的新時(shí)代奮斗者.

參考文獻(xiàn)：

[1]勞小明.核心素養(yǎng)理念引領(lǐng)下的高中數(shù)學(xué)概念教學(xué)新探[J].數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究，2019（11）：67.

[2]馮偉貞.高中數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)選編[M].北京：科學(xué)出版社，2017.

[3]孫彥.讓“數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)”走進(jìn)中學(xué)課堂——以對(duì)一道全國高中數(shù)學(xué)聯(lián)賽試題的再推廣為例[J].數(shù)學(xué)通報(bào)，2018（3）：4143，56.

[4]程花.通過數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)——以蘇科版“數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室”欄目素材為例[J].數(shù)學(xué)通報(bào)，2021（4）：3537，66.