“结构分析法”在数学教学中的运用初探

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  摘 要:在数学教学过程中,运用“结构分析法”能有效地把教师的“教法”与学生的“学法”有机地结合起来,体现二法合一的内在统一性。一法二用,能使学生对数学概念、公式、法则等数学知识的深刻理解和灵活掌握得到很大程度的提高;能使学生灵活多变地解决问题,提高学习效率,达到“授之以渔”的教学目的。
  关键词:结构分析法;数学;教法;学法;运用
  中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1005-1422(2015)02-0064-03
  收稿日期:2015-01-20
  作者简介:陈海滨(1967-),男,广东省梅州农业学校讲师,大学本科。研究方向:数学教育。(广东 梅州/514011)
  在数学的教学活动中,教师往往侧重于“教法”的积极探索而忽视对学生的“学法”的研究指导,造成整个教学过程脱节。于是,出现一个怪现象:课上教师尽所能、展才智充分调动学生积极性、激发学习兴趣,学生听得懂,叫好,而课后学生复习、练习、作业、考试时又感到不理解、不会做、考不好,叫苦,只开花不结果。那么怎样才能使“教法”寓于“学法”,“学法”源于“教法”,将二者有机地结合起来,既开花又结果呢?这就要求教师要从不同的角度全方位地进行教学设计。笔者认为,教师是导演——统揽全局,也是演员——把握精辟,还是观众——期待效果。从教师的角度“导”出“教法”;从学生的角度“演”出“学法”;从家长的角度“观”出效果。正是本着这样的理念,经过多年的教学积累探索出一种教与学的通用之法——结构分析法。经过多年的实践检验表明,此法特别适合代数教学。本文就以代数教学为例进行阐述。
  所谓的“结构分析法”就是依据数学的换元思想,通过观察分析数学概念、公式、法则等数学知识结构形式的特点,对其结构形式进行分解——确定“可变”与“不变”两个部分,用中括号[ ]代替“可变部分”找出规律,揭示出其本质特征,从而深刻地理解其内涵,灵活地掌握和运用数学知识解决问题,提高教学效率的一种方法。
  一、结构分析法在数学“教”的过程中的运用
  (一)在数学概念教学方面的运用
  例1.“函数概念”的教学分析。
  函数是数学中十分重要的概念,是数学各个分支理论的重要基础之一,在各个领域都有着广泛的应用。由此可见,深刻地理解函数概念是至关重要的。然而,学生普遍感到较难理解“函数概念”,尤其是对用抽象符号:“y=f(x)”表示函数的理解感到一头雾水。现在就从这里入手,运用“结构分析法”进行分析。
  观察,函数y=f(x)的结构形式进行如下分析:
  这样,学生容易片面地理解函数的概念:误认为x就是自变量,y就是因变量,而解析式表示的就是函数。缺乏对函数概念的深层次地理解,导致在学习过程中遇到有关函数问题时,就问题多多。
  现在,我们对上述结构形式进行分解,确定“可变”部分为x和y所在的位置,余者不变。用中括号[ ]代替“可变”部分——x和y所在的位置,就不难发现对于一个确定的函数,无论是具体的还是抽象的都可以理解如下:
  显然,在函数的构成要素中,最重要的是函数的定义域和对应法则,最难理解的就是“对应法则”(不变部分)。事实上,对于一个确定的函数其对应法则是不变的、抽象的。
  现在,通过几个例子加以说明如何运用结构分析法揭示出对应法则的本质特征。
  例如,二次函数f(x)=3x2 2x 1的对应法则f的本质特征是:f[ ]=3×[ ]2 2×[ ] 1
  函数值:当x=2时,有f(2)=3×22 2×2 1=17
  当x=t时,有f(t)=3×t2 2×t 1=3t2 2t 1
  对应法则f:[ ]内取2,则有f[2]=3×[2]2 2×[2] 1=3×22 2×2 1=17
  [ ]内取t,则有f[t]=3×[t]2 2×[t] 1=3×t2 2×t 1=3t2 2t 1
  显然,f(2)=f[2],f(t)=f[t]
  再如,复合函数g(x)=lg(3 x2 2x)的对应法则g的本质特征是:g[ ]=lg(3×[ ]2 2×[ ])
  函数值:当x =2时,有g(2)=lg(3×22 2×2)=4lg2
  当x=t时,有g(t)=lg(3×t2 2×t)= lg(3t2 2t)
  对应法则g:[ ]内取2,则有g[2]=lg(3×[2]2 2×[2])=lg(3×22 2×2)=4lg2
  [ ]内取t,则有g[t]=lg(3×[t]2 2×[t])= lg(3×t2 2×t)= lg(3t2 2t)
  显然,g(2)= g[ 2 ], g(t)= g[t]
  这就说明了对应法则的本质是理解时抽象而运用时又具体的一种对应关系。学生就容易理解函数f(t)=3t2 2t 1与函数f(x)=3x2 2x 1是同一个函数;函数g(x)=lg(3x2 2x)与函数g(t)=lg(3t2 2t)也是同一个函数。自然认同x、y只是一个记号,习惯用之而已。从而更加容易理解“每一个函数都有其对应法则,并且每一个自变量的取值按其对应法则都有唯一的因变量的值与之对应”的内涵。这样,使学生通过“抽象——具体——抽象”的认识过程,进而深刻地理解函数概念的内涵。
  像幂函数、指数函数、对数函数、三角函数及其复合函数,还有抽象函数等函数概念都可以运用“结构分析法”进行数学概念教学,使学生更加容易把握数学概念的本质特征,提高教学效果。
  (二)在数学公式教学方面的运用
  例2.三角函数中“诱导公式”的教学分析。
  常用的诱导公式有9组36个公式,若要求学生死记硬背难度大且用时易错,用“结构分析法”教学,可以概括出“口诀”,易记、好用、准确。   诱导公式中角的形式有9种:“2kπ±α(k∈Z),π±α,0-α,π2±α,3π2±α”。 观察分析这9种角的结构形式发现:“2kπ,π,0”角的终边都在横轴上;“π2,3π2”角的终边都在纵轴上。
  (因篇幅所限,选几组加以分析)
  sin(π±α)=sinα
  cos(π±α)==cosα
  tan(π±α)=±tanα
  cot(π±α)=±cotα公式(一)
  可变部分“±”, 余者不变
  sin(3π2±α)==cosα
  cos(3π2±α)=±sinα
  tan(3π2±α)=cotα
  cot(3π2±α)=tanα
  公式(二)
  可变部分“±”、“名称”, 余者不变
  sin(π±α)=[ ]sinα
  cos(π±α)=[ ]cosα
  tan(π±α)=[ ]tanα
  cot(π±α)=[ ]cotα
  sin(3π2±α)=[ ][ ]α
  cos(3π2±α)=[ ][ ]α
  tan(3π2±α)=[ ][ ]α
  cot(3π2±α)=[ ][ ]α
  首先,确定函数“名称”的变化规律。
  观察分析公式(一)、公式(二)两边的函数名称发现:公式(一)名称不变,且π角的终边在横轴上,公式(二)名称改变,且3π2角的终边在纵轴上,由此概括出函数“名称”的变化规律:“纵变横不变”。
  其次,确定“±” 符号变化规律。
  观察分析公式(一)、公式(二)两边的函数值符号发现:等式左边的函数值符号都是正的,而等式右边的函数值符号是变化的,若把α看成是锐角时就会发现:由“π±α,3π2±α”角的终边所在的象限确定的函数值符号排布规律与右边函数值符号排布规律一致,这说明右边的函数值“符号”是由左边的“π±α,3π2±α”角的终边所在的“象限”确定的函数值符号排布规律决定的。由此可以概括出符号变化规律:“符号看象限”。
  这样,可以得到诱导公式的口诀为:“纵变横不变,符号看象限”。
  例3.三角函数中“二倍角公式”的教学分析。
  许多数学公式在理解和运用时,学生常常忽视它们内在成立的“条件”或者运用的“条件”,而片面地理解数学公式,导致用时易错、缺乏灵活性。若用“结构分析法”教学,则可以使学生深刻理解公式的内涵,提高灵活运用的能力。
  以“二倍角公式”的教学为例进行分析:
  sin2α=2sinαcosα
  cos2α=cos2α-sin2α
  =1-2sin2α
  =2cos2α-1
  tan2α=2tanα1-tan2α
  可变部分“2α,α”
  sin[ ]=2sin[ ]cos[ ]
  cos[ ]=cos2[ ]-sin2[ ]
  =1-2sin2[ ]
  =2cos2[ ]-1
  tan[ ]=2tan[ ]1-tan2[ ]
  观察分析上述公式的结构形式发现“可变部分”是2α,α,余者“不变”,从而揭示出公式成立的“条件”:左边角的“形式”是右边角的“形式”的二倍,公式成立,反之亦然。于是,可以得到许多常用的结论:
  如:sinα=2sinα2cosα2sinα2cosα2=12sinα;
  sin2α=1-cos2α2 (降幂扩角公式);
  sinα2=±1-cosα2 (半角公式)
  等等,这些在求三角函数的周期、最值等问题时常用。
  由此看来,运用“结构分析法”进行数学公式教学,更加容易抓住数学公式的本质特征。若能概括出“口诀”,揭示出“条件”,就会使学生对数学公式的深刻理解和灵活掌握得到很大程度的提高,从而提高教学效果。
  二、结构分析法在数学“学”的过程中的运用
  (一) 触类旁通,掌握新知识
  1.引导学生学会概括数学公式(法则)的“口诀”,提高记忆效果和学习效率。
  例4.引导概括:三角函数中“加法定理”的口诀。
  sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ
  cos(α±β)=cosαcosβsinαsinβ
  tan(α±β)=tanα±tanβ1tanαtanβ
  引导学生类似“诱导公式”的分析方法,观察分析上述公式的结构形式,发现角的排布规律明显——先α后β。
  首先,观察分析上述公式的三角函数名称的排布规律发现:正弦、余弦名称“改变”,正切名称“不变”。由此可以概括为:“弦变切不变”。弦变之意为:“正弦正在先,名称交替出现;余弦余在前、名称重复出现”。
  其次,观察分析上述公式的“±”号的排列规律发现:正弦左右一致;余弦左右相反;正切分子一致,分母相反。由此可以概括为:“符号有顺逆”。顺逆之意为:“弦正顺余逆;切上顺下逆”。
  因此,可以得到加法定理“口诀”为:“弦变切不变,符号有顺逆”。
  这样,就抓住了数学公式的本质特征,在理解掌握数学公式时就会感到:易记、好用、准确、高效。
  2.引导学生学会揭示数学公式(法则)的“条件”,提高理解运用的准确性和灵活性。
  例5.引导学生学会揭示重要极限limx→∞1 1xx=e的“条件”。
  引导学生类似“二倍角公式”的分析方法,观察分析上述公式的结构形式发现:“可变部分”是1x与x,且成倒数关系,余者“不变”。即limx→∞1 [ ][ ]=e,于是,公式成立的“条件”是:小括号内的[ ]与小括号外的[ ]的结构形式成倒数关系且与x有关,当x→∞时,小括号外的[ ]→∞,公式成立。   再如,limx→0sinxx=1→limx→0sin[ ][ ]=1。成立的“条件”是:[ ]内的结构形式一致且与有关,当x→0时,[ ]→0,公式成立。
  这样,在运用数学公式时,就能准确、灵活、快速地解决问题。
  (二) 举一反三,解决新问题
  学以致用,举几个例子看一下由“结构分析法”得出的结果在数学解题中的应用。
  例6.已知函数f(x)=x2 2,g(x)=2x 1,求f(g(x2))
  解:∵g(x2)=2x2 1, ←g[]=2×[] 1 (对应法则g)
  ∴f(g(x2))=(g(x2))2 2,←f[]=[]2 2(对应法则f )
  =(2x2 1)2 2
  =4x4 4x2 3
  例7.求函数y=sin(kx-π6)sin(kx π3),k≠0的最小正周期。
  解:∵y=sin(kx-π6)sinπ2 (kπ-π6)
  =sin(kx-π6)cos(kx-π6) 纵变横不变,符号看象限(诱导公式口诀)
  =12sin(2kπ-π3)
  左边角是右边角的一半,二倍角公式成立(条件)
  ∴最小正周期为:T=π|k|
  例8.求limx→∞2x 32x 1(x 1)
  解:原式=limx→∞1 22x 1x 12 12
  =limx→∞1 1x 12x 121 1x 1212
  =e·1=e 1x 12与x 12成倒数关系,公式成立(条件)
  综上所述,“结构分析法”在整个教学活动中,体现了二法合一的内在统一性。一法二用,不仅能使学生易于接受“教法”,理解知识,听得明白,又能使学生利于掌握“学法”,学会思考,解决问题,还能使学生对数学概念、公式、法则等数学知识的深刻理解和灵活掌握得到很大程度的提高。从而能灵活多变地快速解决问题,提高学习效率,达到“授之以渔”的教学目的。
  参考文献:
  [1]李雪于,孙伟奇.用结构分析法解数学综合题[J].福建中学教学,2010(7).
  [2]石志群.分析结构特征,探索解题思路[J].数学大世界(高中生数学辅导版),2012(3).
  责任编辑 朱守锂
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