劉金旺,陳穎
(湖南科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411201)
《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出,直觀想象是借助幾何直觀和空間想象感知事物的形態(tài)與變化,利用空間形式特別是圖形理解和解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的一種素養(yǎng)[1]。筆者精讀新課標(biāo)后對(duì)直觀想象素養(yǎng)的內(nèi)涵有了較深入的理解:幾何直觀是借助圖形認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)問(wèn)題并將知識(shí)進(jìn)行直觀遷移,從而解決相應(yīng)的問(wèn)題;空間想象則是從生活情境出發(fā),對(duì)幾何圖形進(jìn)行加工、改造,從而創(chuàng)造新的圖形。兩者既有不同點(diǎn)也有共同點(diǎn),我們應(yīng)該側(cè)重其相同點(diǎn),在問(wèn)題解決的過(guò)程中要處理好幾何直觀與空間想象的關(guān)系。直觀偏具體,想象偏抽象,直觀想象素養(yǎng)綜合了具體與抽象。
在《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中,直觀想象主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面:(1)建立數(shù)與形的聯(lián)系;(2)借助幾何圖形描述問(wèn)題;(3)借助幾何直觀理解問(wèn)題;(4)運(yùn)用空間想象認(rèn)識(shí)事物[1]。這四個(gè)方面沒(méi)有簡(jiǎn)單、復(fù)雜的難易之分,也沒(méi)有低級(jí)、高級(jí)的層次之分,它們是緊密相連的,但學(xué)生所能達(dá)到的水平是有差異的。新課標(biāo)中將直觀想象素養(yǎng)劃分為三個(gè)水平:水平一,能夠在熟悉的情境中抽象出實(shí)物的幾何圖形,建立數(shù)與形的聯(lián)系;水平二,能夠在關(guān)聯(lián)的情境中想象出幾何圖形,并能借助圖形解決實(shí)際問(wèn)題或數(shù)學(xué)問(wèn)題;水平三,能夠在綜合的情境中利用圖形,通過(guò)直觀想象建立數(shù)學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系,形成解決問(wèn)題的方法[1]。
調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),近幾年高考數(shù)學(xué)試卷中對(duì)直觀想象素養(yǎng)的考查占比越來(lái)越大,進(jìn)一步突顯出直觀想象素養(yǎng)在高中數(shù)學(xué)課程中的重要地位。學(xué)生直觀想象素養(yǎng)的發(fā)展離不開(kāi)直觀的感知,在教學(xué)過(guò)程中利用現(xiàn)實(shí)情境問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué),可激發(fā)學(xué)生直觀想象素養(yǎng);結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)的教學(xué)方式,能夠?qū)?fù)雜問(wèn)題直觀化,學(xué)生在切身感受圖形的變化過(guò)程中培養(yǎng)直觀想象素養(yǎng);教學(xué)內(nèi)容的延伸,能夠訓(xùn)練學(xué)生思維的延展性和綜合性,為學(xué)生直觀想象素養(yǎng)發(fā)展提供導(dǎo)向,進(jìn)而提高學(xué)生直觀想象素養(yǎng)。
數(shù)學(xué)課堂中的情境引入已然是近幾年的熱點(diǎn),成功的情境引入能夠迅速吸引學(xué)生的注意力,牽動(dòng)學(xué)生思維,讓學(xué)生調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)融入課堂學(xué)習(xí);在學(xué)生不會(huì)解決又急于解決問(wèn)題的心理之間制造一種懸念,激發(fā)其強(qiáng)烈的興趣與求知欲。很多學(xué)生對(duì)直觀想象的認(rèn)識(shí)比較模糊、抽象,因此,在數(shù)學(xué)教學(xué)中要多利用現(xiàn)實(shí)情境問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué),激發(fā)學(xué)生直觀想象素養(yǎng)。
創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)生活情境能夠讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)與生活的緊密聯(lián)系,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,讓其了解數(shù)學(xué)來(lái)源于生活并應(yīng)用于生活。教師在教學(xué)過(guò)程中可以通過(guò)一系列問(wèn)題驅(qū)動(dòng)讓學(xué)生找到數(shù)與形之間的特征與關(guān)系、歸納類(lèi)比出不同實(shí)例的共性與差異。學(xué)生經(jīng)歷數(shù)學(xué)中圖形的抽象、圖形的產(chǎn)生、圖形的變換進(jìn)而發(fā)現(xiàn)圖形中復(fù)雜的數(shù)學(xué)本質(zhì)。
例如在“直線與平面垂直的判定”這堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)中,教師在PPT上展示天安門(mén)前的旗桿與地面、地下車(chē)庫(kù)的立柱與地面、公路大橋的橋柱與水面位置關(guān)系的圖片時(shí),可請(qǐng)學(xué)生利用圖形的直觀性并充分發(fā)揮空間想象指明上述圖片的位置關(guān)系,從而導(dǎo)入新課。這樣的引入方式能幫助學(xué)生形象化地認(rèn)識(shí)直線與平面的垂直關(guān)系、在學(xué)習(xí)新知之前腦海中就儲(chǔ)存一些直線與平面垂直的圖形信息,激發(fā)學(xué)生的直觀想象素養(yǎng)。源于生活的實(shí)例,能夠減少對(duì)新知的陌生感,更能觸動(dòng)學(xué)生心靈。也有教師從播放《日晷》視頻引入教學(xué),學(xué)生在體會(huì)中華文明源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的同時(shí),亦可通過(guò)視頻中直觀的幾何圖形與關(guān)鍵詞“盤(pán)面與赤道平行,指針與地軸同向”抽象出直線與平面垂直的位置關(guān)系。學(xué)生發(fā)揮空間想象動(dòng)手制作日晷模型,從而導(dǎo)入新課。
在創(chuàng)設(shè)的情境中滲透數(shù)學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容,既可以擴(kuò)大學(xué)生文化視野,又可以弘揚(yáng)人文精神。與此同時(shí),在課堂中訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手操作能力對(duì)激發(fā)學(xué)生直觀想象素養(yǎng)也是一種好方法。
當(dāng)今社會(huì)儼然是一個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代,各種數(shù)據(jù)與圖形的處理方式已經(jīng)逐步成熟,多媒體技術(shù)在數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中使用的好處逐漸顯現(xiàn)。因此,教師熟練掌握相關(guān)軟件的操作方法,合理利用現(xiàn)代信息技術(shù),充分挖掘信息技術(shù)在數(shù)學(xué)直觀化教學(xué)中的作用,對(duì)學(xué)生直觀想象素養(yǎng)的培養(yǎng)有著重大意義。在傳統(tǒng)教學(xué)中教師只是單純直白地講授知識(shí),學(xué)生需要根據(jù)老師的語(yǔ)言描述在頭腦中構(gòu)造出相應(yīng)的教學(xué)情景,因此不具備直觀性,而現(xiàn)代教學(xué)方式隨著時(shí)代的變化不斷變革?,F(xiàn)代課堂教學(xué)中教師通過(guò)多媒體展示的直觀圖形可靜可動(dòng),甚至借助靜態(tài)圖形進(jìn)行動(dòng)態(tài)變換,通過(guò)向?qū)W生展示圖形的移動(dòng)、折疊、翻轉(zhuǎn)等變換,讓學(xué)生在圖形的變換中發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)美、找到解決問(wèn)題的本質(zhì)和思路。學(xué)生可在動(dòng)靜結(jié)合的背景下感知幾何圖形的性質(zhì)特征和數(shù)學(xué)結(jié)論的本質(zhì)特征,在這個(gè)過(guò)程中充分培養(yǎng)直觀想象素養(yǎng)。
數(shù)學(xué)是一門(mén)探究空間形式與數(shù)量關(guān)系的學(xué)科,以“形”的直觀尋找問(wèn)題中的已知條件、隱藏條件和未知條件,通過(guò)多媒體中直觀形象的圖形去理解問(wèn)題,運(yùn)用空間想象去思考問(wèn)題,從而找到解決問(wèn)題的方法。例如在“直線與平面垂直的判定”這堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)中,教師高效利用信息技術(shù),采用翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)。課前先請(qǐng)學(xué)生觀看幾何畫(huà)板中光源下旗桿影子變化的動(dòng)畫(huà)(如圖1所示),讓學(xué)生對(duì)直線與平面垂直提前有直觀感知,再請(qǐng)學(xué)生結(jié)合對(duì)下述問(wèn)題的思考,試著概括直線與平面垂直的定義。
圖1 光源下旗桿影子變化示意圖
(1)光源下,旗桿AB與它在平面上的影子BC所形成的角度是多少?
(2)隨著光源的挪動(dòng),影子BC的位置也會(huì)挪動(dòng),旗桿AB與影子BC所形成的角度會(huì)隨之變化嗎?
(3)旗桿AB與平面上任何一條不過(guò)B點(diǎn)的直線B’C’的位置關(guān)系是怎樣的呢?
在課前安排學(xué)生觀看教師的視頻講解,既節(jié)省了課堂教學(xué)時(shí)間,又培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力。教師利用現(xiàn)代教學(xué)軟件幾何畫(huà)板直觀的動(dòng)畫(huà)展示,幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)旗桿AB所在的直線與平面上任何一條過(guò)B點(diǎn)或不過(guò)B點(diǎn)的直線都垂直,學(xué)生可從中理解直線與平面垂直定義的實(shí)質(zhì),嘗試概括直線與平面垂直的定義。課堂上,教師在學(xué)生概括的基礎(chǔ)上得出直線與平面垂直的精確定義:如果直線L與平面α內(nèi)的任意一條直線都垂直,則稱(chēng)直線L與平面α互相垂直,記作L⊥α。直線L叫做平面α的垂線,平面α叫做直線L的垂面,直線與平面垂直時(shí),它們唯一的公共點(diǎn)P叫做垂足[2](如圖2所示)。
圖2 直線與平面垂直的定義示意圖
教學(xué)方式的變革不僅體現(xiàn)在現(xiàn)代信息技術(shù)在課堂中的運(yùn)用,還體現(xiàn)在教師與學(xué)生的角色互換。傳統(tǒng)的課堂中教師占主體地位,主要采用的是講授法,學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí);而現(xiàn)代課堂中學(xué)生占主體地位,教師發(fā)揮主導(dǎo)作用,多種教學(xué)方式齊頭并進(jìn),學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)。例如在“直線與平面垂直的判定”這堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)中,教師提出了一個(gè)問(wèn)題:“除了用定義法判斷線面垂直,還有沒(méi)有其他的方法呢?”定義法確實(shí)可以作為判斷命題是否成立的依據(jù),這種判定方法雖然在理論上是可行的,但是在實(shí)際檢驗(yàn)的過(guò)程中是有難度的。因此,找到一種比定義法更簡(jiǎn)單、操作性更強(qiáng)的判定方法就顯得尤為重要。為了獲得最直接的經(jīng)驗(yàn),學(xué)生親手操作,更直觀地感受圖形的變化,這充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位,也充分證實(shí)了王道俊先生提出的“主體學(xué)習(xí)的核心是學(xué)生能動(dòng)的、創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)活動(dòng)”這一觀點(diǎn)[3]。教師以數(shù)學(xué)活動(dòng)的形式推動(dòng)教學(xué)能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性?!镀胀ǜ咧袛?shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出了“四基”,數(shù)學(xué)基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)是其中之一。它是指學(xué)生通過(guò)親身經(jīng)歷數(shù)學(xué)活動(dòng)過(guò)程所獲得的具有個(gè)性特征的經(jīng)驗(yàn)。這種活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)不僅僅指獲得解題的經(jīng)驗(yàn),更重要的是在多樣化的數(shù)學(xué)活動(dòng)中去思考、探索、發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)結(jié)論及其本質(zhì),在數(shù)學(xué)活動(dòng)中充分培養(yǎng)學(xué)生直觀想象素養(yǎng)。因而教師設(shè)計(jì)了一個(gè)折紙活動(dòng):學(xué)生分組合作完成一個(gè)折紙實(shí)驗(yàn),首先剪出一個(gè)三角形紙片abc,之后經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)a將紙片翻折,得到折痕ad(如圖3所示),然后將翻折后的紙片豎直放置在桌面α上(如圖4所示)。最后請(qǐng)每個(gè)小組代表依據(jù)本組折紙活動(dòng)的情況,觀察折痕ad所在的直線L與桌面所在的平面α是否垂直,并說(shuō)明理由。
圖3 三角形紙片折疊示意圖
圖4 三角形紙片翻折后示意圖
由于每個(gè)小組的情況不一致,教師將課堂交給學(xué)生,讓他們各抒己見(jiàn)。有的小組觀察到直線與平面是不垂直的,從圖形的直觀中可以“看”出ad所在的直線L明顯不與bd、cd垂直。學(xué)生通過(guò)列舉反例來(lái)解釋定義,親自經(jīng)歷“看”出相關(guān)數(shù)學(xué)結(jié)論的過(guò)程,在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中是非常重要的,這能使學(xué)生對(duì)結(jié)論的理解更深刻,記憶更牢固,運(yùn)用更靈活。著名學(xué)者米秀旭、崔緒春指出,并不是所有的數(shù)學(xué)定理都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的推理論證,鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想假設(shè),重要的數(shù)學(xué)結(jié)論往往都是“看”出來(lái)的,“看”出來(lái)的前提是我們直觀想象素養(yǎng)水平比較高[4]。而有的小組通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)觀察到折痕ad所在的直線L與桌面所在的平面α是垂直的,進(jìn)一步得出ad所在直線與桌面所在平面α垂直的充要條件是折痕ad是bc邊上的高。由于翻折后垂直關(guān)系不變,所以直線ad與平面α內(nèi)的兩條相交直線bd、dc都垂直。
小組內(nèi)學(xué)生動(dòng)手操作,交流討論,大膽猜想假設(shè),在變化的圖形中發(fā)現(xiàn)不變的規(guī)律,通過(guò)進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn),無(wú)論是將三角形在桌面α上平移或繞折痕ad轉(zhuǎn)動(dòng),都能得到折痕ad與桌面α垂直的結(jié)論。因此,學(xué)生在教師的引導(dǎo)下總結(jié)出直線與平面垂直的判定定理:一條直線與一個(gè)平面內(nèi)的兩條相交直線都垂直,那么該直線與此平面垂直[2]。學(xué)生探討結(jié)束后,教師用幾何畫(huà)板進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示,驗(yàn)證學(xué)生所得結(jié)論。由此可見(jiàn),幾何畫(huà)板在數(shù)學(xué)教學(xué)過(guò)程中所起的作用十分巨大,正如徐飛雷、吳磊所言,幾何畫(huà)板在數(shù)學(xué)直觀化教學(xué)及對(duì)學(xué)生幾何直觀與空間想象素養(yǎng)的培養(yǎng)方面有著重大的意義,因而教師可以合理地使用幾何畫(huà)板,解決相關(guān)問(wèn)題[5]。在折紙活動(dòng)中,學(xué)生通過(guò)觀察、操作、猜想、驗(yàn)證、分析、提出問(wèn)題并解決問(wèn)題,在探究中總結(jié)出直線與平面垂直的判定定理,充分培養(yǎng)了直觀想象素養(yǎng)。
教學(xué)內(nèi)容是教師進(jìn)行教學(xué)的任務(wù)與參考,教師需要通過(guò)教學(xué)內(nèi)容中的數(shù)學(xué)概念,引導(dǎo)學(xué)生形成對(duì)知識(shí)的認(rèn)知。在實(shí)際的課堂教學(xué)中,學(xué)生思考、探究數(shù)學(xué)問(wèn)題的角度不同,知識(shí)水平層次存在差異,他們能聯(lián)想到的知識(shí)也會(huì)有很大的區(qū)別,就會(huì)產(chǎn)生很多暫時(shí)無(wú)法解答的疑問(wèn)。因此,在課堂中教師需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行不同程度的延伸,以此來(lái)解決學(xué)生的種種疑問(wèn),同時(shí)也能鍛煉學(xué)生的思維能力,完善學(xué)生的知識(shí)體系,提高學(xué)生的直觀想象素養(yǎng)。
例如在“直線與平面垂直的判定”這堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)中,學(xué)生已有的認(rèn)知是“在平面上,過(guò)一點(diǎn)垂直于已知直線的直線有且只有一條”。類(lèi)比這個(gè)結(jié)論,學(xué)生會(huì)思索在空間中,過(guò)一點(diǎn)垂直于已知平面的直線有幾條呢?學(xué)生能有此疑問(wèn),說(shuō)明其學(xué)會(huì)了系統(tǒng)的思考問(wèn)題,體會(huì)到了平面與空間的聯(lián)系與區(qū)別。為了解決學(xué)生的疑問(wèn),教師可引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行必要的推理證明,即使很直觀的結(jié)論,也要設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié),讓學(xué)生體會(huì)到直觀想象的合理要用邏輯推理的嚴(yán)謹(jǐn)去驗(yàn)證。由于直接證明這個(gè)結(jié)論較為困難,教師引導(dǎo)學(xué)生采用反證法證明:假設(shè)過(guò)點(diǎn)P有兩條直線m、n垂直于同一平面α,設(shè)直線m、n確定的平面為β,且α∩β=l,所以l?α。由線面垂直的定義,知m⊥l,n⊥l,這與“在同一個(gè)平面中,過(guò)一點(diǎn)有且只有一條直線垂直于已知直線”相矛盾。所以,在空間中,過(guò)一點(diǎn)垂直于已知平面的直線有且只有一條。學(xué)生依據(jù)上述證明過(guò)程發(fā)揮自己的空間想象能力并嘗試從幾何角度來(lái)解釋此證明過(guò)程;教師利用幾何畫(huà)板將圖形直觀展示(如圖5、圖6所示)。
圖5 點(diǎn)不在交線的示意圖
圖6 點(diǎn)在交線的示意圖
至此,教師再順勢(shì)給出垂線段的定義,指出棱錐的高就是棱錐的頂點(diǎn)到底面的距離,學(xué)生理解起來(lái)就沒(méi)有困難了。這也為之后棱臺(tái)體積公式的推導(dǎo)、平面與平面垂直的性質(zhì)定理做好了充足的知識(shí)儲(chǔ)備。
數(shù)學(xué)的魅力在于知識(shí)是相互連貫的,譬如習(xí)題的解決方法,一道題目可以從數(shù)學(xué)多個(gè)角度進(jìn)行解決,當(dāng)然也可以從多道題目中發(fā)現(xiàn)其所蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)本質(zhì)是一致的,即可采取同樣的解題方法,這就是常說(shuō)的一題多解和多題一解。如果就題講題,不僅對(duì)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的寬度和深度都沒(méi)有延伸,而且對(duì)學(xué)生直觀想象能力的提升作用也非常小。因而教師需要鉆研教材教法,關(guān)注數(shù)與數(shù)、數(shù)與形之間的緊密聯(lián)系,從不同角度去探究解題方法,從多維度去拓展變式,在教學(xué)中不斷鍛煉學(xué)生不同的思維能力,這樣就在解題方法拓展的過(guò)程中提升了學(xué)生的直觀想象素養(yǎng)。
例如在“直線與平面垂直的判定”這堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)中,對(duì)于教材中例題“如果兩條平行直線中的一條直線垂直于一個(gè)平面,那么另一條直線也垂直于這個(gè)平面”的證明,除了教科書(shū)上利用直線與平面垂直的判定定理此種證明方法,教師還可以啟發(fā)學(xué)生利用直線與平面垂直的定義進(jìn)行證明,實(shí)現(xiàn)一題多解。定義是解決問(wèn)題的根源,因而在數(shù)學(xué)上用定義法解決問(wèn)題意義重大,教師需向?qū)W生強(qiáng)調(diào)定義法的重要地位,并引導(dǎo)學(xué)生提煉出解決直線與平面垂直問(wèn)題的方法有判定定理與定義法。教材例題是對(duì)直線與平面垂直判定定理的簡(jiǎn)單運(yùn)用,在此基礎(chǔ)上,教師引入學(xué)生熟悉的、掌握較好的幾何體模型(正方體,長(zhǎng)方體等)補(bǔ)充一道證明線面垂直的例題。以此例題來(lái)幫助學(xué)生在直觀圖形中進(jìn)一步理解定理的實(shí)質(zhì),體會(huì)將線面垂直轉(zhuǎn)化為線線垂直的重要性。教師還需在補(bǔ)充的例題上進(jìn)行變式訓(xùn)練,變式題則以學(xué)生平時(shí)接觸較少的幾何體(直四棱柱,四棱錐等)為載體研究直線與直線垂直的證明方法。變式題既鍛煉了學(xué)生的空間想象能力,又教會(huì)學(xué)生如何從線線垂直出發(fā),逐步將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線面垂直進(jìn)行證明,進(jìn)而在問(wèn)題轉(zhuǎn)化過(guò)程中進(jìn)一步理解直線與平面垂直的定義及其判定定理的本質(zhì)。教師需一步步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)變式題的解題方法與例題一致,實(shí)現(xiàn)多題一解。
《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》及《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2020年修訂版)》都凸顯了直觀想象素養(yǎng)的重要性,而直觀想象素養(yǎng)的激發(fā)、培養(yǎng)與提高都需要通過(guò)課堂教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在高中數(shù)學(xué)教學(xué)中,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活情境,滲透數(shù)學(xué)文化,調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性,從而激發(fā)學(xué)生直觀想象素養(yǎng);應(yīng)借助現(xiàn)代教學(xué)技術(shù),貫徹現(xiàn)代教學(xué)方式,以學(xué)生為主體,在數(shù)學(xué)活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生直觀想象素養(yǎng);應(yīng)適當(dāng)延伸教學(xué)內(nèi)容,拓展解題方法,完善學(xué)生知識(shí)體系,鍛煉學(xué)生思維能力,從而提高學(xué)生直觀想象素養(yǎng),為學(xué)生終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。