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用函數(shù)解決實(shí)際問(wèn)題考查抽象能力

2024-11-09 00:00:00董濤
福建中學(xué)數(shù)學(xué) 2024年9期

立德樹(shù)人是教育的根本任務(wù).大部分學(xué)生將來(lái)不以數(shù)學(xué)為職業(yè).?dāng)?shù)學(xué)教育在這些學(xué)生的生活及職業(yè)發(fā)展中的作用,主要體現(xiàn)在運(yùn)用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題.這是學(xué)生“有本領(lǐng)”的主要體現(xiàn).課標(biāo)對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題能力的考查,給出了具體要求.課標(biāo)指出,要在情境中考查核心素養(yǎng),注重考查學(xué)生的應(yīng)用意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)[1].中考命題要貫徹課標(biāo)的要求,注重考查運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力.函數(shù)是初中解決實(shí)際問(wèn)題的主要工具.用函數(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的試題,注重考查思維過(guò)程,是改變相對(duì)固定的試題形式,減少“機(jī)械刷題”的抓手.

1 當(dāng)前函數(shù)試題的現(xiàn)狀與困境

函數(shù)題一度作為壓軸題.為了保證區(qū)分度,試題形式不斷變化.有一段時(shí)間認(rèn)為,綜合運(yùn)用知識(shí)就是在知識(shí)交匯處命題.中考曾經(jīng)出現(xiàn)了一些函數(shù)與幾何交匯的試題.當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是創(chuàng)新.典型的題目如下:

如圖1,已知直線y=kx?6與拋物線y=ax2+bx+c交于A,B兩點(diǎn),且點(diǎn)A(1,-4)為拋物線的頂點(diǎn),點(diǎn)B在x軸上.

(1)拋物線的第二象限圖象上是否存在一點(diǎn)P,使ΔPOB與ΔPOC全等?若存在,求出點(diǎn)P的坐標(biāo);若不存在,請(qǐng)說(shuō)明理由;

(2)若點(diǎn)Q是y軸上一點(diǎn),且ΔABQ為直角三角形,求點(diǎn)Q的坐標(biāo).

該題中的拋物線是二次函數(shù)圖象.問(wèn)題是找出滿足條件的全等三角形和直角三角形.解答題目需要算邊長(zhǎng)(長(zhǎng)度,即兩點(diǎn)間距離,兩點(diǎn)間距離公式為高中解析幾何內(nèi)容)、角度,做輔助線,構(gòu)造全等與相似.長(zhǎng)度與角度是幾何問(wèn)題,不是函數(shù)問(wèn)題.函數(shù)是研究變量間的關(guān)系,通過(guò)這種相依數(shù)量關(guān)系來(lái)研究變化規(guī)律.做輔助線,構(gòu)造全等與相似是典型的平面幾何方法.該題的實(shí)質(zhì)是以函數(shù)圖象為背景,考查平面幾何.?dāng)?shù)學(xué)是自然的,有其產(chǎn)生的背景與脈絡(luò),在歷史發(fā)展中形成了研究問(wèn)題與方法.人為的隨意交匯,不能產(chǎn)生有意義、有價(jià)值的問(wèn)題.

兩點(diǎn)間距離公式為高中解析幾何內(nèi)容.該題卻不是經(jīng)典的解析幾何問(wèn)題.解析幾何產(chǎn)生于十七世紀(jì)的歐洲,是在社會(huì)需求下產(chǎn)生的.當(dāng)時(shí),機(jī)械研究提出了動(dòng)力學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)問(wèn)題,堤壩修建提出了力學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)問(wèn)題,航海業(yè)提出了測(cè)量問(wèn)題,造船業(yè)提出了描繪船體各部位曲線問(wèn)題,望遠(yuǎn)鏡的制造提出了透鏡表面形狀問(wèn)題,火器制造業(yè)提出了拋射體軌跡與定量計(jì)算問(wèn)題,這些問(wèn)題推動(dòng)了解析幾何的產(chǎn)生.高中解析幾何運(yùn)用坐標(biāo)法,主要探討曲線的方程,曲線的交點(diǎn)及其延伸出的兩點(diǎn)間距離,直線的斜率及其代表的角度,核心概念是距離和斜率,主要方法是列方程與解方程(組).這些研究問(wèn)題、內(nèi)容與方法,是自然形成的,不能與函數(shù)或者平面幾何知識(shí)隨意交匯而產(chǎn)生有意義、有價(jià)值的問(wèn)題.人為的知識(shí)交匯,只能創(chuàng)造“牛頭馬面”式的虛構(gòu)問(wèn)題.

函數(shù)試題的另一種創(chuàng)新形式是含參數(shù)的函數(shù)問(wèn)題,這主要是向高考銜接,本質(zhì)上是多元函數(shù)問(wèn)題.含參的一次函數(shù)題,大部分表現(xiàn)為線性規(guī)劃問(wèn)題.教育部《關(guān)于做好2022年中考命題工作的通知》明確要求,嚴(yán)格依據(jù)課標(biāo)命題,不得擴(kuò)大考試內(nèi)容范圍,嚴(yán)禁將高中課程內(nèi)容作為考試內(nèi)容.這兩類(lèi)題擴(kuò)大了考試內(nèi)容范圍,違背了以大概念(大概念是數(shù)學(xué)家對(duì)數(shù)學(xué)內(nèi)容的概括與總結(jié),教育功能是遷移)[2]為核心、以結(jié)構(gòu)化知識(shí)為載體的課標(biāo)要求.

學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求,以結(jié)構(gòu)化數(shù)學(xué)知識(shí)為載體考查核心素養(yǎng),在情境中考查核心素養(yǎng)[1].按照這個(gè)要求,把關(guān)題的載體是多樣的,函數(shù)題不應(yīng)必然作為壓軸題.中考應(yīng)該是多點(diǎn)把關(guān)、知識(shí)輪動(dòng),才能做到試題形式多樣化,從而使學(xué)生減少刷題.

2 函數(shù)試題要著重在現(xiàn)實(shí)背景中0eeb621311badcef871990eedbe58d4af1d90124145367252a36fed785328b3c考查抽象能力

函數(shù)產(chǎn)生于實(shí)際問(wèn)題中,它是描述現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的基本數(shù)學(xué)工具.初中學(xué)的函數(shù)比較簡(jiǎn)單,單純?cè)跀?shù)學(xué)內(nèi)部考查函數(shù)知識(shí),沒(méi)有很好的區(qū)分度.函數(shù)在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用,有較好的區(qū)分度,體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的價(jià)值——運(yùn)用數(shù)學(xué)解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題.這是堅(jiān)持素養(yǎng)立意,堅(jiān)持試題內(nèi)容與育人目標(biāo)相結(jié)合的一種命題思路.

2.1 對(duì)實(shí)際問(wèn)題中函數(shù)關(guān)系的理解是考查抽象能力的一個(gè)切入點(diǎn)

實(shí)際問(wèn)題多是用自然語(yǔ)言描述的.若實(shí)際問(wèn)題中的數(shù)量較多,則多用圖象或圖表表達(dá).圖象與圖表是一種視覺(jué)表征,是視覺(jué)推理的一種應(yīng)用.讀懂圖象與圖表是理解實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵,也是一種重要的數(shù)學(xué)素養(yǎng).圖象整體表達(dá)數(shù)量(函數(shù))關(guān)系,直觀揭示變化規(guī)律.理解圖象表達(dá)的現(xiàn)實(shí)意義及函數(shù)關(guān)系,是抽象能力的一個(gè)重要表現(xiàn);也是考查抽象能力的一個(gè)切入點(diǎn).下題就是一個(gè)典型樣例.

甲乙兩人勻速?gòu)耐坏攸c(diǎn)到1500米處的圖書(shū)館看書(shū),甲出發(fā)5分鐘后,乙以一定速度沿同一路線行走.設(shè)甲乙兩人相距s(米),甲行走的時(shí)間為t(分),s為t的函數(shù).圖象一部分如圖2所示.當(dāng)甲出發(fā)多少分鐘時(shí),甲、乙兩人相距360米[3]?

該題典型地體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的閱讀方式——先整體把握問(wèn)題,生成一種假設(shè),再通過(guò)閱讀尋求證據(jù)驗(yàn)證假設(shè)[4].該題的縱坐標(biāo),不是學(xué)生熟悉的路程,而是路程差.這給學(xué)生理解問(wèn)題帶來(lái)困擾.對(duì)圖2的解釋?zhuān)瑢W(xué)生需要調(diào)用學(xué)校生活經(jīng)驗(yàn).甲步行先走(乙未動(dòng)),兩人間的距離拉大.乙5分鐘后以大于甲的速度(如騎自行車(chē))追趕.從橫軸5分鐘時(shí)刻起,兩人間距開(kāi)始減少.乙趕上甲時(shí),兩人間距變成零.之后間距再次拉大,直到乙到達(dá)圖書(shū)館.此時(shí)間距最大.乙到達(dá)圖書(shū)館后停止移動(dòng),甲繼續(xù)向圖書(shū)館移動(dòng),兩人間距又開(kāi)始減少,直至變成零.從圖象看,兩人間距曾達(dá)到450米,說(shuō)明最大間距不小于450米.題目所求間距360米的時(shí)刻,應(yīng)該有兩個(gè)(最大間距對(duì)應(yīng)時(shí)刻前后各一個(gè)).圖象只是部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程,不是全部.

調(diào)用學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)讀懂圖象是學(xué)生理解該題的關(guān)鍵,這是視覺(jué)推理的一種重要表現(xiàn),是數(shù)學(xué)眼光的重要成分.該題可以用函數(shù)知識(shí)來(lái)做.利用函數(shù)與方程的關(guān)系,也可以用方程來(lái)做.這類(lèi)題聚焦函數(shù)和方程的核心思想,考查抽象能力,有多種解法,有一定的區(qū)分度.函數(shù)應(yīng)用是教材的重點(diǎn)內(nèi)容.教材中有很多用圖象表達(dá)的素材(也有縱軸是路程差或者進(jìn)水量與出水量差的素材).在這種素材上編制有區(qū)分度的試題,真正體現(xiàn)了回歸教材,以標(biāo)命題,把中考內(nèi)容與育人目標(biāo)相結(jié)合.

運(yùn)用圖象進(jìn)行大小比較是用函數(shù)知識(shí)解決問(wèn)題的一類(lèi)典型問(wèn)題.大小是一種重要的數(shù)量關(guān)系,也是生活中的一類(lèi)重要問(wèn)題,是函數(shù)增減性(單調(diào)性)的重要應(yīng)用,如效用最大,花費(fèi)最少等問(wèn)題.初中、高中教材中也有很多這類(lèi)問(wèn)題.依據(jù)這些素材編制一些拓展性題目,也是一種回歸教材的命題思路,既考查了應(yīng)用意識(shí),也考查學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的知識(shí)準(zhǔn)備情況,典型體現(xiàn)了中考的目的.

2.2 識(shí)別核心變量及其關(guān)系是考查抽象能力的著力點(diǎn)

有些問(wèn)題數(shù)量關(guān)系較多.學(xué)生往往抓不住核心變量.能從實(shí)際情境中抽象出核心變量,是數(shù)學(xué)抽象能力的主要表現(xiàn)[1].依托數(shù)量關(guān)系多的素材,命制函數(shù)應(yīng)用題,是考查抽象能力的一個(gè)著力點(diǎn).

人教社教材中有一個(gè)租車(chē)問(wèn)題:

某學(xué)校計(jì)劃在總費(fèi)用2300元的限額內(nèi),租用汽車(chē)送234名學(xué)生和6名教師集體外出活動(dòng),每輛汽車(chē)上至少要有1名教師.現(xiàn)在甲、乙兩種大客車(chē),甲種客車(chē)最大載客量45人,乙種客車(chē)最大載客量30人.甲種客車(chē)每輛租金400元,乙種客車(chē)每輛租金280元.請(qǐng)給出最節(jié)省費(fèi)用的租車(chē)方案[5].

該題數(shù)量多,數(shù)量關(guān)系多.?dāng)?shù)量關(guān)系是典型的“總價(jià)=單價(jià)×數(shù)量”與“總量=分量+分量”,核心變量是總費(fèi)用與甲、乙兩種客車(chē)費(fèi)用.甲、乙客車(chē)的載客人數(shù)是次要因素.識(shí)別核心變量是構(gòu)建該題思路的關(guān)鍵.學(xué)生對(duì)該題大多沒(méi)有思路,教師也認(rèn)為不好講.這是一個(gè)有區(qū)分度的題,可以利用簡(jiǎn)化條件法進(jìn)行改編[6],命制中考題.

把載客人數(shù)的要求去掉,固定車(chē)輛總數(shù),仍然體現(xiàn)主要思路.可變?yōu)楹?jiǎn)單問(wèn)題:甲種客車(chē)每輛租金400元,乙種客車(chē)每輛租金280元,在總費(fèi)用2300元的限額內(nèi),若租7輛客車(chē),給出最節(jié)省費(fèi)用的租車(chē)方案.

該題拓展一下,可以變?yōu)檩^難題:甲種客車(chē)每輛租金400元,乙f4b359f69370270f346ab616363febbca3be1462e0381d9a2f1500683227c7a3種客車(chē)每輛租金280元;甲種客車(chē)最大載客量45人,乙種客車(chē)最大載客量30人.在總費(fèi)用2300元的限額內(nèi),租用汽車(chē)送234名學(xué)生與8名教師集體外出參加活動(dòng),每輛汽車(chē)上至少有1名教師,給出最節(jié)省費(fèi)用的租車(chē)方案.

教材例題控制條件,使得只能有6輛車(chē).較難題與例題思路一致,車(chē)輛總數(shù)可以取幾個(gè)值,變成幾個(gè)最小值之間的比較,復(fù)雜度增加.簡(jiǎn)單題與拓展題組成一個(gè)大題,簡(jiǎn)單題大部分學(xué)生會(huì)做,也啟發(fā)拓展題思路,體現(xiàn)層次性,是一種有價(jià)值的命題思路.

在命制含有多個(gè)數(shù)量關(guān)系的題目時(shí),需要仔細(xì)斟酌數(shù)量及數(shù)量關(guān)系,確保實(shí)現(xiàn)命題意圖.教材有這樣一道習(xí)題:A城有肥料200噸,B城有肥料300噸.現(xiàn)要把這些肥料運(yùn)往CD,兩鄉(xiāng).從A城運(yùn)往CD,兩鄉(xiāng)肥料的費(fèi)用分別為20元每噸與25元每噸,從B城運(yùn)往CD,兩鄉(xiāng)肥料的費(fèi)用分別為15元每噸與24元每噸.現(xiàn)C鄉(xiāng)需要肥料240噸,D鄉(xiāng)需要肥料260噸,怎樣調(diào)運(yùn)運(yùn)費(fèi)最少[4]?

本題可以用一次函數(shù)的增減性來(lái)做,也可以利用直覺(jué)推理來(lái)做.B城運(yùn)往CD,兩鄉(xiāng)的運(yùn)費(fèi),分別比A城運(yùn)往CD,兩鄉(xiāng)的運(yùn)費(fèi)低.優(yōu)先把B城中的肥料運(yùn)往CD,兩鄉(xiāng).B城運(yùn)往C鄉(xiāng)的運(yùn)費(fèi)最低,優(yōu)先運(yùn)往C鄉(xiāng).C鄉(xiāng)需求240噸肥料,B城有300噸.B城運(yùn)240噸肥料往C鄉(xiāng),剩余60噸只能運(yùn)往D鄉(xiāng).A城所有的200噸肥料,也只好運(yùn)往D鄉(xiāng),恰好滿足條件.假如B城運(yùn)往C鄉(xiāng)的肥料中,有1噸被A城肥料替換.B城被A城替代的1噸需要運(yùn)往D鄉(xiāng),則總運(yùn)費(fèi)增加(2015)(2415)14?+?=元,所以上述調(diào)運(yùn)方案最優(yōu).這種直覺(jué)推理,本質(zhì)上還是利用一次函數(shù)的增減性,最值在定義域端點(diǎn)處取得.學(xué)生沒(méi)有意識(shí)到一次函數(shù)的本質(zhì)作用,也可以單純依靠直覺(jué)推理得到結(jié)論.該題命題意圖如果是考查一次函數(shù),則需要改進(jìn).比如把數(shù)據(jù)調(diào)整一下(該題數(shù)據(jù)調(diào)整充滿陷阱,只有滿足一個(gè)較為特殊的條件才行).該題命題意圖如果是考查數(shù)學(xué)核心素養(yǎng),則是一道好題.它的背景簡(jiǎn)單,學(xué)生都能理解.它有多種解法,既可以用直覺(jué)推理來(lái)做,也可以用一次函數(shù)來(lái)做.它蘊(yùn)含了重要的數(shù)學(xué)知識(shí)與能力,如函數(shù)和邏輯推理.它可以進(jìn)一步展開(kāi)與一般化,變成線性規(guī)劃問(wèn)題,其函數(shù)解法也可以一般化.

實(shí)際問(wèn)題的情境是多樣的,即使費(fèi)用最少這類(lèi)問(wèn)題,其背景也是多樣的.可以結(jié)合地域特色來(lái)命制,凸顯育人導(dǎo)向.實(shí)際情境可以多個(gè)維度復(fù)雜化,像結(jié)合視覺(jué)推理,用圖象與表格表達(dá)數(shù)據(jù);或者增加一些起次要作用的數(shù)量關(guān)系限制主要變量的取值范圍等,從而拓展命制不同難度的題目.

參考文獻(xiàn)

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(本文系福建省教育科學(xué)規(guī)劃2022教育考試招生重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)課題“基于初中學(xué)業(yè)水平考試評(píng)價(jià)體系的考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑研究”(課題編號(hào):FJJYKS22-22)的研究成果)

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