有关函数概念教学的若干问题

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第12卷第2期 数 学 教 育 学 报Vol .12, No.22003年5月JOURNAL OF MATHEMATICS EDUCATIONMay ., 2003收稿日期:2002–12–23 基金项目:教育部十五规划课题“数学教育心理学研究”(FBB011029) 作者简介:李吉宝(1961—),男,山东梁山人,副教授,主要从事数学教育研究. 有关函数概念教学的若干问题李吉宝(曲阜师范大学 《中学数学杂志》编辑部,山东 曲阜 273165)摘要:函数概念是初中数学的主要概念之一,函数思想贯穿整个中学数学内容.函数知识的学习最终目的是对函数思想的领悟和掌握,而学习过程中函数思想方法的渗透,又可以加深对函数概念的理解.关键词:函数;函数概念;函数思想方法中图分类号:G630 文献标识码:A 文章编号:1004–9894(2003)02–0095–04义务教育阶段的数学课程将致力于使学生获得适应未来社会生活和进一步发展所必需的重要数学事实(包括数学知识、数学活动经验)以及基本的数学思想方法和必要的应用技能.函数是中学数学中的核心内容,以函数思想来贯穿中学数学内容更有利于提高数学教学质量.在培养学生的创新精神和应用数学知识解决实际问题的过程中[1~4],函数思想方法具有其它思想方法所不及的指导作用.因此,我们的数学教学应大力加强对函数思想方法的进一步研究,并努力将函数思想方法渗透到一切可能的教学内容中去.1 在数学教学中高度重视函数思想方法的作用函数思想是指变量与变量之间的一种对应,或者说是一个集合到另一个集合的一种映射.它在解决许多数学问题(特别是一些实际问题)中具有重大的方法论意义.函数思想集中体现在函数概念教学之中,初中课本关于函数的定义是这样给出的:“设在一个变化过程中有2个变量x 与y ,如果对于x 的每一个值,y 都有唯一的值与它对应,那么就说x 是变量,y 是x 的函数.”这种关于函数概念的定义,是函数的古典定义,是以“变量”为基础进行阐述的.函数思想方法贯穿于数学理论和实际应用问题的每一个场合.它是有效地表示、处理、交流和传递信息的强有力的工具,是探讨事物发展规律、预测事物发展方向的重要手段. 1.1 函数内容无处不在函数充斥在我们生活的方方面面,或者说,我们的生活离不开函数.函数与每个人都息息相关,如,一个人的身高、体重等都是时间(年龄)的函数;函数与生活密切相关,如,电话费、水电费等都是时间的函数;许多科学只有用函数才能表达清楚,如,物理学中的自由落体运动、生物学中的细胞繁殖速度等也是时间的函数;生产成本的核算、生产工效的提高等都是相应自变量的函数. 1.2 函数思想方法是教材体系的灵魂在初中教材中处处存在着函数思想方法.数轴、有理数与实数的概念和运算、代数式的运算以及恒等变形等都是学习函数的基础.映射是函数思想方法的核心观点.初中代数中的不少概念都反映着函数的思想方法.如,相反数是从实数集到实数集的映射;绝对值是从实数集到非负实数集的映射.中学数学中的运算法则,如加(减)法法则、乘(除)法法则、乘(开)方法则等在实质上也是映射.几何中的各种变换,如对称变换、相似变换、平移变换、旋转变换等都是从一个图形集到另一个图形集的映射.因此,有了函数思想方法作灵魂,各种数学知识才不再成为孤立、零散的东西. 1.3 函数思想方法是我们首选的解题策略解题策略的选择过程,是主体通过审题将原始问题中的信息,吸收并同化到主体原有的认知结构中,在追求问题的解答这种内驱力的推动和调节下使原有认知结构发生改组和重建,具体来说,可分为3个阶段:(1)酝酿.即指向阶段.主体在弄清问题的基础上,初步辨认问题的症结所在,通过广泛的联想、迅速的局部推理和活跃的直觉,逐渐形成一种产生解题策略的指向.96 数学教育学报第12卷(2)明朗.即形成阶段.主体经过多方的选择、运用推理和想象,在新问题同化到主体原有认知结构的基础上,在总体上对解题方法产生一种本质的、似真的领悟.(3)验证.即执行阶段.根据所选策略,一面探索,一面前进.用逻辑的方法验证策略的可行性.这一阶段要求主体的思维具有明晰性和严密性,在运算过程中要求合理性和完整性.在数学解题中,以函数思想方法作主导,结合具体函数的性质,可以使很多数学问题转难为易、化繁为简,是一个很重要的解题策略.如,下面是1989年的一道高考试题:已知 (1–2x)7=a0+a1x+a2x2+…+a7x7,那么a1+a2+…+a7= .从形式上看,这是一道有关二项式定理的题目,如果用二项式定理的展开式来计算,则十分繁杂.若能用函数思想方法来处理这个题目,则变得十分简单.初三的学生完全能解决这个问题.解:把x看作自变量,当x=0时,得a0=1;当x=1时,得a0+a1+a2+…+a7=(1–2)7= –1,故a1+a2+…+a7= –1–1= –2.函数思想方法贯穿于数学理论和实际问题应用的每一场合,它是有效地表示、处理、交流和传递信息的强有力工具,是探讨事物发展规律、预测事物发展方向的重要手段,初中数学中处处充满着函数思想方法.函数思想方法具有凝聚数学概念和命题、原则和方法的能力,它能使教学内容达到更高层次的和谐与统一,是教材体系的灵魂,在初中数学中具有统帅的作用.在教学中教师如能抓住函数思想方法这一主线,便能高屋建瓴地提挈整个教材进行再创造,这对于培养学生的数学能力和解决问题的能力,增强学生学习的信心和对数学的兴趣,提高数学交流和数学应用的意识和能力,都有着十分重要的意义.2 正确分析函数概念难学的原因多年的教学实践表明,函数概念是中学生感到最难学的数学概念之一.造成这一结果的主要原因有2个:2.1 函数概念本身的原因从数学自身的发展过程看,变量与函数概念的引入,标志着数学由常量数学向变量数学的迈进.函数概念是用“变量说”来定义的,这种定义方式有易于学生接受的一面,也有其不足的一面.例如,“变量”、“对应”这些词汇,并没有给出比较明确的定义,这就造成了学生对函数定义理解的困难.另外,函数概念可以用列表、图像、解析式等方法来表示.每一种表示形式都可以独立地表示函数概念.这又是一个与其它概念不同的地方.由于函数概念需要同时考虑几种表示形式,并且要协调好各种表示之间的关系,常常需要在各种表示之间进行转换.故容易造成学习上的困难.2.2 学生思维发展水平方面的原因在函数概念的学习中,要求学生能进行数形结合的思维运算,进行符号语言与图形语言之间的灵活转换.但在学生的认知结构中,数与形基本上是割裂的.这就要求学生的思维能在静止与运动、离散与连续之间进行转化.但学生的思维水平还处于很不成熟的阶段,他们看问题往往是局部的、静止的、割裂的,还不善于把抽象的概念与具体事例联系起来,还不能用辩证思维的思想来理解函数概念.这与函数概念的运动、变化、联系的特点是不相适应的,这又是造成函数概念学习困难的一个重要原因.3 在微观上按照“早实清”3个字进行函数概念导学前面已谈到,函数概念是学生难学的内容之一,那么怎样才能让学生掌握这一重要概念呢?笔者认为,可按“早、实、清”3个字进行导学.所谓“早”,是指在初一、初二的教学中,抓住相关内容及早向学生渗透函数的思想方法.我们知道,函数在本质上反映了2个集合中元素之间的一种对应关系.在初一和初二的教学内容中,2个变量之间对应关系的例子是相当多的.我们在教这些内容时,可以很容易地向学生们渗透函数的思想方法,在学生的知识结构中产生朦胧的变化意识.例如,在引入“等式”概念前,课本选了下面这些式子:1+2=3,a+b=b+a,S=ab,4+x=7.在对这4个式子进行分析时,为了照顾到后面学习函数的需要,可对式子S=ab,这样分析:当S 一定时,a与b的积不变.如S=12,若a=3,则b=4;第2期李吉宝:有关函数概念教学的若干问题97若a=6,则b=2.可见在S的值不变的前提下,a 与b成反比关系;当a一定时,S与b成正比关系;当b一定时,S与a成正比关系.实践证明,以上这些问题学生在当时是完全能接受的.如果我们能注意在学习与函数有关的知识时,经常地向学生渗透“对应”的观点,那么到初三学习函数概念时,就不会感到生疏和突然,他们就能顺利地接受函数概念,并把函数知识尽快地内化到自己已有的认知结构中去.所谓“实”,是指由实例引入函数概念.由实例引入概念,反映了概念的物质性和现实性,符合学生的认识规律,给学生留下的印象比较深刻和长久.这样教学,学生能够认识到函数概念是从客观现实中抽象出来的,有利于学生更好地理解函数概念.在学习函数概念时,可用概念形成的方式,按以下的步骤进行:第一,让学生分别指出下列例子中的变量以及变量之间关系的表达方式,概括出它们的共同属性:(1)匀速运动中的路程和时间的关系;(2)圆的面积和半径之间的关系;(3)n边形的“内角和”与边数间的对应关系;(4)用表格给出某水库的储水量Q与水深h之间的对应关系;(5)某一天的气温随时间变化的规律图.第二,引导学生对以上实例进行分析、比较、从诸多的属性中找出它们的共同属性:(1)都有2个变量(变量A和变量B);(2)变量A可在某一范围内任意取值;(3)对于该范围内变量A的每一个确定的值,变量B都有唯一确定的值与之对应.第三,在得出这些变化过程中的基本属性之后,可以及时地给出函数定义.所谓“清”,是指一定要向学生讲清函数定义的“语言框架”.有人形象地把整个数学知识比作一张“渔网”,把构成它的各部分知识比作一个个的“网结”,那么函数定义就是一个非常重要的“网结”.函数是我们在初中遇到的第一个用“数学关系概念定义法”给出的概念.揭示它的本质(对应关系)的叙述方式与先前所学的诸多数学概念的叙述方式是不一样的,让学生有一种“咬嘴”的感觉,所以,我们一定要向学生讲清函数定义的语言叙述特点,讲清楚“…2个变量,一个变量…任意取值,另一个变量…唯一确定的值与之对应”的意义.第四,为了加深学生对函数概念的理解,进一步明确概念的内涵与外延,可让学生做一些辨别练习,以使学生在“积极避免概念混淆中突出概念的形象”,使函数概念的形象更加清晰明确.第五,通过例题、练习等形式,对函数概念形成一个完整的认识.至此,函数概念已在学生已有的概念系统中占有一席之地,已经完成了概念的形成过程.4 在宏观上把握渗透函数思想方法的3个基本途径函数思想的建立和发展,沟通了常量数学与变量数学之间的关系.抽象的函数概念必须经过具体的应用才能得到深刻理解.我们生活的空间中的各种事物都处在相互联系、相互制约的动态平衡中,这是客观存在的普遍规律.在数学教学中,应从日常生活、生产实际中选取学生熟悉的、能够接受的实际问题用函数的思想解决.帮助学生树立运用函数思想方法思考问题的意识,并学会建立适当的函数模型解决问题,以深化对函数概念的理解.前面已讲到函数的表现形式主要有:列表、图像、解析式.据此,我们认为,函数思想方法的渗透主要有以下3个基本途径:4.1 与其它数学思想方法有机结合函数思想方法与方程思想方法、变换思想方法、优化思想方法等有着密切的联系.所以,在教学中加强并揭示这种联系,理应是我们渗透函数思想方法的一种极好的途径.例1 已知二次函数y=2x2,今将其图像先向右平移2个单位,再向下平移2个单位,试求最后所得的二次函数式子.解:将y=2x2向右平移2个单位得y=2(x–2)2,向下移2个单位,最后得y=2(x–2)2–2.这个例题就是把函数思想方法与变换思想方法相结合的例子.例2 求抛物线y=x2–x–6与x轴2交点之间的距离.解:令y=0得x2–x–6=0,此方程2根为x1= –2,x2=3,抛物线y=x2–x–6与x轴2交点为A(–2, 0),B(3, 0).A、B之间的距离为5.显然,此例题将函数思想方法与方程思想方法有机地结合在一起,从而快速地解决了所求问题.4.2 与其它数学知识相结合函数与初中其它各个知识点有着密不可分的联系,挖掘并应用这种联系,综合运用多种数学知98 数学教育学报第12卷识与方法解决问题,可以培养学生的创造和探索能力.因此,在有关函数知识的教学中,我们要给学生营造一种自由发挥的天地,尽可能多地让学生考虑综合运用各方面的知识,这样可以加深学生们对有关知识的理解和灵活运用的程度.现行课本在引入一元二次方程时所用的实例是:剪一块面积为150 cm2的长方形铁片,使它的长比宽多5 cm,这块铁片应该怎样剪?这个问题我们用一个反比例函数y=150/x和一个一次函数y=x+5的图像即可解决.用函数来解决这个问题的最大优势在于从图像中可以直观地看到当面积一定时,该长方形的长和宽的变化规律(图形略).4.3 与生活实际密切联系我们生活的空间中的各种事物都处在相互联系、相互制约的动态平衡中,这是客观存在的普遍规律.在数学教学中,从日常生活、生产实际中选取学生熟悉的、能够接受的实际问题是渗透函数思想方法的重要途径.近几年的各地中考题经常出现类似下面的题目:例3 一个由父亲、母亲、叔叔和x个孩子组成的家庭去某地旅游.甲旅行社的收费标准是:如果买4张全票,则其余人按半价优惠;乙旅行社的收费标准是:家庭旅游算团体票,按原价的3/4优惠.这2家旅行社的原价均为100元.试比较随着孩子人数的变化,哪家旅行社的收费额更优惠?解:甲旅行社的收费总额为:y1=400+50(x–1)=50x+350;乙旅行社的收费总额为:y2=75(x+3)=75x+225.画出函数y1,y2的图像(略).由图像判断可知:当孩子数x<5时,乙旅行社收费优惠;当孩子数x=5时,2旅行社收费相同;当孩子数x>5时,甲旅行社收费优惠.综上所述,函数思想方法是中学数学的主导思想之一.在数学教学中,在向学生展示知识的发生、发展过程中,应尽力向学生渗透函数思想方法,充分发挥函数思想方法的指导作用,这对于形成学生良好的思维品质大有益处.这也是进一步落实素质教育,培养学生们的创新能力所必需的.因此,我们广大的数学教育工作者应给予足够的重视.参考文献:[1] 朱文芳.函数概念学习的心理分析[J].数学教育学报,1999,8(4):23.[2] 李善良.数学概念学习中的错误分析[J].数学教育学报,2002,11(3):7.[3] 曾国光.中学生函数概念认知发展研究[J].数学教育学报,2002,11(2):99.[4] 汤炳兴.在概念教学中“学数学做数学用数学”[J].数学教育学报,2002,11(4):40.Discussion on a Few Problems of T eaching and Research of Function ConceptLI Ji-bao(Qufu Normal University, Shandong Qufu 273165, China)Abstract: Function, which was the guideline went through the middle school mathematics, was one of the main concepts of the mathematics for junior middle school teaching. The main purpose of the study of the function was to understand and master it, what’s more, the absortion of the function by the teaching could deepen the understanding of the idea of function.Key words: function; function concept; function idea method[责任编校:周学智]。