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在探究问题思路,解决问题的过程中,对于较为简单的问题,材料的环节序列与联结这些环节的中介是比较明确的,复杂一些的问题,材料环节序列及其联系的中介都不可能直接出现.此时,要想得到问题的思路,必须经由人性能力的展开,在联结某些关键环节的中介中,针对问题题设的结构轮廓,合理利用某些猜想的材料,构成这些关键环节疑似的中介,某种程度上,对解决问题思路的探究形成了奠基性的作用.数学课堂教学中采用探究性学习教法的基本方式是“探索与研究”,因为试验教材的编写思路是以提出问题和解决问题而展开的,课程强调的是知识的形成和发展过程,而不是结果或结论,在课堂教学中,相关知识通过学生的丰富多彩的主体参与来进行研究学习,教师是教学的指导者与合作者.现举两个例子加以说明.
例1 (2012年全国高考四川)设f(x)=2x-cosx (1).{an}是公差为π8的等差数列,f(a1)+f(a2)+…+f(a5)=5π (2),则
[f (a3)]2-a1a5的值为( )
(A) 0 (B) π2
16 (C) π28 (D)
13π216
分析:由(1),知f ′(x)=2+sinx>0,知函数f(x)是在
R上的增函数,又因为{an}是公差为
π8的等差数列,知数列{an}是单调递增数列,从而知方程(2)的解(a1,a2,…,a5)至多只有一组(3);再由{an}是等差数列,知a1+a5=a2+a4=2a3 (4).由(4)的形式,我们猜想f(a1)+f(a5)=f(a2)+f(a4)=2f(a3) (5),若(5)成立,则由方程(2),知2f(a3)=π,即2a3-cosa3=π (6),因为函数f(x)是在
R上的增函数,知方程(6)至多只有一个实数解,容易验证a3=π2是方程(6)的一个实数解.下面验证a3=π2满足方程(2),当a3=π2时,由{an}是公差为
π8的等差数列,知a1=
π4,a2=
3π8,a4=5π8,a5=
3π4,知f(a1)=2a1-cosa1=
π2-cosπ4,f(a2)=2a2-cosa2=3π4-cos
3π8,f(a3)=2a3
-cosa3=π-cosπ2=π,f(a4)=2a4-cosa2=5π4-cos
5π8=5π4+cos
3π8, f(a5)=2a5-cosa5=
3π2-cos3π4=
3π2+cosπ4,所以(5)成立,也就是说,方程(2)至少有一组解(
π4,3π8,
π,
5π8,3π4) (7).综合(3)和(7),知方程(2)有且只有一组解a1=π4,a2=
3π8,a3=π,a4=
5π8,a5=3π4,所以
[f (a3)]2-a1a5=π2-π4·
3π4=
13π216.
在阅卷时,这道题目引起了较大的争论,因为,参考答案应用了和差化积公式的变形问题.但是,我们觉得在解答选择题时,猜想等直觉思维的合理引入,其实在很大程度上可以简化问题谨严的逻辑思维过程,应用如此的问题来考查考试的合情推理也是未尝不可的.这道题虽然是一道选择题,我们依然做了认真地分析,从本例思路详尽的逻辑表达过程中,我们发现,由(4)、(5)两式启示,所进行的猜想的结论2f(a3)=π,由于它是选择题,它不要求我们给出解答此题的严谨过程,所要的只是一些比较简单的计算方法,因此,这种猜想的结果,对问题的思路的发现其实起着决定性的作用.
例2 (2012年全国高考广东卷理科第19题)设数列{an}的前n项和Sn=
an+1-2n+1 +1,n∈
N﹡,且a1,a2+5,a3成等差数列.
(Ⅰ)求a1的值;
(Ⅱ)求数列{an}的通项公式;
(Ⅲ)证明:对一切正整数n,由1a1+
1a2 +…+
1an<32(1)
分析:对于问题(Ⅰ)与(Ⅱ),请读者花点时间考虑,它们的答案分别是a1=1,数列{an}的通项公式an=3n-2n(n∈
N﹡).
对于问题(Ⅲ):我们考虑使用数学归纳法证明之.
(1)当n=1时,不等式(1)的左边为1,右边是
32,故不等式(1)成立.
(2)假设当n=k(k≥2,k∈
N*)时,不等式(1)也成立,即
∑ki=1
13i-2i
<32
(2)成立.当n=k+1时,我们只要证明
∑k+1i=11
3i-2i<32
(3)就行了.我们希望将不等式(2)与不等式(3)关联起来,由
∑k+1i=1
13i-2i=
∑ki=113i-2i+
13k+1-2k+1<
32+
1
3k+1-2k+1 (4),但是,我们不能说不等式(4)的右边小于
32,此路不通.怎么办?
我们仔细研究
∑k+1i=1
13i-2i
与
∑ki=113i-2i之间的关系,为了使得这两者具有大小的可比性,不像不等式(4)那样,分离出最后一项,而是分离出第一项,即
∑k+1i=113i-2i=1+ ∑k+1i=2
13i-2i
(5),我们猜想到
∑k+1i=2
13i-2i
与∑ki=113i-2i这两者之间具有固定的不等关系,也就是说,
13i+1-2i+1与
13i-2i之间存有固定的不等关系.为了找到线索,我们将前者稍作变形,
1
3i+1
-2i+1=
13·
13i·23·2i
<13·13i-2i ,于是
∑k+1i=2
13i-2i<
13·∑ki=1
13i-2i
(6)(k≥2,k∈
N﹡).不等式(6)验证了我们的猜想的正确性.所以,由不等式
(2)、(5)、(6),
∑k+1i=1
13i-2i
=1+
∑k+1i=2
13i-2i
<1+13
·∑ki=1
13i-2i
<1+13·32
<32.
综合(1)、(2),知不等式(1).
在采用数学归纳法证明时,取得了需要证明的不等式(4),思维受到了阻滞,我们发现,如此展开思路已经不行了.我们通过思考,认为这样地进行加法结合运算是导致出现问题的关键所在,于是,我们试探着采用(5)的形式进行加法结合性运算,从而获得了猜想:猜想到
∑k+1i=2
13i-2i
与∑ki=113i-2i这两者之间具有固定的不等关系,再通过探究活动,发现我们的猜想是正确的,从而解决了问题.
经过探究性学习的教与学实践,我们已取得了初步的成效,但还需要进行更加科学的规划和长期的大量的实验,以获得更佳的效果和具有指导意义的结论,以适应新教材的教学理念.
总之,在高中数学教学中开展探究性学习,关键是改变教师教学方式和学生学习方式,在高中数学教学中开展探究性学习,是新世纪数学改革的一个重大举措,是时代发展的紧迫需要,更是学生终身发展的强烈呼唤.随着新一轮的课程改革深入推进,我们数学教师不可回避面临着一次机遇与挑战,探究性学习还存在许多问题急待着我们去思考,需要我们在教学实践中不断探索与完善.
由此,我们看到猜想在数学解题中的重要作用,那么,数学教育教学中,利用合适的材料引导学生进行猜想具有怎样的意义呢?它的最为重要的意义,在于直接关系到人性能力的展开,是发挥人性能力的必经之路.在此,我们引用著名的古希腊哲学史专家严群先生的论述.
“心好比工匠,物好比材料,材料是已有的,工匠用他心中的计划,把材料组织起来而成器皿;有工匠,无材料,工匠莫能施其计,有材料,无工匠,材料不能自成器皿,所以杂乱无章,混然一团的物种必须有心替它们整理起来,才成宇宙万物,心也必须有物种,才能实现它的条理与功用.”这就是说,人的精神是外在于精神的物质的工作台,物通过精神的作用将自然物难于形成的关系达到了加速的关联,使物的有用性得到深刻的体现,并在这一过程中,心自身也得到了砥砺,人性能力得以展开,使人的内在精神创造性得到了发展.基于此,严群的观点应该是极其深刻的见解.
例1 (2012年全国高考四川)设f(x)=2x-cosx (1).{an}是公差为π8的等差数列,f(a1)+f(a2)+…+f(a5)=5π (2),则
[f (a3)]2-a1a5的值为( )
(A) 0 (B) π2
16 (C) π28 (D)
13π216
分析:由(1),知f ′(x)=2+sinx>0,知函数f(x)是在
R上的增函数,又因为{an}是公差为
π8的等差数列,知数列{an}是单调递增数列,从而知方程(2)的解(a1,a2,…,a5)至多只有一组(3);再由{an}是等差数列,知a1+a5=a2+a4=2a3 (4).由(4)的形式,我们猜想f(a1)+f(a5)=f(a2)+f(a4)=2f(a3) (5),若(5)成立,则由方程(2),知2f(a3)=π,即2a3-cosa3=π (6),因为函数f(x)是在
R上的增函数,知方程(6)至多只有一个实数解,容易验证a3=π2是方程(6)的一个实数解.下面验证a3=π2满足方程(2),当a3=π2时,由{an}是公差为
π8的等差数列,知a1=
π4,a2=
3π8,a4=5π8,a5=
3π4,知f(a1)=2a1-cosa1=
π2-cosπ4,f(a2)=2a2-cosa2=3π4-cos
3π8,f(a3)=2a3
-cosa3=π-cosπ2=π,f(a4)=2a4-cosa2=5π4-cos
5π8=5π4+cos
3π8, f(a5)=2a5-cosa5=
3π2-cos3π4=
3π2+cosπ4,所以(5)成立,也就是说,方程(2)至少有一组解(
π4,3π8,
π,
5π8,3π4) (7).综合(3)和(7),知方程(2)有且只有一组解a1=π4,a2=
3π8,a3=π,a4=
5π8,a5=3π4,所以
[f (a3)]2-a1a5=π2-π4·
3π4=
13π216.
在阅卷时,这道题目引起了较大的争论,因为,参考答案应用了和差化积公式的变形问题.但是,我们觉得在解答选择题时,猜想等直觉思维的合理引入,其实在很大程度上可以简化问题谨严的逻辑思维过程,应用如此的问题来考查考试的合情推理也是未尝不可的.这道题虽然是一道选择题,我们依然做了认真地分析,从本例思路详尽的逻辑表达过程中,我们发现,由(4)、(5)两式启示,所进行的猜想的结论2f(a3)=π,由于它是选择题,它不要求我们给出解答此题的严谨过程,所要的只是一些比较简单的计算方法,因此,这种猜想的结果,对问题的思路的发现其实起着决定性的作用.
例2 (2012年全国高考广东卷理科第19题)设数列{an}的前n项和Sn=
an+1-2n+1 +1,n∈
N﹡,且a1,a2+5,a3成等差数列.
(Ⅰ)求a1的值;
(Ⅱ)求数列{an}的通项公式;
(Ⅲ)证明:对一切正整数n,由1a1+
1a2 +…+
1an<32(1)
分析:对于问题(Ⅰ)与(Ⅱ),请读者花点时间考虑,它们的答案分别是a1=1,数列{an}的通项公式an=3n-2n(n∈
N﹡).
对于问题(Ⅲ):我们考虑使用数学归纳法证明之.
(1)当n=1时,不等式(1)的左边为1,右边是
32,故不等式(1)成立.
(2)假设当n=k(k≥2,k∈
N*)时,不等式(1)也成立,即
∑ki=1
13i-2i
<32
(2)成立.当n=k+1时,我们只要证明
∑k+1i=11
3i-2i<32
(3)就行了.我们希望将不等式(2)与不等式(3)关联起来,由
∑k+1i=1
13i-2i=
∑ki=113i-2i+
13k+1-2k+1<
32+
1
3k+1-2k+1 (4),但是,我们不能说不等式(4)的右边小于
32,此路不通.怎么办?
我们仔细研究
∑k+1i=1
13i-2i
与
∑ki=113i-2i之间的关系,为了使得这两者具有大小的可比性,不像不等式(4)那样,分离出最后一项,而是分离出第一项,即
∑k+1i=113i-2i=1+ ∑k+1i=2
13i-2i
(5),我们猜想到
∑k+1i=2
13i-2i
与∑ki=113i-2i这两者之间具有固定的不等关系,也就是说,
13i+1-2i+1与
13i-2i之间存有固定的不等关系.为了找到线索,我们将前者稍作变形,
1
3i+1
-2i+1=
13·
13i·23·2i
<13·13i-2i ,于是
∑k+1i=2
13i-2i<
13·∑ki=1
13i-2i
(6)(k≥2,k∈
N﹡).不等式(6)验证了我们的猜想的正确性.所以,由不等式
(2)、(5)、(6),
∑k+1i=1
13i-2i
=1+
∑k+1i=2
13i-2i
<1+13
·∑ki=1
13i-2i
<1+13·32
<32.
综合(1)、(2),知不等式(1).
在采用数学归纳法证明时,取得了需要证明的不等式(4),思维受到了阻滞,我们发现,如此展开思路已经不行了.我们通过思考,认为这样地进行加法结合运算是导致出现问题的关键所在,于是,我们试探着采用(5)的形式进行加法结合性运算,从而获得了猜想:猜想到
∑k+1i=2
13i-2i
与∑ki=113i-2i这两者之间具有固定的不等关系,再通过探究活动,发现我们的猜想是正确的,从而解决了问题.
经过探究性学习的教与学实践,我们已取得了初步的成效,但还需要进行更加科学的规划和长期的大量的实验,以获得更佳的效果和具有指导意义的结论,以适应新教材的教学理念.
总之,在高中数学教学中开展探究性学习,关键是改变教师教学方式和学生学习方式,在高中数学教学中开展探究性学习,是新世纪数学改革的一个重大举措,是时代发展的紧迫需要,更是学生终身发展的强烈呼唤.随着新一轮的课程改革深入推进,我们数学教师不可回避面临着一次机遇与挑战,探究性学习还存在许多问题急待着我们去思考,需要我们在教学实践中不断探索与完善.
由此,我们看到猜想在数学解题中的重要作用,那么,数学教育教学中,利用合适的材料引导学生进行猜想具有怎样的意义呢?它的最为重要的意义,在于直接关系到人性能力的展开,是发挥人性能力的必经之路.在此,我们引用著名的古希腊哲学史专家严群先生的论述.
“心好比工匠,物好比材料,材料是已有的,工匠用他心中的计划,把材料组织起来而成器皿;有工匠,无材料,工匠莫能施其计,有材料,无工匠,材料不能自成器皿,所以杂乱无章,混然一团的物种必须有心替它们整理起来,才成宇宙万物,心也必须有物种,才能实现它的条理与功用.”这就是说,人的精神是外在于精神的物质的工作台,物通过精神的作用将自然物难于形成的关系达到了加速的关联,使物的有用性得到深刻的体现,并在这一过程中,心自身也得到了砥砺,人性能力得以展开,使人的内在精神创造性得到了发展.基于此,严群的观点应该是极其深刻的见解.