在探究性学习中发展数学核心素养

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  中学课堂教学要以学生为中心,以学生为中心应以学生积极参与教学活动为标志,学生参与教学活动以提高数学素养为目标。探究性学习是学生参与教学活动的有效途径,教学设计要尽可能创设探究情景,激发学生探究欲望,鼓励学生大胆探究。通过多途径、多形式的探究活动,不断发展学生数学抽象、逻辑推理、数学建模、数学运算、直观想象、数据分析等六大数学核心素养。
  最值问题是高中数学的一类重要问题,二元与多元最值问题也是高考、自主招生试题中的重点与热点问题。多元变量的最值问题因其技巧强、难度大、方法多、灵活多变而且具有挑战性, 是最值问题中的难点。求解多元变量最值,要求学生有坚实的数学基础,严谨、全面分析问题和灵活、综合解决问题的能力,是开展研究性活动的重要契机,是发展学生数学核心素养的重要平台。本文以多元变量最值问题为例,谈一些在探究性学习中发展数学核心素养的尝试。
  问题:若c>0,当非零实数a、b满足4a2-2ab 4b2-c=0且使最大时,
  的最小值。
  探究一:利用换元法将多元问题转化为一元变量问题,在探究中发展学生数学抽象、数学运算等核心素养。
  所谓换元法,是指在一个比较复杂的数学表达式中,用新的变量去代替原来的部分(或全部)变量或改造原来的式子,利用新元建立未知与已知间的通道。换元的实质是转化,目的是化繁为简、化生为熟,使问题易于解决,其关键是构造元和设元。常见换元法有代数换元、三角换元、均值换元等。换元时,要尽可能地用新元把分散的条件联系起来,把隐含的条件显露出来。笔者在教学中,尝试设计了两个活动来激发学生参与探究。
  活动一(代数换元):设2a b=t,2a=t-b,联立4a2-2ab 4b2-c=0
  ∴6b2-3tb t2-c=0①
  取最大值时,代入①中解得
  从而
  (时取“=”)
  活动二(三角换元):令
  则。
  故
  记,则,∴,
  故,当且仅当,即时,
  亦即,则2a=3b,故。
  从而,因此。
  问题以一个三元(a、b、c)二次方程在取最值的条件下求一个分式的最值,活动一、二通过代数换元、三角换元分别起到简化表达式、降维目的,明确目标而解决问题。学生在问题探究中,逐步强化数学抽象和数学运算能力等核心素养。
  探究二:突出不等式在解决最值问题中的重要作用,在探究中发展学生逻辑推理和数学运算等数学核心素养。
  最值問题与不等式联系密切,由此进一步引导学生用不等式开展探究活动。
  均值不等式是解决多元函数求最值的一种常用方法。使用均值不等式法时需关键要合理拆分项或恰当配凑因式,创设使用均值不等式的条件“一正、二定、三相等”后,使用不等式解决问题。
  活动三(均值不等式):由
  ,
  注意到, 则
  ①
  ②
  ① ②,
  当且仅当时取“=”,此时,。
  从而,因此。
  该解法通过“恰当配凑”使得不等式的右边在使用绝对值不等式之后恰为题设最值条件,从而利用等号成立条件得到a、b、
  c间的关系,进而求的最小值。
  柯西不等式是一个非常重要的不等式,其结构的和谐性、应用的广泛性、灵活性,可以使一些较为困难的问题迎刃而解。此时宜采取引导学生积极探究,巧拆常数、巧变结构、巧设数组等技巧,构造符合柯西不等式的其结构与成立的条件。
  活动四(柯西不等式):由变形得。(当且仅当即时取“=”)。
  从而,因此。
  探究三:随着探究活动中不断深入,鼓励学生思维发散、数形结合,发展学生直观想象及数学运算等核心素养。
  数形结合即借助“数”的几何特征与“形”的量化特点,相互转化来解决数学问题。“以形助数”利用形的直观形象性;“以数解形”主要利用数量关系的精确性、深刻性 ,数形结合的实质就是符号语言与图形语言的转化,将抽象思维和形象思维结合起来,可使复杂问题简单化,抽象问题具体化,是优化解题过程的重要途径
  之一。
  活动五(点线距离):由得。
  设l:,到l的距离。
  ,
  (M与O重合时取“=”,此时PO⊥l)
  则,
  从而,因此。
  继续探究:平面图形的伸缩变换可以用坐标的伸缩变换来表示,在伸缩变换下,图形的同素性、结合性与单位比都是不变的。利用伸缩变换的不变性,可以灵活、方便地解决此
  问题。
  活动六(伸缩变换):
  设
  则,且
  故直线与圆相切时,z取最大值。
  此时有,。
  联立,可得,以下略。
  多元变量的最值问题综合性强,知识面广,方法灵活,解法也相对灵活多变,在探究活动中,注意降维思想、整体思想与转化思想的使用,化陌生为熟悉、非常规为常规加以解决。在探究过程中,鼓励学生积极思考、勇于探索、大胆实践、科学提炼、总结推广,长期坚持下去,对发展学生数学数学核心素养十分
  裨益。
  参考文献:
  [1]王尚志.如何提升学生数学核心素养[J].中国教师,2016(5上).
  [2]梅向明等编. 高等几何[M].北京:高等教育出版社,1983年第1版.
  (作者单位:安徽省池州市第一中学)
  责任编辑:李莎
  lis@zgjszz.cn
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