始于猜想·行于探究·终于建模

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  【摘要】本文以人教版“鸡兔同笼”问题教学为例,从三个层面沟通联系,帮助学生提升思维能力,即沟通列表与假设的联系,先假设全是鸡或者全是兔,再比较调换;沟通画图与假设的联系,借助直观的图示解释抽象算式的算理;沟通三种方法之间的内在联系,揭示其本质上都是“假设—比较—调换”的思维方式,突出假设思想。
  【关键词】鸡兔同笼 沟通联系 假设思想
  【中图分类号】G 【文献标识码】A
  【文章编号】0450-9889(2021)29-0078-04
  “鸡兔同笼”问题出自《孙子算经》,是我国民间广为流传的数学趣题,长期以来被用作学生思维训练的经典教学内容。课堂上,学生能仿照例题有序地分析,面对问题也能对答如流,但在解决问题时依然出现两点尴尬。尴尬一:依靠记忆和模仿。比如假设是鸡(兔),学生知道求出来的分别是兔(鸡),只知套用算法而不知其因,不能迁移解决生活中的类似问题。尴尬二:知识理解缺乏深度。如学生没有真正理解画图法、列表法、假设法三种方法的内在联系,知识呈碎片状。面对这些尴尬,笔者不禁深思:问题究竟出在哪里?以下,笔者试图从教材比较分析、学生认知分析两个纬度出发,从问题解决教学的角度,对人教版“鸡兔同笼”问题教学进行系统的梳理与思考。
  一、构思:“鸡兔同笼”教材比较的启示
  教材是实现课标的显性载体,不仅承载了输送基本知识和技能的任务,而且包含了一定的数学思想与方法。笔者尝试从不同版本教材“鸡兔同笼”问题的比较中,分析教材编排背后隐藏的理念与思考,以期为改进“鸡兔同笼”问题的教学预设提供理论支撑。
  (一)多版本教材对比解读
  多版本研读“鸡兔同笼”问题的编排,主要有以下两方面的变化。
  1.教学内容的编排顺序存在明显差异
  从教材编排的顺序看,《鸡兔同笼》这一教学内容被安排在不同的年级中(如表1)。从表1中可以看出,“鸡兔同笼”内容所涉及的教学对象中,年级最低的是二年级学生,最高的是六年级学生,年级跨度较大。
  2.例题所渗透的解决方法呈现多样性
  各版本教材“鸡兔同笼”例题中所渗透的解决方法呈现多样性。从表1可以看出,由于教材编写的年级不同,学生认知特点不同,不同版本教材例题所要渗透的解决方法并不完全一致,呈现出多样性的特点。
  (二)教材变与不变的启示
  1.教材编排求“同”存“异”
  结合教材及比较表1,主要可以发现以下一些特点:
  (1)思想一致。各版本教材基本都包括了“猜想—比较—推理—调整”的过程,采用“由简单到一般,具体到抽象”的思维模型。
  (2)策略聚焦。“列表法”是各版本教材都采用的解決方法。
  (3)方法互通。不同版本教材例题所要渗透的解决方法呈现多样性,但各种方法之间互通,在教学中应将“画图法与列表法”“列表法与假设法”等有机结合。
  2.求“同”存“异”探教法
  比较6种不同版本的教材可知:“鸡兔同笼”这道古题适用于小学阶段的各个年级,但由于各版教材的教学定位不同,解决问题的方法也不尽相同。由此引起笔者思考:学生的思维起点在哪里?如何确定某一种数学思想为教学的核心思想?怎样让“鸡兔同笼”问题应用于生活实际,构建问题模型思想呢?
  基于上述分析与思考,笔者设计如下实施路径:以列表法为平台,让学生充分经历猜测、比较的思维过程,感受规律;依照规律,小组合作探究假设法;结合画图进一步帮助学生直观理解数量变化规律及调整办法;沟通三种方法的内在联系,建立问题模型。(如图1,见下页)
  二、实践:“鸡兔同笼”课堂实践的变革
  “鸡兔同笼”问题不仅存在知识的内在联系,还存在着一定的知识“序列”,这种“序列”既有知识的逻辑之序,也有学生认知的发展之序。依循学生的认知之“序”,笔者设计如下实施路径。
  (一)猜想——感悟化归思想
  一个“适当的问题”能引领学生深入地思考。教材中编排了“鸡兔同笼”这个经典的数学问题,不仅让学生感受我国数学文化源远流长,而且理解了“化繁为简”的思想。
  1.学习古题,感受数学文化
  【教学片段1】
  教师用多媒体演绎主题图(如图2),学生模仿图中孩子冥思苦想的画面,有感情地朗读:“今有雉兔同笼,上有三十五头,下有九十四足,问雉兔各有几何?”学生品读文言文中“雉”“足”“几何”所蕴含的现代文意译,还有每只兔、每只鸡“脚数”的生活常识等。
  教学运用多媒体演绎主题图中的生动情境,引导学生模仿画面有感情地朗读,感受这段文言文的内在含义、文言文之美,激发学生解决问题的兴趣。
  2.经历猜想,体会化繁为简
  “鸡兔同笼”原题的数据较大,对学生经历猜测、验证的过程提出了挑战,经过几次简单的猜测和数据调整,学生发现仍然不能得到正确的结果,体会从简单问题入手的必要性,初步感受“化繁为简”的思想。
  【教学片段2】
  (前面学生已经理解了古题的意思,并获取相关信息:鸡和兔一共有35只,它们的脚一共有94只。)
  师:这个问题你能解决吗?你准备怎样解决?
  生1(小声):猜一猜吧!
  师:“猜一猜”也是一种方法。
  生2:它们一共有35只。
  生3:如果一共有94只脚,这样就猜对了。
  师:古人说,天下难事始于易。我们不妨从简单的数据入手,寻找解决问题的方法。
  教师顺势出示例1:
  课件呈现:笼子里有若干只鸡和兔,从上面看有8个头,从下面数有26只脚,鸡和兔各有几只?
  根据学生的认知特点,降低难度,把原题改为学生更容易理解的问题,逐步培养学生的推理能力,让学生从简单的问题开始经历猜测结果、尝试调整得到正确结论的过程,逐步掌握“化繁为简”的方法。现以示例1为例进行讲解。   (二)列举——促进逻辑思维
  经过初期猜想与调整,引发学生思考“怎样让猜想更有序”,找到逐一列举的方法,跳跃列举或取中列举,直到头和脚的总数符合题目信息,让学生学会有序思考,培养思维的严密性和逻辑性。
  1.借助列表,学会有序思考
  学生从最初的随机猜测中,对头数与脚数的对应变化有了一些感悟,但因猜测的无序性容易重复或遗漏,从而顺势推出列表法,让猜测从“无序”走向“有序”。
  【教学片段3】
  师:刚才同学们有各种猜法,听起来比较混乱,也不知道是否重复和遗漏。该怎么猜呢?你们可以和同桌合作,把想法有序地填在下表中吗?(学生合作完成表格2,汇报。)
  生1:我们从“一共有8只鸡”开始猜起,当有8只鸡时,兔有0只,脚有16只。接下来鸡变成7只,兔有1只,合起来是8只,腿有18只,依次是……
  师:观察这张表格,你们还有什么问题吗?
  师(小结):要有序地思考,就要把每一种情况都考虑到,虽然这种情况不太可能出现,但不能否定其存在的可能,像这样把每一种情况都有序地列举出来的方法,就叫列举法。
  2.探寻规律,铺就假设推理
  运用有序列表的方法,可让学生经历逐一调整数据变化的过程,掌握列表法的规律,为后面的探究假设法做好铺垫。
  【教学片段4】
  师:再次观察这张表格,有没有新的发现?
  生1:我发现鸡减少1只,兔子就增加1只,脚的只数会增加2只。
  师:为什么每次脚的只数会增加2只呢?
  生2:鸡减少1只,少了2只脚,兔多了1只,多了4只脚,这样总数就增加了2只脚。
  生3:1只兔换成1只鸡,脚就减少2只。
  师:如果鸡和兔脚的总只数比26少,那就要让脚的只数多一些,并不断地调整。
  生4:把里面的鸡换成兔。
  生5:如果鸡和兔脚的总只数比26多,要让脚的只数少一些,可以把里面的兔换成鸡。
  生6:还可以全部猜成鸡,然后根据规律把鸡和兔换一换,让脚的只数达到26只就可以了。
  列表法让学生不断尝试列举各种情况,累积猜测和推理的经验,体会有序思考的数学思想,发现列表法的规律,为后面的探究假设法学习奠定基础。
  (三)假设——提升推理能力
  假设法是解决“鸡兔同笼”问题的一般方法,更具有思维的逻辑性和推理性,解题过程需要经历“假设—比较—推理—调整”的过程。
  1.合作学习,打开思路
  虽然学生有了列表法猜测和推理的经验,基于四年级学生逻辑思维连贯性的不足,可以通过小组合作和“小锦囊”提示,帮助学生打开思路。
  【教学片段5】
  师:根据刚才发现的规律,请同学们每四人小组合作猜测其中一种情况,然后调整脚的只数,再来解决这道题。当你们遇到困难时,可以借助“小锦囊”的提示哦!
  [小锦囊:
  1.你猜测的是怎样一种情况,脚共有多少只?
  2.脚的总数和要求比起来多了还是少了?
  3.你准备怎样调整?需要调整几次?
  4.調整后,鸡、兔各有几只?
  5.能列出算式吗? ]
  2.经历“假设”,培养推理能力
  学生充分经历“假设—比较—推理—调整”的解答过程,不断完善思路,能够培养逻辑推理能力。
  【教学片段6】
  生1:我们这组猜测有4只鸡、4只兔,一共有24只脚。跟26只脚比起来少了2只脚,就把其中一只鸡换成兔,多了2只脚,刚好26只脚。这样鸡有3只,兔有5只。
  师:能列出算式吗?
  生2:4×2+4×4=24(只),26-24=2(只),4-1=3(只),4+1=5(只)。
  师:大家还有其他的方法吗?
  生3:我们假设全是鸡。
  假设全是鸡:2×8=16(只) 26-16=10(只) 4-2=2(只)
  兔的只数:10÷2=5(只)(差的10只脚要换5次,也就是放进5只兔)
  鸡的只数:8-5=3(只)
  生4:我们假设全是兔……
  教师提供“小锦囊”帮助小组合作分析,学生遵循规律充分经历尝试、分析、再尝试的探索历程,逐步掌握假设法。这不仅体现了新课标要求合作学习、互动交流、将课堂交给学生的理念,还揭示了列表法与假设法之间的内在联系。
  (四)求联——突出假设推理
  从列表法的规律探索到假设法的推理,揭示了列表法与假设法之间的内在联系,学生借助画图直观地理解“假设—比较—推理—调换”的思维过程,从假设的角度把三种方法融会贯通。
  1.数形结合,直观理解推理
  实践证明,数形结合能让学生的思考更为直观,启发学生用画图直观地理解假设法的推理、调换过程,让抽象算理更加形象、更易于理解。
  【教学片段7】
  师:谁能用画图法解决问题?
  生1(边画边讲):先画出8只鸡,每只鸡有2只脚,一共16只脚,可实际上有26只脚,少了10只。接着就可以把鸡换成兔,换一只兔就添上2只脚,10只脚就需要换成5只兔。(如图3)
  师:你刚才画图时,为什么先画出8只鸡呢?
  生1:我也是假设全是鸡。
  师:可见,画图法和假设法尽管方法不同,但是道理是相通的。
  2.反思求联,聚焦假设方法
  引导学生“比较”和“反思”列举、假设、画图三种方法的“同与不同”,追溯每种方法的思考起点,沟通内在联系,揭示其本质都是“假设—比较—调换”的思维方式。   【教学片段8】
  师:同学们用列表、画图、假设三种方法解决了问题。那么,这三种方法之间有没有区别与联系呢?
  生1:列举法是从8只鸡和0只兔开始列举;假设法是从假设全是鸡开始计算;画图法是从8只全是鸡开始画。
  生2:我认为列举法和画图法也都是先假设的。
  师:其实画图、列表、假设这三种方法本质上是一致的,都是假设法的不同体现,都要经历“假设—比较—调换”这样一种循环往复的思维过程。
  沟通三种方法的内在联系,其实质都是“假设—比较—调换”循环往复的思维过程。由此,引导学生把看似不相同的方法化归为一般方法,通过对比、梳理,让数学知识从“厚”到“薄”,更具系统性。
  (五)迁移——建构模型思想
  “鸡兔同笼”问题突出的思想就是假设推理,本质上是“假设—比较—调换”的思维方式。教师可以将学生初步感悟的“鸡兔同笼”问题数学模型,演绎到各种生活情境中,在解决新问题时实现自主迁移,进一步促进模型思维内化。
  1.模型演绎,解决具体问题
  【教学片段9】
  (1)解决古算题,重点追问“假设全是鸡,为什么先求出的是兔的只数”和“假设全是兔,为什么先求出的是鸡的只数”。
  (2)“龟鹤算”问题。
  师:“龟鹤”问题跟“鸡兔”问题有联系吗?“龟鹤算”问题是从“鸡兔同笼”问题演变来的。其实“鸡兔同笼”只是这类问题的一个统称,生活中有许多这类“鸡兔同笼”的问题,也能用上今天学习的方法去解决。请看下面的问题:
  ①三轮车和自行车共10辆,共有23个轮子。三轮车和自行车分别有多少辆?
  ②光明小学“红领巾”小分队12人参加植树活动,共栽了32棵树。男生每人栽3棵树,女生每人栽2棵树,男、女生各有几人?
  从“鸡兔同笼”中感悟的问题模型,演绎到具体的实际问题情境中,进一步明确“鸡兔同笼”问题的实质。
  2.内化模型,建立数学思想
  教师引导学生将“鸡兔同笼”问题模型,迁移到解决各种具体实际问题中,引领学生思维不断走向深入。在解决问题的过程中,学生的思维进一步发展,逐步从问题解决走向思维建构。
  三、追寻:“鸡兔同笼”教学引发的思考
  “鸡兔同笼”问题的教学实践与思考,序列建构合理、方法各有侧重,有助于提升学生的数学思维能力。
  (一)沟通联系,思维融通,促进知识建构
  针对学生知识内容碎片化,沟通画图、列表、假设三种方法的内在联系,从方法多样走向方法互通,引导学生建立融通的认知结构。
  1.学习内容:从“孤立碎片”走向“联系整合”
  对知识的学习是从点状开始,当学生完成一部分知识点的学习之后,教师就要引导他们用联系整合的观点建构知识。用画图、列表、假设三种不同的方法解决“鸡兔同笼”问题,其方法样态和方式有所不同,知识呈碎片状。但假设法只是列表法中的特殊情况,假设全是鸡或全是兔;画图法则是用直观的方式呈现列表法、假设法的思考过程。对此,教师可以通过对知识梳理整合、建立联系与融通,使教学从孤立碎片走向联系整合,完善学生的认知结构。
  2.知识结构:从“要素沟通”走向“模型建构”
  将“联系”的观点贯穿教学全过程,可以将各知识要素联结起来,在联系建构中建立起数学模型。通过沟通画图、列表、假设三种方法的内在联系,感悟初步的问题模型;从初步感悟的数学模型演绎,再到具体的各种生活情境中解决实际问题,实现知识的自主迁移,从而由要素沟通过渡到模型构建。
  (二)突出思维,问题解决,促进思维建构
  针对学生不能迁移解决生活中类似“鸡兔同笼”的问题,教师可以将问题模型演绎到各种生活现象和问题情境中,借助解决生活中的实际问题强化模型思维,促进思维建构。
  1.情境迁移:从“举一反三”走向“举三反一”
  “举三反一”是指问题解决后的理解、感悟、抽象、概括,形成某一种数学思想方法。“一”是指习得问题解决的一种方法,“三”用习得的方法迁移到相似情境中解决一类问题。從鸡兔同笼中习得的基本假设,用推理方法解决生活中各种“鸡兔同笼”的问题,实现知识迁移。学生在解决各种问题的过程中完善方法,强化基本的问题模型。
  2.认知体验:从“问题解决”走向“思维建构”
  教学实践证明,学生经过一段时间之后会将知识遗忘,但运用学习到的思想方法,对解决具体实际问题和提升思维品质,具有重要的现实意义;同时通过解决生活中“鸡兔同笼”这一类问题,在解决生活实际问题中内化基本的数学模型,从而逐步从解决问题走向思维建构。
  总之,数学教学从教材比较分析、学生认知分析两个纬度出发,从问题解决教学模式的角度,对人教版“鸡兔同笼”问题做了系统的梳理与思考,优化教学设计,发挥教育价值。
  【参考文献】
  [1]王宏伟.顺应学生思维特征的学习方式选择[J].教学月刊·小学数学,2017(9).
  [2]牛献礼.沟通联系 突出思想[J].小学教学研究,2018(3).
  [3]郜舒竹.学生解决鸡兔同笼问题的协变思维[J].教学月刊·小学数学,2019(9).
  【作者简介】张燕萍(1970— ),浙江杭州人,大学本科学历,一级教师,现就职于浙江省杭州市余杭区实验小学,研究方向为小学数学教学。
  (责编 杨 春)
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