浅谈数形结合思想在解题中的应用

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  在数学思想中,有一类思想是体现基础数学中的具有奠基性和总结性的思维成果,这些思想可以称之为基本数学思想。基本数学思想包括:分类讨论的思想;数形结合的思想,变换与转化的思想,整体思想,函数与方程的思想,抽样统计思想,极限思想等等。数学教学中处处渗透着基本数学思想。如果能使它落实到学生学习和运用数学的思维活动上,它就能在发展学生的数学能力方面发挥出一种方法论的功能。在这些基本的数学思想方法中数形结合思想是一种很重要的方法,它贯穿于整个数学的教学课程。数和形是数学中最基本的两大概念,是整个数学发展进程中的两大支柱。数和形在客观世界中又是不可分割地联系在一起的。著名数学家华罗庚先生说得好:“数形结合百般好,隔裂分家万事休”,华老亲切而风趣地告诫我们不要“得意忘形”。
  1.对数形结合思想的认识
  “数”是数量关系的体现,而“形”则是空间形式的体现,数学中两大研究对象“数”与“形”的矛盾统一是数学发展的内在因素,数形结合贯穿于数学发展中的一条主线,使数学在实践中的应用更加广泛和深远。一方面,借助于图形的性质,将许多抽象的数学概念和数量关系形象化、简单化,揭示出隐含在它内部的几何背景,启发思维,找到解题途径;另一方面,将图形问题转化为代数问题,通过数量关系的研究解几何问题。“数”与“形”的信息转换,相互渗透,不仅使解题简捷明快,還开拓解题思路,为研究和探求数学问题开辟了一条重要的途径。
  数形结合就是把抽象的数学语言、数量关系与直观的几何图形、位置关系结合起来,通过“以形助数”或“以数解形”即通过抽象思维与形象思维的结合,可以使复杂问题简单化,抽象问题具体化,从而起到优化解题途径的目的。数形结合有两种基本形式,一是“形”的问题转化为用数量关系去解决,它往往把技巧性极强的推理论证转化可具体操作的代数运算,起到很好的化难为易的作用。在解析几何中就常常利用数量关系去解决图形问题。二是“数”的问题转化为形状的性质去解决,它往往具有直观性,易于理解与接受的优点。数形结合在解题过程中应用十分广泛,运用数形结合思想解题,不仅直观易于寻找解题途径,而且能避免繁杂的计算和推理,简化解题过程。
  2.利用数形结合进行教学的必要性
  利用数形结合进行解题,它不仅将优美的题解过程形象地展现在解题者的面前,而且给解题者带来层次分明的思维训练而回味无穷,使学生产生一种奇异的感觉,消除一部分学生因数学的抽象性而产生的畏惧、厌烦情绪,从而产生对数学的兴趣。随着今后现代科学技术的发展,数学必将深入到教育、科研、生产和生活的各个领域,特别是在高科技领域,如信息技术,生物技术等等。一方面数学变得越来越抽象,人们研究数学越来越离不开形的导引。
  3.数形结合在初中数学教学中的应用
  教学时,要引导学生从充分利用形的直观性来揭示数学问题的本质属性;由形思数,利用数研究形的各种性质,寻找运动规律;数形结合,促进矛盾顺利转化,创造条件使对立双方达到统一。这样,有利于培养学生多角度、多方面的思考习惯,有助于训练学生思维的灵活性、广阔性、创造性和辩证性,提高学生解决问题的能力和创新能力。
  3.1以形助数,代数问题几何化
  由于“数”和“形”是一种对应,有些数量比较抽象,我们难以把握,而“形”具有形象、直观的优点,能表达较多具体的思维,起着解决问题的定性作用,因此我们可以把“数”的对应———“形”找出来,利用图形来解决问题。对于“数”转化为“形”这类问题,解决问题的基本思路:明确题中所给的条件和所求的目标,从题中已知条件或结论出发,先观察分析其是否相似(相同)于已学过的基本公式(定理)或图形的表达式,再作出或构造出与之相适合的图形,最后利用已经作出或构造出的图形的性质、几何意义等,联系所要求解(求证)的目标去解决问题。在学生掌握了用数轴来表示一些具体不等式(组)的解集后,引用如下例子:
  例1:如果 总成立,你能利用数轴探究一下x的取值范围吗?
  这道题对一个初中生来说理解起来很难,但若教师引导学生用数轴来表达题意(如上图),问题就容易解决了。观察数轴可知,例1中的x一定是大于3的数,即x>3;相信通过这个问题的解决,学生对数轴的作用会有很深的体会。
  3.2 以数辅形,几何问题代数化
  有些题目虽然有形象、直观的优点,但在定量方面还必须借助代数的计算,特别是对于较复杂的“形”,不但要正确的把图形数字化,而且还要留心观察图形的特点,发掘题目中的隐含条件,充分利用图形的性质或几何意义,把“形”正确表示成“数”的形式,进行分析计算。解题的基本思路:明确题中所给条件和所求的目标,分析已给出的条件和所求目标的特点和性质,理解条件或目标图形中的重要几何意义,用已学过的知识正确的将题中用到的图形用代数式表达出来,再根据条件和结论的联系,利用相应的公式或定理等。
  例1:如图,Rt△ABO的顶点A是双曲线y=kx与直线y=-x+(k+1)在第四象限的交点,AB⊥x轴于B,且ΔABO的面积等于32。
  (1)求这两个函数的解析式;
  (2)求直线与双曲线的两个交点A、C的坐标和△AOC的面积。
  分析:“ABO的面积等于32”的几何意义与k的数字大小联系,从反比例函数的图形位置说明数k的符号,从而解决了(1)的问题。由一次函数y=-x+(k+1)与一元一次方程-x+(k+1)=0的关系,把图形转化为代数问题,又由方程的根得到图像与x轴的交点D的坐标,再表示线段OD的长度,回到几何问题;双曲线y=kx与直线y=-x+(k+1)交点的几何问题,先转化为求交点坐标,再转化成求方程组的解,由A、C的坐标得到ΔODC、ΔAOD的高,再次转化,获得(2)的解。
  数形结合其实质是将抽象的概念、关系与数字直观结合起来,使抽象思维和形象思维结合起来,无论以形促数、由数构形还是由形思数、以数论形都是通过图形的处理,发挥直观对抽象的支柱作用,实现抽象概念、关系与具体形象、表象的转化.数学中两大研究对象“数”与“形”的矛盾统一是数学发展的内在因素,数形结合贯穿于数学发展中的一条主线,使数学在实践中的应用更加广泛和深远。数形结合将数的严谨与形的直观统一起来,使抽象问题具体化,复杂问题简单化,真是数形结合百般好!“数”与“形”的信息转换,相互渗透,不仅使解题简捷明快,还开拓解题思路,为研究和探求数学问题开辟了一条重要的途径。作为初中数学教师,就应该在数学教学中渗透数形结合思想,把它深入课堂,使之成为学生解决数学问题的一个重要手段。
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