践行数学思想,激活课堂教学

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  【摘要】定理教学一般需要经历“提出問题→操作观察→归纳猜想→分析证明→多样表达→解决问题→反思内化”的过程。研究者通过设计系列探究活动,为学生创设“做数学、玩数学”的情境,让学生在课堂中从“学会”到“会学”,从“会学”到“乐学”。
  【关键词】定理教学;勾股定理;活动探究;数形结合
  【作者简介】袁良同,二级教师。定理是经过逻辑证明为正确的命题,证明定理则是数学课堂的中心活动。一般地,定理教学需经历“提出问题→操作观察→归纳猜想→分析证明→多样表达→解决问题→反思内化”的过程,以促使学生对定理的学习达到一定的深度和广度。笔者应用定理教学的基本规范执教人教版八年级下册“勾股定理(第1课时)”取得了良好的教学效果。现将该课的课堂实录及自己的思考整理成文,以期得到同行的指正。
  一、课堂实录
  (一)情境引入
  师:同学们,课前我们先来欣赏一幅图片。这是2002年在北京召开的国际数学家大会现场图片(图略),左下方小图是本次大会的会徽。你们见过小图中的图案吗?为什么选择这个图案作为本次大会的会徽?
  生:没有见过。
  师:通过这堂课的学习,大家就会知道答案了。今天我们将要学习的内容是——勾股定理。(板书:勾股定理)
  【设计意图】教师利用图片设疑,为学生积极主动地投入探索活动创设情境,以激发学生的学习热情。
  (二)思考探究
  师:生活之中处处有学问,只要你善于观察、用心思考,就会有所发现。下面我们一起开启一段数学探索之旅。
  (课件出示:古希腊数学家毕达哥拉斯是位有心人。一次,他去朋友家做客时,发现朋友家地面图案是由全等的等腰直角三角形组成的,这引起了他的思考:以图案中一个等腰直角三角形三边为边向三角形外部作3个正方形,3个正方形面积间有何关系?等腰直角三角形三边之间有何关系?)
  师:地面图案是以哪种几何图形密铺而成的?
  生:等腰直角三角形。
  师:我们以等腰直角三角形ABC的三边为边向外作3个正方形。请大家看图思考,3个正方形的面积之间有何数量关系?(用几何画板展示图形的平移,如图1所示。)
  图1
  生:2个小正方形的面积等于大正方形的面积。
  师:你是怎么发现的?
  生:由图1可知,每个小正方形由2个小等腰直角三角形组成,大正方形由4个小等腰直角三角形组成,而图中所有的小等腰直角三角形都是全等三角形,由此可知2个小正方形面积之和等于大正方形的面积。
  师:不错。你观察得很仔细,通过直接数小等腰直角三角形的数量得出3个正方形的面积之间存在上述关系。大家再想想,将每个正方形的面积用等腰直角三角形ABC的三边来表示,那等腰直角三角形ABC三边之间有何数量关系?
  生:AC2+BC2=AB2。
  生:等腰直角三角形两直角边的平方和等于斜边的平方。
  【设计意图】在提出问题环节,教师利用几何画板课件动态演示,让学生观察图片,交流讨论,知晓等腰直角三角形三边之间存在某种数量关系,通过问题激发学生好奇、探究和主动学习的欲望。
  师:等腰直角三角形三边之间存在上述数量关系,这一结论推广到任意直角三角形时还成立吗?
  (课件出示:等腰三角形具有上述性质,其他的直角三角形也具有这个性质吗?图2中,每个小方格的面积均为1,请分别计算图2中3个正方形的面积S1、S2、S3,想一想S1、S2、S3之间有何数量关系?)
  图2
  师:S1、S2分别是多少?你是怎样算出来的?
  生:S1是4,S2是9。我是根据2个小正方形边长的平方算出来的。
  师:S3呢?还能通过求大正方形边长的平方算出来吗?如果不能,那该怎么求呢?
  生:如图3所示,我在S3内部添加4条辅助线,将S3分割成4个全等的直角三角形和1个边长为1的小正方形,求出S3=2×3×12×4+12=13。
  生:如图4所示,我在S3外部添加4条辅助线,得到一个边长为5的大正方形,由大正方形的面积减去4个全等的直角三角形的面积,也能求出S3的值为13。
  图3图4
  师:好样的。图形割补法在求面积的计算中有着广泛的运用,两位同学分别采用内部分割、外部添补的方法,直观、形象地求出S3的值。那么,S1、S2、S3之间存在怎样的数量关系呢?
  生:S1+S2=S3。
  师:由面积相等,我们可知直角三角形ABC三边之间存在怎样的数量关系呢?
  生:AC2+BC2=AB2。
  【设计意图】教师参与操作观察环节中的小组活动,倾听学生的交流,引导学生探究怎样求出S3的值。由S1+S2=S3推出直角三角形三条边之间的关系,即在直角边长为整数的直角三角形中,两直角边的平方和等于斜边的平方。该活动体现了学生的主体地位,发挥了教师的主导作用,培养了学生的类比迁移能力,让学生在动手操作中体验数形结合思想。
  师:一般情况下,我们将Rt△ABC的直角顶点用点C表示,两锐角顶点A、B所对的边分别用小写字母a、b表示,斜边用小写字母c表示。
  师:根据前面的探究,我们将刚才发现的结论由等腰直角三角形、直角边长为整数的直角三角形推广到任意直角三角形,你能否用一句话概括这一结论呢?
  生:如果直角三角形的两条直角边长分别为a、b,斜边长为c,那么a2+b2=c2。
  【设计意图】教师进一步推广发现的结论,让学生在相互欣赏和争辩中归纳猜想,体验由特殊到一般的思想。
  (三)拼图证明
  师:刚才的猜想是否成立,还有待严格证明。到目前为止,这个命题的证明方法有500多种,其中,我国古代数学家赵爽的证法非常直观、形象。下面我们一起来看看他是如何证明的。   师:首先,拿一个边长为a的小正方形和一個边长为b的大正方形如图5放置,将组合图形分割成2个全等的边长分别为a、b的长方形和1个边长为(b-a)的正方形;切割长方形得到4个全等的直角三角形,直角边长为a、b,设斜边长为c;将图5左下和右下的直角三角形分别绕点A、点C旋转至图6所示位置,得到一个边长为c的大正方形;基于面积相等的基本事实,得到等式a2+b2=c2。至此,命题得证,书本称之为命题1。在我国,命题1又叫勾股定理,赵爽所拼成的图形被人们称为赵爽弦图。
  (教师一边利用几何画板动态展示图形的切割、拼接,一边讲解。)
  图5图6
  师:在刚才的探究证明过程中,你有什么感悟?
  生:赵爽在图形的切割、拼接过程中,巧妙地利用面积恒等法来证明勾股定理,很直观、形象。
  生:证明过程体现了数和形的完美结合。
  生:这反映了我国古人对数学的钻研精神和聪明才智,是我们中国古代数学的骄傲。
  生:我欣赏到了赵爽弦图的端庄、典雅之美。
  师:赵爽弦图除了能证明勾股定理,还蕴含着丰富的数学知识。正因为如此,赵爽弦图被选作2002年在北京召开的国际数学家大会的会徽。
  【设计意图】教师借助几何画板重现古人推导过程,将数学史融入课堂,发挥数学史的育人功能,使学生在图形的切割、拼接过程中体会数形结合思想,激发探索欲望。
  师:下面,让我们追随古人足迹,自己也来动手拼一拼,证一证。请大家拿出课前准备的4个全等的直角三角形,以小组为单位,类比以上方法拼接图形验证这个命题。
  (学生上黑板拼图,如图7,利用面积法证明命题1,证明步骤略。)
  图7
  师:很好。大家用心想,认真拼,用面积关系来规范书写证明过程。所拼的图虽然不同,但无论是外弦图还是内弦图,两图还是有相同之处的。你找到了吗?
  生:所拼图形面积都能用直角三角形三边a、b、c来表示。
  生:所拼图形面积都能用两种方法来表示。
  师:讲得很准确。勾股定理的证明方法多,证法巧,在有限的课堂时间里去想一种新证法是有难度的,希望大家课后用心查找资料,下节课我们再一起来交流你学到的新证法。
  师:勾股定理是人类早期发现并证明的重要数学定理之一。古埃及早在公元前2600年的纸莎草就有(3,4,5)这一组勾股数;大约公元前2500年,古埃及人就开始使用勾股定理的原理测量金字塔和土地;大约公元前2000年,大禹治水时曾用勾股定理的原理计算水的落差,他成为第一个史书记载的与勾股定理有关的中国人;公元5世纪的普罗克勒斯给欧几里得的著作《几何原本》作注解时,将最早发现和证明勾股定理归功于毕达哥拉斯学派,我国东汉末年的赵爽用勾股圆方图来给予证明。(教师画出时间数轴,如图8所示。)
  图8
  【设计意图】学生模拟数学家的思维方式和思维过程,通过小组交流、动手拼图验证结论,对定理的理解更加深刻,再次体会数学中的数形结合思想。同时,教师让学生在探索、验证过程中体验数学发现和再创造的乐趣,享受数学之美、欣赏数学之美。教师利用时间数轴回顾勾股定理的历史,发挥数学史的育人功能。
  (四)学以致用
  师:勾股定理反映了直角三角形三边之间的数量关系,该命题的条件是什么?得到的结论又是什么?
  生:“在直角三角形中,两条直角边长分别为a、b,斜边长为c”是条件,从形的方面规定三角形的形状必须为直角三角形。
  生:结论是“a2+b2=c2”,得出三边之间的关系——两直角边的平方和等于斜边的平方。
  师:谁能把文字语言转换成符号语言?
  生:∵a、b为Rt△ABC的两条直角边,c为Rt△ABC的斜边,∴a2+b2=c2。
  【设计意图】教师加强数学符号语言的教学,引导学生进行语言的转化,使学生会用数学语言准确、简洁地表达自己的观点和思想。
  师:知识学了就要用。现在,我们一起来完成课本第24页练习题第1~2题。
  (学生口头回答第1题,板演第2题。)
  【设计意图】讲练结合,学生初步应用所学知识解决问题,加深对定理的理解。
  (五)反思内化
  师:本节课我们学习了哪些知识?
  生:我们探究了勾股定理及其应用。
  师:用到了哪些思想?
  生:用到了从特殊到一般以及数形结合的思想。
  师:好。勾股定理是初中数学中重要的定理,它研究的是直角三角形三边之间的数量关系,在以后的线段求值型问题中有着广泛应用,在现实生活中也有应用价值。下节课我们继续学习。
  (六)作业布置
  ① 必做题:课本第28页习题第1~2题。
  ② 选做题:A已知直角三角形两边长分别为5和12,求第三边长。B收集有关勾股定理的证明方法,下节课展示交流。
  【设计意图】教师在反思内化环节先让学生梳理课堂所学的数学知识、数学思想。课后作业设计体现了分层思想,在检验学生知识掌握情况的同时,让各层次的学生都能有所提升,给学有余力的学生留下继续学习的空间。
  二、教学反思
  (一)紧扣定理,活动串联
  本节课的教学重点是探索和验证勾股定理,难点是勾股定理的证明。应用勾股定理解决简单问题是第二节课的教学内容。基于以上考虑,笔者在课堂设计时按照“提出问题→操作观察→归纳猜想→分析证明→多样表达→解决问题→反思内化”的脉络,设计系列探究活动,为学生创设“做数学、玩数学”的情境,让学生在课堂中从“学会”到“会学”,从“会学”到“乐学”。在活动探究过程中,教师充分发挥学生的主体作用,让学生在积极思考、主动探索、大胆想象、总结规律、探索验证中,自然地萌生新知,避免将探究课、验证课上成练习课。
  (二)数形结合,提升素养
  数形结合思想是初中数学非常重要的思想方法,它将抽象思维和形象思维结合起来,通过“以数助形”和“以形解数”的形式来降低思维难度,使复杂抽象的问题更加形象直观。学生在探究“等腰直角三角形三边之间数量关系”时,都是通过数小等腰直角三角形的数量来直观感知2个小正方形面积之和等于大正方形的面积。笔者适时引导学生思考“如何用等腰直角三角形的三边来表示每个正方形的面积”,经历由形到数的转化过程,在数形结合中感知等腰直角三角形三边之间的数量关系。在“赵爽弦图证法”环节,笔者用几何画板动态演示正方形的切割、拼接,让学生在面积相等的事实中体会数形结合思想。
  (三)以史为源,汲取智慧
  科学给人知识,历史给人智慧。数学史与教学结合是一种趋势,数学课堂应从数学史中汲取丰富的教学素材和思想养料,为课堂教学所用。教师在备课时,应充分利用网络、图书来查找勾股定理的历史、证明方法和奇闻轶事,选取和教学内容密切关联的材料。在课堂导入中利用学生不熟悉的会徽设疑,成功地激发了学生的求知欲和好奇心;在“地砖中的发现”环节,学生积极主动投入探索活动,热情高涨地开展有效探究;在拼图证明定理后,笔者利用数轴图回顾史实,让学生感受勾股定理的悠久历史。笔者把课堂设计成跟随古人的足迹去探索、验证勾股定理,充分发挥了数学史的育人功能。
  【课堂聚焦·课堂新探】
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