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方程的本质是什么?
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方程、以及与方程有关的函数,是义务教育阶段乃至整个基础教育阶段数学教学最为核心的内容。小学阶段的数学教学是这些核心内容的起始,其重要性是不言而喻的。这个起始是从"字母表示数"开始的,这个开始能让小学生明显感悟到抽象;在这个感悟的基础上,"方程"是小学生接触到的最为抽象的概念。在大多数的教科书中,对方程的定义是:含有未知数的等式。但是,这种定义只是一种形式上的描述,这种形式表述不可能把握方程的本质。
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一般来说,在方程的教学中必须把握两条:列方程和解方程。无论是列方程还是解方程,都有其基本原则,在教学活动中应当让学生感悟这些基本原则,从而感悟方程的本质、感悟如何通过数学的形式表述现实生活中的数量关系,这对学生未来的学习和发展都是非常重要的。
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关于列方程。方程中的等号是问题的核心。回顾在问题9中讨论加法时曾经说过,符号"="的本质含义是:等号两边的量相等,因此:方程的本质是描述现实世界中的等量关系。更具体的说,方程描述的是现实世界中与数量有关的两个故事,其中用字母表示未知的量;这两个故事有一个共同点,在这个共同点上两个故事的数量相等。这就是列方程的基本原则。比如,可以基于问题9中的模式(3)和模式(4)来构建基于现实生活的问题:
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小华有4个苹果,小红有3个苹果,问小红再有几个苹果就会与小华一样多?
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这个问题实在是太简单:4 = 3 +
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x,其中x表示未知量,几乎所有的学生都能够直接得到这个问题的答案。但是,利用这个简单的例子能够阐明列方程的基本原则:述说的是两个故事(等号左边是小华的苹果,等号右边是小红的苹果);这两个故事的某个量相等(小红的苹果增加后与小华的苹果数量相等)。当然,通过这样简单的问题看不出列方程的必要性,也很难引发学生学习的兴趣,所以可以考虑复杂一些的问题:
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男女同学分别列队,每行2名同学。女同学20人,男同学16人,问女同学比男同学多几行?
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可以用四则运算直接回答这个问题:(20-16)/2,但这个思考过程有一定的难度。也可以列方程来解决这个问题,设女同学比男同学多x行,那么方程为:20
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= 16 +
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2x,可以看到,通过这个例子可以更好地体会方程的本质。当然,还可以考虑更为复杂的问题:
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一个房间里有4条腿的椅子和3条腿的凳子共16个,如果椅子腿数与凳子腿数共60个,那么有几个椅子和几个凳子?
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这个问题也可以用四则运算的方法解决:椅子数 = 60 - 3×16 = 12,凳子数 =
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16-12 = 4,最后验算:4×12 + 3×4 = 48 + 12 =
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60。用这样的方法计算虽然简单,但思维过程比较复杂:考虑椅子和凳子共16个,先计算椅子4条腿中的3条腿与凳子的腿数的总数:3×16
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= 48,那么,剩余的腿数60-48 =
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12就都是椅子的了,因此有12个椅子。无论是在日常生活还是在生产实践中,下面这个道理是一致的:计算简单的方法往往需要付出逻辑思维的代价。
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方程的特征是用字母表示数,这个数往往就是所要求的数,因此称这个数为未知数,通常用拉丁字母的用后几个x、y、z表示,参见问题16的讨论。在实际操作中,可以通过逻辑关系得到两个故事之间的数量关系。比如,在上面讨论的问题中,如果用x表示椅子的数量,那么,凳子的数量就是16-x;因为已知椅子腿和凳子腿的总数,就可以根据这个已知条件得到下面的关系:
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椅子腿数 + 凳子腿数 = 总腿数。
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用符号表示就是:4x + 3(16 -- x)=
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60。可以看到,就逻辑思考而言,列方程的方法比四则运算的方法要清晰简洁,但计算要复杂一些。
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还可以用归纳的方法得到方程,《义务教育数学课程标准》的例51讨论了这个问题。众所周知,这个例子的原型是中国古代的鸡兔同笼问题[^16],但为什么要变成凳子椅子的问题呢?这是因为凳子椅子差1条腿,比鸡兔差2条腿简单,有利于进行归纳推理:归纳推理是一个循序渐进的过程,通过这样的过程中发现数量之间的规律。现在看来,用这个例子解释归纳推理并不妥当,因为这个例子过于简单,用归纳推理很可能会引起学生思维的混乱,还不如用逻辑推理的方法简洁明了。但是,通过凳子椅子的例子过渡到鸡兔同笼的问题还是有意义的:通过简单的问题理清思路,通过复杂的问题验证思路。比如,老师在教学的过程中讨论凳子椅子的例子,在课后练习时让学生讨论鸡兔同笼的问题。
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关于解方程。解方程的基本原则是利用方程的性质:等式两边加减乘除同一个数,等式不变;等式两边交换,等式不变。比如,一个非常简单的例子,求方程
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5 -- x = 3
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的解。根据所说的原则,可以如下教学:
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等式两边同时加x,得到:5 = 3 + x
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等式两边同时减3,得到:5 - 3 = x
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等式两边交换,得到:x = 5 -- 3
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最后计算,得到:x = 2。
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许多教师会认为,这样计算实在是多此一举,因为可以通过减法直接得到结果。但应当清楚的是,现在是在教如何解方程,就应当让学生掌握解方程的通性通法,让学生更好地把握方程的本质。一题一解的教学方法是不足取的:技能表现于一般性,技巧表现于特殊性。事实上,问题稍微复杂一些,就不可能用减法直接得到结果了,比如5
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-- x = 3 +
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2x这样的问题,就很难直接得到结果。因此在数学教学过程中,需要培养的是技能而不是技巧,在"四基"中强调的是技能。
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通过上面的计算过程,容易归纳出解方程的一个重要的计算形式:移项。就是说,可以把一个项(数字或者字母)从方程的一边移到方程的另一边,移项的法则是:移项时必须改变项的符号。通过上面的简单推导可以看到,移项的法则是从方程的性质推导出来的,因此,像移项这样的解方程的计算形式都是从方程的性质中总结出来的。通过一段时间的学习和训练,学生可以通过方程的性质和计算的形式把握解方程的本质:字母可以参与四则运算;解方程的过程是:把字母项移到方程的左边,把数字项移到方程的右边,然后进行四则运算。
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