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方程的本质是什么?
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。
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。
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
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
这个问题实在是太简单4 = 3 +
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
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
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
= 16 +
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
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
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 =
16-12 = 4最后验算4×12 + 3×4 = 48 + 12 =
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
= 48那么剩余的腿数60-48 =
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。
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
椅子腿数 + 凳子腿数 = 总腿数。
用符号表示就是4x + 316 -- x=
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。
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。
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
5 -- x = 3
的解。根据所说的原则,可以如下教学:
等式两边同时加x得到5 = 3 + x
等式两边同时减3得到5 - 3 = x
等式两边交换得到x = 5 -- 3
最后计算得到x = 2。
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
-- x = 3 +
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。
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。