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        HPM視角下的一元二次方程求根公式教學(xué)設(shè)計

        2015-10-12 03:41:42四川師范大學(xué)
        中學(xué)數(shù)學(xué)雜志 2015年21期
        關(guān)鍵詞:求根數(shù)學(xué)史數(shù)學(xué)家

        ●四川師范大學(xué) 劉 銘 張 紅

        HPM視角下的一元二次方程求根公式教學(xué)設(shè)計

        ●四川師范大學(xué) 劉 銘 張 紅

        一、背景

        HPM源于第二屆國際數(shù)學(xué)教育大會上成立的一個工作組的簡稱,其全名為International Study Group on the Relations between History and Pedagogy of Mathematics.[1]顧名思義,該小組專門研究的正是數(shù)學(xué)史與數(shù)學(xué)教育之間的關(guān)系,至此,數(shù)學(xué)史與數(shù)學(xué)教育之間的關(guān)系作為一個新的研究領(lǐng)域誕生,并且我們通常把HPM作為這個數(shù)學(xué)教育研究領(lǐng)域的名稱.

        一元二次方程的求根公式起著承上啟下的作用,是后期學(xué)習(xí)分式方程和二次函數(shù)的基礎(chǔ).并且“降次”作為公式推導(dǎo)的核心思想,有效習(xí)得這種思想方法對高中階段三角函數(shù)部分的學(xué)習(xí)及解題都是很有幫助的.

        二、一元二次方程求根的歷史

        顯而易見,在方程的發(fā)展史上,一元二次方程求根公式的出現(xiàn)是一個重要節(jié)點.

        早在公元前1894-前1595年的古巴比倫時期,就出現(xiàn)了一元二次方程的求根公式.在當(dāng)時,一類常見的題目是“兩數(shù)之積是a,兩數(shù)之和(或差)是b,求兩數(shù).”[2]用現(xiàn)今的符號可表示為一元二次方程:x2-bx+a=0,解方程

        古希臘歐幾里得的《幾何原本》(約公元前300年前后)與丟番圖的《算術(shù)》(約第三世紀(jì))中對公式①也有所記載.[2]

        此后,一元二次方程求根公式的發(fā)展主要在中國、印度和中亞等國完成.[3]

        中國古代,數(shù)學(xué)家趙爽在其《周髀算經(jīng)》注文的《勾股圓方圖注》一文中,用幾何方法找到了形如x2-bx+c=0的方程的求根公式,用現(xiàn)今的符號表示為:

        我國最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》(公元一世紀(jì))中,對于解一元二次方程也有所提及.此后,約公元五世紀(jì)張丘建所著的《張丘建算經(jīng)》,八世紀(jì)的天文學(xué)家僧一行,十三世紀(jì)楊輝所著的《田畝比類乘除捷法》等,都對一元二次方程的解法繼續(xù)做著研究.雖然我國在一元二次方程求根公式的研究上取得了不小的成就,卻始終沒有給出一元二次方程的標(biāo)準(zhǔn)求根公式.

        在印度和中亞,阿耶波多、婆羅摩笈多、斯里特哈勒等古印度數(shù)學(xué)家,先后得到形如方程ax2+bx=c(a≠0)的求根公

        十二世紀(jì)數(shù)學(xué)家巴斯卡拉用配方法導(dǎo)出了此公式.但是,最終一元二次方程的標(biāo)準(zhǔn)求根公式是由阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)家花拉子米在其著作《代數(shù)學(xué)》中給出.花拉子米將所有的一元二次方程歸納為一類,即ax2+bx+c=0,由于已知方程ax2+bx=c的求根公式為,對方程ax2+bx+c=0的等號兩邊同除以a,仿上即得標(biāo)準(zhǔn)求根公式

        縱觀一元二次方程求根公式的歷史,我們不難發(fā)現(xiàn),數(shù)學(xué)家們都是以首項系數(shù)為1的一元二次方程作為起點,再逐漸開始研究系數(shù)不為1的情況.由于學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的認(rèn)知過程和歷史上該知識的發(fā)展過程存在一定的相似性,[4]即歷史相似性原理,以一元二次方程求根公式的這一發(fā)展過程作為學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識的線索,將會更加符合他們的認(rèn)知規(guī)律.

        三、將數(shù)學(xué)史融入數(shù)學(xué)教學(xué)的方法

        怎樣將數(shù)學(xué)史融入數(shù)學(xué)教學(xué),許多學(xué)者都提出了自己的看法.

        英國數(shù)學(xué)史家John Fauvel給出了10種數(shù)學(xué)史的具體用法.[5]而后,Tzanakis C和Arcavi A又將這10種方法歸納為3種.[6]2009年,Jankvist UT在其論文中又提出了另外的3種方式.[7]綜合上述幾位研究者的方法,華東師范大學(xué)的汪曉勤教授對其進(jìn)行了整合與改進(jìn),整理出了數(shù)學(xué)教學(xué)中運用數(shù)學(xué)史的方法,見表1.

        表1 數(shù)學(xué)教育中運用數(shù)學(xué)史的方法[4]

        本文就將靈活運用這4種方法做出教學(xué)設(shè)計.

        四、教學(xué)設(shè)計

        1.課程結(jié)構(gòu)

        課程結(jié)構(gòu)略圖如圖1所示.

        圖1

        2.問題引入

        在這之前,學(xué)生僅有配方法的相關(guān)知識,解此方程會非常吃力,此時教師可順勢提問:那么有沒有一個一元二次方程ax2+bx+c=0(a≠0)根的一般表達(dá)式,來幫助我們更加方便快捷地解決這類問題呢?從而引導(dǎo)學(xué)生去探索一元二次方程的求根公式.

        設(shè)計意圖:教材對于為什么要找到一元二次方程的求根公式一筆帶過,并且直接運用配方法得出求根公式顯得相當(dāng)突兀.本設(shè)計用一個相對復(fù)雜的一元二次方程引入,學(xué)生要使用上節(jié)課所學(xué)的配方法解題難度較大,從而達(dá)到讓其認(rèn)知失衡的目的,也能深刻地體會到求根公式的重要性.

        3.系數(shù)化1,公式初探

        設(shè)計意圖:弗賴登塔爾曾認(rèn)為,在數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)中,“從某種意義上說,兒童應(yīng)該重蹈歷史,盡管不是實際發(fā)生的歷史,而是倘若我們的祖先已經(jīng)知道我們今天有幸知道的東西,將會發(fā)生的歷史.”[8]因此,本設(shè)計采用重構(gòu)式,借鑒一元二次方程求根公式的歷史,即先探索a=1的情況,再研究一般情況,同時結(jié)合學(xué)生已有的配方法的知識重構(gòu)了兒童應(yīng)該重蹈的歷史——倘若我們的祖先已經(jīng)知道我們今天有幸知道的東西,將會發(fā)生的歷史.

        4.不化為1,探究妙法

        如果不把二次項系數(shù)化為1,還能用配方法處理嗎?偉大的印度數(shù)學(xué)家婆什迦羅也遇到過這樣的問題,他的想法是:我們可不可以在方程兩邊乘以什么數(shù)呢?

        學(xué)生在思考過程中教師巡視,選擇采用以下兩種方法的學(xué)生上臺展示.(如未有學(xué)生使用,則由教師展示)

        教師可在解法2后補(bǔ)充說明,該方法與12世紀(jì)印度著名數(shù)學(xué)家巴斯卡拉的思想不謀而合,其優(yōu)勢在于避免了計算過程中出現(xiàn)分?jǐn)?shù),降低計算難度,但也不容易想到.

        設(shè)計意圖:引導(dǎo)學(xué)生探索出更多的求根公式的推導(dǎo)方法,鍛煉和拓展了學(xué)生的思維.采用順應(yīng)式,根據(jù)婆什迦羅在其著作《麗羅娃蒂》中表達(dá)的解一元二次方程的思想:在一元二次方程兩邊乘以某數(shù),再在兩邊加上某數(shù),使得方程一邊為完全平方,另一邊為常數(shù),從而開方得方程的根,[9]編制問題串,引導(dǎo)學(xué)生思考新方法.

        5.幾何證法

        我國數(shù)學(xué)家趙爽在其《周髀算經(jīng)》注文的《勾股圓方圖注》一文中提到:“其倍弦(2c)為廣袤合(x1+x2),而令勾股見者自乘(x1x2=a2或x1x2=b2)為實,四實以減之((2c)2-4a2)開其余,所得為差.以差減合,半其余為廣”[.3]

        根據(jù)趙爽的描述,我們能畫出這樣兩個圖形,如圖2、圖3所示.

        圖2

        圖3

        設(shè)計意圖:根據(jù)歷史發(fā)生原理,即學(xué)生對數(shù)學(xué)概念的認(rèn)知過程與概念的歷史發(fā)展過程具有相似性,[4]在一元二次方程求根公式的歷史中,有不少數(shù)學(xué)家選擇了幾何法,雖然筆者認(rèn)為這與當(dāng)時還沒有負(fù)數(shù)與復(fù)數(shù)的概念不無聯(lián)系,但是也不可否定從歷史上看,幾何法是較為符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律的.于是筆者根據(jù)初中學(xué)生已有的基礎(chǔ),重構(gòu)了我國數(shù)學(xué)家趙爽的一個一元二次方程的幾何解法,但是筆者給出的這個例子有一定的難度,要讓所有學(xué)生掌握還談不上,只是重在欣賞與感受代數(shù)與幾何之間的聯(lián)系,同時訓(xùn)練學(xué)生的思維與理解能力.

        6.課堂練習(xí)

        利用求根公式解方程②.

        設(shè)計意圖:課堂練習(xí)題的作用,是為了讓學(xué)生體會學(xué)有所用.

        五、結(jié)束語

        在初中數(shù)學(xué)教學(xué)中,教師采用HPM視角下的教學(xué),其目標(biāo)不應(yīng)該只是教師的教,而更應(yīng)該是學(xué)生的學(xué),即讓學(xué)生深入理解某一知識后,能夠以該知識為核心,甚至借鑒該知識的習(xí)得過程來自主學(xué)習(xí)新的數(shù)學(xué)知識.筆者在參考課程標(biāo)準(zhǔn)后,利用相關(guān)數(shù)學(xué)史資料,完成此教學(xué)設(shè)計,力求通過這個過程,讓學(xué)生能深刻理解一元二次方程求根公式的推導(dǎo)方法,從而真正達(dá)到提高他們探索與學(xué)習(xí)能力的目標(biāo).

        1.汪曉勤.HPM的歷史淵源 [J].?dāng)?shù)學(xué)教育學(xué)報,2003(3).

        2.張紅.?dāng)?shù)學(xué)簡史[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

        3.李迪.二次方程求根公式的歷史[J].?dāng)?shù)學(xué)通報,1962(9).

        4.趙瑤瑤,張小明.關(guān)于歷史相似性理論的討論[J].?dāng)?shù)學(xué)教育學(xué)報,2008(4).

        5.汪曉勤.HPM與初中數(shù)學(xué)教師的專業(yè)發(fā)展——一個上海的案例[J].?dāng)?shù)學(xué)教育學(xué)報,2013(1).

        6.Tzanakis C,Arcavi A.Integrating History of Mathematics in the Classroom:An Analytic Aurvey [A].In: Fauvel J, van Maanen J.History in Mathematics Education [C].Dordrecht:Kluwer Academic Publishers,2000.

        7.Jankvist U T.A Categorization of the “Whys” and“Hows”of Using History in Mathematics Education [J].Educational Studies in Mathematics,2009(3).

        8.Freudenthal H.Major Problems of Mathematics Education[J].Educational Studies in Mathematics,1981(2).

        9.D.E.Smith.History of Mathematics(Vol.Ⅱ)[J].Boston:Ginn&Company,1923.

        10.汪曉勤,王苗,鄒佳晨.HPM視角下的數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計:以橢圓為例[J].?dāng)?shù)學(xué)教育學(xué)報,2011(5).

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