基于问题驱动下的高三数学复习课设计

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  【摘 要】基础知识、基本技能、基本方法是数学核心素养的基础,而数学核心素养的发展必将突出数學思想,积累基本活动经验,塑造学生健全的人格。高三数学复习课要让学生既能温习功课、回归教材、体验真题,又能保持良好的心态,还能感悟世界观、人生观、价值观和荣辱观,以问题驱动推进教学。
  【关键词】问题驱动;核心素养;高三数学;回归教材
  【作者简介】王思俭,正高级教师,特级教师,江苏省苏州中学学术委员会主任。
  【基金项目】国家社会科学基金“十三五”规划2016年度立项课题“基于核心素养的书院制育人模式的实践研究”(BHA160149)
  一、提出问题
  新一轮课程改革和高考改革的核心是课堂教学不仅注重传授知识、培养能力、启迪思维,还要把社会主义核心价值体系融入国民教育体系中,引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观、荣辱观,即实现立德树人的宗旨。在高三复习阶段,教师不仅要引导学生回归课本,温习功课,还要帮助学生调整心态,领悟生命的意义。
  但在教学实践中,笔者发现很多教学不容乐观,学生仍在进行大量的猜题、押题等训练,这样既不能缓解学生的心理压力,也不能提高学生的学习成绩,反而增加了学生的焦虑和恐惧心理,降低了学生的体能,影响学生真实水平的发挥。鉴于此,笔者以苏州市名师共同体高中数学教师执教的一节“椭圆中三角形的面积的研究”现场观摩课为例,旨在倡导高三的复习应回归教材,在问题驱动下,引导学生从教材习题的训练中巩固知识,寻求分析问题和解决问题的策略,培养学生数学运算、逻辑推理和数据分析的核心素养,同时,渗透数学文化中生命的意义,实现立德树人的功能。
  二、基于问题驱动下的高三数学复习课设计
  (一)学情分析
  本节课的授课对象是江苏省苏州中学高三某班的学生,该班的数学学习成绩排在年级的第3~4名,学生的学习热情很高,解决问题的思路较多,思维也较为活跃,但容易忽视基础题,不重视教材。对于简单的问题,学生容易做错;对于比较复杂的问题,学生有思路,但怕麻烦,他们常常纠结于方法的选择;对于情境新颖的问题,学生基本能读懂题意,但不能形成连贯的解题路径。
  (二)设计理念及教学目标
  1设计理念
  哈尔莫斯说:“问题是数学的心脏。”[1]问题是数学思想的源泉,是数学思维的动力。在数学课堂教学中,没有问题就没有学生的思维活动,有了问题,学生的好奇心才能被激发,思维才能得到发展。数学就是在问题的不断提出与解决中发展的,数学的概念、公式、定理也都是因解决问题的需要而产生。
  爱因斯坦说:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”高三复习课也是如此,需要教师基于学情,利用问题驱动,激发学生深入思考。因此,教师要创设恰当的问题情境,合理地提出问题,开展数学研讨交流,驱动数学知识、思想方法有机融合,达到保温增分的目标。基于问题驱动下的教学设计路线如图1所示。
  2教学目标
  (1)对一道教材习题进行探究,总结一类问题的求解思路,巩固已有的知识基础,让学生了解高考数学试题的命制过程,深入理解教材,增强学习信心,提升数学抽象、数据分析等核心素养。
  (2)突出数学方法的选择意识,增强学生的数学活动经验,提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,强化数学研讨交流的意识,提升数学建模素养。
  (3)以代数、几何视角探究椭圆内三角形面积的主要过程,让学生体验其中的数学思想,提升对解析几何问题的认识和解题能力,提高数学运算和逻辑推理等核心素养。
  (三)教学过程
  上好高三数学复习课不容易,尤其是高三数学微专题复习课更是难上加难。教学目标如何定位、问题如何选取、解题策略如何巩固、数学思想如何渗透、解题能力如何提高、数学思维如何突破等,这些问题都需要教师潜心研究、静心思考。在课堂教学中,学生会有很多的问题生成,必定会超出教学的预设,教师如何驾驭课堂,使预设与生成都能有效地促进学生的数学思维,这是对广大教师教学能力的极大考验。
  1基础性问题的研究
  问题是课堂教学的载体,教师通过提出问题来引导学生,对数学活动进行调控,指导学生自我监控。问题也是学生学习的素材,是学生思维活动的原动力,为学生思考、探究、交流和有意义的建构指明了方向。而对基本问题的研究,有利于学生认识到理解数学概念、学习新方法的必要性,如利用三角形的稳定性与可变性,激发学生的求知欲,促进学生在圆锥曲线中研究三角形的面积问题。根据本节课的教学内容,笔者设计了以下基础性问题。
  师:平行四边形和三角形哪个具有稳定性?
  生(齐):三角形。
  师:对,所以同学们既要有三角形的稳定性,又要有三角形面积的最大值(即在一定条件下收效最大),以饱满的精神,昂扬的斗志,坚韧的毅力完成高三数学的学习与研究。
  (教师语毕,教室充满笑声和掌声。)
  【设计意图】用三角形的稳定性作为问题驱动,既能缓解学生的心理压力,又能提出本节课的核心问题——三角形面积最值。
  当在听到学生小声议论“在什么条件下能求出三角形面积的最大值呢?”时,笔者顺势引导学生思考下面的问题。
  问题1 已知双曲线x264-y236=1的焦点为F1、F2,点P在双曲线上,且∠F1PF2=90°,求△F1PF2的面积。
  该题是苏教版高中数学选修1-1第40页的第9题,同时也是选修2-1第42页第9题的改编题,题目只是把“PF1⊥PF2”这个条件改成了“∠F1PF2=90°”。
  【设计意图】教师引导学生探索教材中某一类基本问题的求解策略,旨在从不同的视角激发学生的探究兴趣。利用教材中的典型问题以及高考的高频问题作为问题驱动,不仅能增强学生的问题意识,还能提高学生提出问题的能力,从而引导学生重视教材、回归教材。   2可变性问题的研究
  著名数学家波利亚说:“我们经常需要通过试验对问题做各种修改,我们必须一再地变化它,重新叙述它,变换它,直到最后成功地找到某些有用的东西为止。”“如果不‘变化题目’,我们几乎不能有什么进展”,[2]这也是高考命题的思路。在课堂教学中,不仅要有好的问题,而且还要有好的结构,即具有可变性,形成问题的序列化,也就是一个问题的解决导致新问题的产生,由这些变式题组成问题串。鉴于此,笔者设计了以下可变性问题。
  师:如果将上述问题1的∠F1PF2=90°改成∠F1PF2=60°,那么问题如何解决呢?
  生1:很简单,只需使用余弦定理就可以计算得到面积是363。
  师:其他同学还有什么发现?
  生2:三角形的面积和∠F1PF2有一定的关联。
  师:我们一起来探究一下,不妨设∠F1PF2=θ。
  (推导过程省略)
  生3:S=b2cotθ2。
  生4:椭圆中也有类似的结论。
  生5:对,如果没有记错的话应该是S=b2tanθ2。
  (推导过程略)
  师:好,那今天我们就来研究椭圆中的三角形面积问题。
  (教师板书变式题,即问题2至问题4。)
  问题2 已知椭圆x225+y29=1的焦点为F1、F2,P是椭圆上的动点,则△F1PF2面积的最大值是    。
  该题巩固了上述学生探究得出的结论,同时将静态问题变为动态问题,培养学生直观想象、数据分析、数学建模的核心素养。
  问题3 已知椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)的焦点为F1、F2,点P在椭圆上,若△F1PF2面积的最大值是12a2,则椭圆的离心率为    。
  该题利用椭圆中的焦点三角形面积取得最大值的条件,进一步挖掘了椭圆中几何量之间的关系,这不仅巩固了椭圆中焦点三角形的面积公式,也训练了学生的直观想象能力。
  问题4 已知椭圆x225+y216=1的焦点为F1、F2,在橢圆上能否找到一点P,使得△F1PF2的面积为13?
  该题是已知三角形面积求点的坐标,不仅训练了学生的运算能力,而且培养了学生的逆向思维和批判性思维能力。教师只有充分了解学生的起点状态,准确把握学生的学习需求,在学生的最近发展区设计问题,才能真正实现问题驱动。因此,变式教学能使学生更好地理解教材、活用教材,创造性地解决情境新颖的综合性问题。
  3探究性问题的研究
  在探究性问题的研究过程中,教师通过发挥学生的主体作用,给学生提供展示自我思考或互评的平台,从而培养学生独立思考、主动参与、质疑思辨等学习习惯。因此,笔者根据上述椭圆中三角形面积的基本问题设计如下探究性问题。
  问题5 如图2,已知椭圆E:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的离心率为32,A(-a,0),B(0,-b),原点到直线AB的距离为255。
  (1)求椭圆E的方程。
  (2)若点P是椭圆上第一象限的点,直线PA,PB分别交y轴,x轴于D,C点,求四边形ABCD的面积。
  师:请同学们思考一下这些问题:如何求椭圆方程?四边形ABCD有什么特征?四边形ABCD的面积如何表示,是否随着点P的变化而变化。
  生1:利用椭圆与直角三角形斜边上的高的几何性质求出椭圆方程为x24+y2=1,设点P的坐标,再求出点C、D的坐标,将四边形分割成两个直角三角形,求出其面积为2,即四边形ABCD的面积为ab。
  生2:由于四边形面积与动点P无关,但△PAB的面积是变化的,因此问题可以改为求△PCD面积的最大值。只要作AB的平行线与椭圆相切,利用判别式为0即可。
  生3:利用导数写出切线方程,继而求出切点P 2,22,即可求出最大值为2-1。
  生4:这其实就是偏导函数思想。
  师:很好。同学们不仅解决了问题,而且衍生出新的问题、新的方法。
  【设计意图】在课堂上,很多综合性问题的解题方法是教师设计好的,学生往往都是听和记,较少主动参与探索问题。问题驱动的教学模式是改善这种关系的有效途径,其调动了学生的积极性,培养和发展了学生的独立思考和创造能力。如由四边形的面积为定值引发学生对一般情况的思考,继而提出新的问题,即求△PCD面积的最大值及解决问题的途径。因此,问题驱动是通过解决一系列的小问题逐步达成,并按照“发现问题—解决问题—发现新问题—再解决问题”来推进教学的。
  问题6 如图3,已知椭圆E:x22+y2=1上点P(x0,y0),过点P的直线l与椭圆E有且只有一个公共点,l与x轴交于点M,与y轴交于点N。
  (1)求证:l的方程为x0x2+y0y=1。
  (2)若点P在第一象限时,求△MON面积的最小值,以及此时点P的坐标。
  (3)若直线l与圆O:x2+y2=2交于两点A、B,求△AOB面积的最大值。
  【设计意图】在课堂上,教师不能只是把问题的答案直接告诉学生,而是要想着怎样设问,学会倾听学生的想法和思维过程。问题驱动下的教学不仅给师生提供了交流的平台,将师生活动整合到提出问题、解决问题的过程中,学生在解决问题的过程中,体验到成功的喜悦,提高了学习兴趣。
  在提出问题6后,教师出示以下变式题,即问题7,引导学生分析解题思路。
  问题7(变式题) 如图4,已知椭圆E:x22+y2=1上点P,过点P的直线l与椭圆E有且只有一个公共点,且与圆O:x2+y2=2交于A、C两点,过点P与l垂直的直线M与圆O交于B、D两点。   (1)若P1,22,求四边形ABCD的面积。
  (2)求四边形ABCD面积S的最大值。
  【设计意图】当面对情境新颖的问题时,学生往往容易束手无策,这就需要教师教会学生如何思考,让学生学会不断转化问题,将陌生问题转化为熟悉的问题,然后再转化为已经能解决的或者比较容易解决的问题。数学化的过程就是灵活运用数学思想方法的过程,教师在教学过程中应突出思想与方法,让学生学会反思、体会与感悟。
  三、教学反思
  学生数学素养水平的达成不是一蹴而就的,它具有阶段性、连续性和整合性等特点。因此,在高三复习的教学中,教师应根据学生提出的问题组织内容,设定数学素养达成目标和层次,使学生的核心素养落到实处。
  (一)回归教材,温故基础知识
  数学教育家弗赖登塔尔认为,数学学习的唯一正确方法是让学生进行“再创造”,也就是说,由学生本人把学习的东西实现或创造出来,教师的任务是为学生的发展创造条件、引导探索[3]。因此,在复习教学中,教师注重利用已有的知识同化和顺应新知识,让学生经历知识的发生和生成过程,使学生的学习潜能得以提升。教师要从教材中精心选题,创设适合学生的宽松的交流氛围,让学生经历问题辨析、相互交流,自主提出求解的策略,自觉回顾所涉及的知识与方法,领悟数学的本源。例如在本节课伊始,教师以教材中的原题带领学生回顾数学知识的本源,渗透数学核心素养。再如由基本问题引导学生通过简单问题的解决,抽象出一般問题。在得到了两组三角形面积的数值之后,发现三角形面积大小可能和虚轴长有关;当变换角度时,三角形的面积又有一定的变化,说明其和顶角也有关,因此,对双曲线甚至是椭圆中焦点三角形的面积进行观察、分析和论证后,分别得到S=b2cotθ2和S=b2tanθ2两个结论,体现了数据分析的核心素养。
  (二)回归基本,温故思想方法
  《普通高中数学课程标准(2017 年版) 》着重强调要提高学生从数学角度发现问题和提出问题的能力,以及分析问题和解决问题的能力。通过问题的解决,揭示其内在的联系与规律,从中提炼出基本的数学思想方法,关注知识之间的内在联系,引导学生利用这些思想方法发现新的问题。如在解析几何的复习教学中,教师要引导学生重视函数与方程思想及解析法等的运用,将几何问题代数化,代数问题几何化,体现直观想象的核心素养。因此,在高三数学复习课中,教师要精选典型例题,引发师生、生生之间相互交流和讨论,让其经历变式、拓展的过程,发现问题的本质,自主地提出新问题、解决新问题,提升学生的数学核心素养、创造能力和科学严谨的思维品质[4]。
  (三)回归真题,温故命题意图
  数学高考题注重回归数学本源,特别是最后冲刺阶段,学生不要做偏、难、怪的题目,也不要做所谓的“新题”,应研究高考真题的命题意图,研究试题考查的基础知识、基本技能、基本思想方法和基本解题经验,突出数学本质,立足通性通法,规避巧法。北京大学周民强教授曾说:“技重于练,巧重于悟。”[4]教师要加强学生的习题演练,让学生形成基本技能,提升关键能力,领会命题意图,规范答题。如在解题中,不少学生直接利用类比方法写出在椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)上点P(x0,y0)处的切线方程为x0xa2+y0yb2=1,教师应及时向学生指出,这在高考阅卷中是会被扣分的,即使是圆的问题也不能直接使用。
  参考文献:
  [1]涂荣豹.数学教学设计原理的构建:教学生学会思考[M].北京:科学出版社,2018.
  [2]王思俭.怎样学会数学思考[M].南京:江苏凤凰教育出版社,2019.
  [3]涂荣豹,宁连华,徐伯华.中学数学教学案例研究[M].北京:北京师范大学出版社,2011.
  [4]任子朝.从能力立意到素养导向[J].中学数学教学参考(上旬),2018(5):1.
  (责任编辑:陆顺演)
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