类比思想在立体几何教学中的应用

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  摘 要:所謂类比指的是借助类似的事物的特征刻画突出本体事物特征,更浅显形象地加深本体事物理解。根据类比的思想方法,探讨利用平面几何与立体几何之间的拓展和演变关系,借助类比的方法和技巧进行相关问题的立体几何教学,是本文的基本出发点。通过这种数学思想的灌输,不断强化学生的类比思维能力,不断增长学生的探索精神和创新意识。
  关键词:类比、方法、应用、教学
  在中学数学课堂教学中如何贯彻素质教育,培养面向二十一世纪的新一代,这是当前基础教育中的一个重要课题。因此,在教学中要转变教育观念,改革人才培养模式,培养学生的能力是教学成败的关键。
  数学思想是指数学研究活动中解决问题的基本观点和根本想法, 它是对数学规律的理性认识。数学方法是指研究数学的手段和方式。数学思想方法是数学的本质的一种反映,是数学的精髓。只有运用数学思想方法,才能把数学的知识与技能转化为分析问题、解决问题的能力,才能形成数学的素质。因此,要在数学教学中特别重视数学思想方法的渗透及应用。
  类比思想是一种重要的数学思想。所谓类比,就是指由一类事物所具有的某种属性,可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的一种推理方法。类比法是一种从特殊到特殊的推理方法,其结论具有或然性,是否正确需要经过严格的证明或者实践检验。
  立体几何是一门思维非常活跃的学科,在立体几何的教学中,很多定理、公式的教学过程往往就是我们启发学生进行创造性思维的极好机会。而类比思想正是突破立体几何教学难点的有力工具,也是培养学生的探索精神和创造意识的一种重要手段。
  另外,从平面几何到立体几何,实质上是学生的认识由二维平面到三维空间的一个质的转变。平面几何的许多结论和方法都可以类比到立体几何中。例如:直线到平面;平行线到平行平面;直线交角到两平面所成二面角;圆到球等等。所以在立体几何教学中应该始终重视类比的思想方法。
  下面我们具体谈谈类比思想方法在立体几何教学中的应用。
  通过类比探索新知识,寻求解题思路,推广数学命题等是类比法在数学中常见的应用。从平面几何到立体几何是一个质的变化,但两者是相通的,我们可以在某些立体几何问题的研究中,借鉴某些与平面几何类似的问题,用类比的方法去处理,往往能获得理想的效果。例如:
  (A)棱台中上、下底面面积分别为S1,S2 ,一平行于底面的截面与上、下底面距离分别为m、n, 求该截面面积S0 ,解这个问题时,可联想到梯形中类似问题:
  如图,梯形ABCD中,上、下底AB=a, CD=b,与底边平行的直线截梯形两腰于E、F,EF与上、下底边间距离分别为m、n,求EF长。
  此题在原图添加辅助线后,由相似比可得:
  , 消去x
  后得:EF=C= ,
  (当m=n时, 为梯形中位线长)。因为面积比等于相似比的
  平方,由此,类比猜想得: ,用上述梯形中求EF的方
  法,很容易验证这个结论(当m=n时, 为棱台中截面面积公式)。
  (B) 球的体积的探求,联想到平面几何中,由三角形面积可通过类比猜想得到扇形面积,由扇形面积公式就可推出半圆面积乃至整圆的面积,如下图所示:
  (注:扇形面积公式的证明须等到学习了极限的知识以后才能解决。)
  由此类推,将圆锥类比作三角形,将球扇形类比作扇形,将半球类比作半圆。于是,可由圆锥体积类比猜想得到球扇形体积,由球扇形体积就可推出半球体积:
  上述类比猜想得到的半球体积的表达式还需经过严格证明。根据祖暅原理,联想到与半球等底等高的圆柱体,其体积:V圆柱=πR3 。与类比猜想得到的半球体积相差 πR3,此差值恰为一以R为底面半径,高为R的圆锥的体积,即有V圆柱-V圆锥=V半球。因为这三个几何体等底等高,由此想到只需在圆柱内挖去一与之等底等高的圆锥,就可得到与半球体积相等的几何体,为保证“等截面”,只须将圆柱内要挖去的圆锥“倒置”。到此,证明过程已顺理成章(如上图所示)。
  在立体几何教学中,让学生经常思考类似的问题,对学生的类比思维能力和探索精神的培养大有益处。当然,类比法毕竟是一种合情推理,缺乏充分的理论根据,因此,在具体应用中,它也有其局限性。常常会类比出错误的结论,如平面几何中有关直线的垂线的一些结论一般都不能类比到空间,这就需要在教学中加强学生思维的批判性品质的培养,养成良好的思维习惯。
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