凸显数学思维价值,培养数学思维能力
——《二项式定理》教学思考与建议
张松年
(南京市金陵中学 江苏南京 210005)
摘要:数学是一门严谨的科学.数学思维是严密的、有 序的.数学教学应重视数学思维教育,
高中数学课堂教学过程中,应给学生留足思维的空间,提供发展数学思维的机会,培养学生
的数学思维能力.
关键词:数学思维价值、数学思维能力、数学思维教育、二项式定理、合情推理、演绎推理.
引言 普通高中数学课程标准指出:“数学在形成人类理性思维和促进个人智力发展的
过程中发挥着独特的、不可替代的作用.数学是人类文化的重要组成部分,数学素质是公民
所必须具备的一种基本素质.”“高中数学课程对于认识数学与自然界、数学与人类社会的
关系,认识数学的科学价值、文化价值,提高提出问题、分析和解决问题的能力,形成理性
思维,发展智力和创新意识具有基础性的作用.”这表明:数学价值包括思维价值、应用价
值、文化价值等多个方面,而思维价值又是数学的核心价值,是数学学科独有的价值;数学
教学要培养学生多种能力,而最终都可以归结为数学能力,或者说,数学思维能力是数学能
力的核心,这是数学教学的核心.
就中学数学教学而言,如何在课堂教学中凸显数学思维价值,培养数学思维能力,应是
每一个中学数学教师必须思考的问题.本文以《二项式定理教学》教学为例,对这个内容的
学习进行分析,并结合具体的教学案例提出教学建议.
一、凸显数学思维价值
1.数学思维价值
数学思维的价值是给每一个普通人以数学的意识,能够发现周围世界存在的客观规
律.当他面对生活和工作中的事情时,能从数学的角度进行思考,制订切实可行的计划,提
出合理的建议.面对于现实中的许多事情,有的人总是能善于概括和总结,事半功倍地处理,
就是得益于长期数学思维的结果.
数学教育的目的之一是通过对概念的抽象性、推理的严密性和理论的的应用性来培养人
的理性精神、思维品格、思辨能力,启迪人的智慧,开发潜在的创造力.数学是思维的体操,
到了高中,很多数学问题都可以根据某些假设,用逻辑的推理得到结论;能从一些特殊的事
例中,发现一般的规律,找到一些内在的关系,并可以对总结出的结论,按照一定的程序,
丝丝入扣地给以证明,甚至列出等式,对未知的对象进行求解.这一切,都是反映数学思维
的价值.学习数学,就是要学会逻辑地观察、分析、思考问题,使人有条理地按照事物发展
的逻辑顺序处理问题,有条不紊地安排工作和生活.
数学的思维价值主要体现在下列几个方面:
(1)从知识和工具的角度来看,数学是认识自然的基础,是科学研究的工具和交流载体;
(2)从思想和方法的角度来看,数学促进了近代科学的高速发展.逻辑证明和公理化体
系已经成为任何一门学科数化自身体系的普遍思想,甚至影响到人文、社会科学领域.
(3)从精神层面上来看,数学是人类从事实践活动的行为意识、思维活动和心理状态,
是一种理性的探索精神,是一种对完美愿望的追求.
恩格斯说:数学是研究现实世界中的数量关系和空间形式的科学.数学研究的基本对象
就是“数”和“形”,数学研究的基本内容是数量的和空间的关系和形式.数学的思维把实
际问题转化为数学问题;数学的知识和方法,有助于迅速、准确地解决;用数学的眼光看世
界、处理问题,就是从思维的层面理解、领悟数学的内容、意义和方法,在实践中自觉用数
学的思维和方法思考问题、分析解决问题.数学作为推理工具的作用是巨大的.特别是对由
于技术条件限制暂时难以观测的感性经验以外的客观世界,推理更有其独到的功效.
一方面,高中数学应努力揭示数学概念、法则、结论的发展过程和本质,注意对数学本
质的形式化刻画.形式化是数学的基本特征之一,适度的形式化更有利于认识数学的本质,
因此,在数学教学中,学习形式化的表达是一项基本要求。
另一方面,数学教学要讲逻辑推理,更要讲道理,通过典型例子的分析和学生自主探索
活动,使学生理解数学概念、结论逐步形成的过程,体会蕴涵在其中的思想方法,追寻数学
发展的历史足迹,把数学的学术形态转化为学生易于接受的教育形态。
2.教材中二项式定理的内容分析与数学思维的价值
《二项式定理》是苏教版选修 2-3 第一章“计数原理”第 5 节的第 1 课,是初中数学
中多项式乘法的继续,是高中数学中两个基本计数原理的应用.教材在完全平方公式(a+
b)
2
=a
2
+2ab+ b
2
的基础上,通 过对等式“ (a+ b)
3
=a
3
+3a
2
b+ 3ab
2
+b
3
”,“(a+ b)
4
=a
4
+4a
3
b+6a
2
b
2
+4ab
3
+b
4
”的观察,提出核心问题“你能写出(a+ b)
n
(n∈ N*)的展
开式吗?”给学生提供思维的空间.
(1)(a+ b)
n
(n∈ N*)能展开吗?怎么 展 开?
(2)(a+ b)
n
(n∈ N*)的展开式有多少项?你是怎么发现的?
(3)(a+ b)
n
(n∈ N*)的展开式中各项的次数有什么特点?你是怎么发现的?
(4)(a+ b)
n
(n∈ N*)的展开式中各项的系数有什么特点?你是怎么发现的?
(5)对于上面的几个问题,你遇到困难了吗?对于(a+ b)
n
(n∈ N*)的展开式,还可以怎
么理解?
现代数学的发展表明,数学教学要倡导自主探索、动手实践、合作交流、阅读自学等学
习数学的方式,这些方式有助于发挥学生学习的主动性,使学生的学习过程成为在教师引导
下的“再创造”过程.
二、培养数学思维能力
1.数学思维能力
课程标准指出“高中数学课程应注意提高学生的数学思维能力,这是数学教育的基本目
标之一。人们在学习数学和运用数学解决问题时,不断地经历直观感知、观察发现、归纳类
比、空间想像、抽象概括、符号表示、运算求解、数据处理、演绎证明、反思与建构等思维
过程。这些过程是数学思维能力的具体体现,有助于学生对客观事物中蕴涵的数学模式进行
思考和做出判断。数学思维能力在形成理性思维中发挥着独特的作用。”数学来自于实践,
从林林总总的现象中抽象出本质,并对抽象出的结论进行逻辑论证.抽象是人类创造性思维
的最基本特征,而数学每前进一步,都离不开严密的逻辑推理.推理的严密性在数学的发展
过程中不可或缺.推理一般包括合情推理和演绎推理.合情推理是根据已有的事实和正确的
结论、实验和实践的结果及个人的经验和直觉等推测某些结论的推理过程.演绎推理是根据
已有的事实和正确的结论,按照严格的逻辑法则得到新结论的推理过程.
2.教材中《二项式定理》可以实现的思维能力培养的内容分析
说实在的,学生对(a+b)
n
(n∈ N*)的 展开 式 中会出现多少项,每一项的次数等是比较
容易发现的,但对于每一项的系数是什么就不易发 现 了 .
教材从(a+ b)
2
,(a+ b)
3
的展开式中每一项 是 如何得到的入手,对难点进行突破,
指出:由于(a+b)
2
=(a+b)(a+ b),所以 (a+ b)
2
的展开式中的每一项都是从两个括号中
各取一个字母的乘积;由于(a+ b)
3
=(a+ b)(a+ b)(a+ b),所以(a+b)
3
的展开式中的每
一项都是从三个括号中各取一个字母的乘积.当然,这样得到的项有同类项.通过合并同类
项,就得到了相应的展开式.在此基础上,通过类比,得到:一般地,对任意的 n∈N*,
由于(a+ b)
n
=(a+ b)(a+ b)… (a+ b), 所以(a+b)
n
的展开式中的每一项都是从 n 个括
号中各取一个字母的乘积,如果取了 r(r=0,1,2,…n)个 b,即 从 n 个括号 中 选取 了
r 个括号,每个 括号中取 b,那么必定从余下的 n-r 个 括 号 中 都 取 a,这样形成的项 就
为 a
n
-
r
b
r
.由于这样的取法共有 C
r
n
种,所以 a
n
-
r
b
r
共有 C
r
n
个,表明(a+b)
n
的展开式中,
a
n
-
r
b
r
的系 数 为 C
r
n
,从而得到了二项式定理:(a+b)
n
=C
0
n
a
n
+C
1
n
a
n
-
1
b+…+C
r
n
a
n
-
r
b
r
+…
+C
n
n
b
n
,其中 n∈N
*
.右边的多项式叫做(a+b)
n
的二项展开式,式中的 C
r
n
a
n
-
r
b
r
叫做二项
展开式的通项,用 T
r
+
1
表示,即展开式的第 r+1 项:T
r+1
=C
r
n
a
n
-
r
b
r
,其中的系数 C
r
n
(r=0,
1,2,…,n)叫做二项式系数.
教材中对二项展开式的探求过程,从特殊到一般,将合情推理(归纳与类比)和演绎推理
有机地结合起来,既让学生感受了数学研究与发现的过程,又培养了学生严谨的学习态度和
锲而不舍的数学理性精神,激发了他们学习数学的动力.
归纳、类比是合情推理常用的思维方法,其中归纳推理是通过个体认识整体,类比推理
是通过对一个个体的认识去猜想另一个个体的特征.在解决问题的过程中,合情推理具有猜
测和发现结论、探索和提供思路的作用,有利于创新意识的培养.合情推理和演绎推理之间
联系紧密、相辅相成,对培养人的发散性思维和创造性思维具有重要的作用,人类的发明创
造始于感性的发散性思维,止于理性的收敛性思维.归纳与类比是人类探索世界、发现新事
物的重要手段,许多重要的猜想都是通过归纳与类比而提出的.因此,培养和提高学生的演
绎推理或逻辑证明的能力是高中数学课程的重要目标.
三、课堂教学思考与建议
辩证法认为,一般性寓于特殊性之中.特殊与一般反映了世界万物普遍联系的客观规律,
同时也是人们的思维规律,是人们认识世界的重要的思维形式.在数学教学中,运用这一思
维形式对培养学生的数学思维能力有着十分重要的意义.数学思维能力的培养要做到归纳和
演绎的统一.柏拉图说“数学更高的价值在于培养纯粹的思维能力,启发人们向往理念的端
倪,便于将灵魂从变化世界转向真理的实在.”
1.二项式定理的教学思考
在实际教学过程中,学生很难把本文在“二项式定理的内容分析与数学思维的价值”中
提出的几个问题联系起来回答,对于问题(1)的回答必 定 是“ 能 ,用 多项 式的乘 法 展开 ”,
这种回答是基于他们对“ 幂 ” 的意义的理解,而对于问题(2)的回答必定是“ n+ 1
项,通 过 观察 、 归 纳得 到 ”, 对于问 题 (3)的回答必 定 是 “ 都是 n 次,通过 观 察 、 归
纳得到”,但对 于 问题 (4)的回答急救不会那么直接了,学生的初衷会找出这些系数与指数
的关系,是很难一下子说清楚的.也许有的学生会从 n=2,3,4 时的展开式是按照 a 的降
幂方式(或 b 的升幂方式)呈现的前提下,发现(a+ b)
3
=(a+ b)
2
(a+ b)=(a
2
+2ab+b
2
)(a
+b)= a
3
+3a
2
b+ 3ab
2
+b
3
,其中的 项 a
2
b 可 由第 一 个 括 号中 的 2ab 与第二 个 括 号
中的 a 相乘得到得,也可以 由 第 一个 括号中的 a
2
与第 二 个 括号 中 的 b 相乘 得到得,
从而 a
2
b 的系 数 为 2+ 1= 3,…;(a+b)
4
=(a+b)
3
(a+ b)= (a
3
+3a
2
b+ 3ab
2
+)(a+
b)= a
4
+4a
3
b+6a
2
b
2
+4ab
3
+b
4
,其中的项 a
3
b 可由 第 一 个括 号 中 的 3a
2
b 与第 二 个
括号 中 的 a 相乘得 到 得, 也 可 以 由第 一 个括号中的 a
3
与第 二个 括 号 中的 b 相 乘得
到得 ,从而 a
2
b 的系 数为 3+ 1=4,… ,这样 下 去 ,会 得到后面将 要学 习 的 “杨辉
三角” ,学生 会 感 觉 到 有 这 一 种 规 律 的 存 在 ,但 无 法 用 具 体 的 数 学 语 言 或 符 号 表
达出 来 .问题(5)就是 让学 生 换 个 角度 思 考 问题 .往 往孤 立 地对每 个终端 对 象 (在这
里是 展 开 式 )的 观 察 往往 是 表 面的 、肤 浅的 ,而对 对 象产生的 过程 (在 这里 是 每 一 项
的形成)进 行 观 察 、 分 析, 看 到 的 是 本质. 只 有找到项的形成方 式 : 由于 (a+b)
n
=
(a+ b)(a+b)… (a+ b),所 以 (a+ b)
n
的展开式中的每一项都是从 n 个(a+b)中各取一个
字母的乘积,才能发现(a+ b)
n
的展开式中共有 2
n
项,每一项的次数都是 n,其中有些项是
同类项,a
n
-
r
b
r
(r= 0, 1, 2, … n)可以 看作 是 从 n 个 (a+b)中选 取 了 r 个(a+ b),每
个(a+ b)中取 b,从余下的 n-r 个 (a+b)中都取 a,经 过乘积而 得 ,这 样 的 取 法共 有
C
r
n
种,所以 a
n
-
r
b
r
的系 数就 是 C
r
n
.
如果 按 照 b 的升幂这一规则 排 列 ,那 么 (a+ b)
n
的展开式的表达方式就是唯一的、
确定的,就不可能产生歧义或其他理解,就成了定理,从而 C
r
n
就反 映 二项 式 (a+ b)
n
的展
开规律,才称 为 “ 二项式 系 数 ”.
二项式定理的本质是一个数可以有两种不同形式的表达:幂的形式和多项式
的形 式 ,简单地 说, 就 是 “ 算 两次 ”. 尽管表达形式不 同, 但 数 值始 终 相 等. 根据
二项 式 定 理,不但可 以求出 (a+ b)
n
的展开 式,而且可 以 直接 写 出 某个 特 定 的项.爱
因斯坦就曾经说过“政治是暂时的,而方程式是永恒的”.
2.数学思维教学的价值
李兴旺老师的《二项式定理》的教学,较好地体现了教学目标的要求,将发展学生的数
学思维提到了一个相当的高度,教学过程中为学生设置了许多合理的、有助于学生思维发展
的台阶,教学效果也是明显的,从学生的反应来看,学生对二项式定理本质的认识已基本到
位,对二项式定理的特征也基本掌握,并能用来解决一些一些简单的问题,为进一步的学习
打下了基础.但也要注意,台阶设置得过多、过细,往往会影响学生思维水平的提高和思维
能力的发展.教学中应多给学生留一点思维的空间,给学生多一点尝试的机会,让他们跳一
跳能够达到一个更高的层次.总而言之,教学过程中,应重视数学思维的教育.
数学思维的教育意义,不是为了培养数学家,而是在于培养人的数学观念和理性精神,
为每一个未来公民的发展打基础;在于数学学习可以培养人积极地寻找、概括一定范围内的
事物的共同特征或一定阶段内事物变化规律的意识;在于培养人的本质地看问题的意识,从
一定的角度把事物的相关的质提取出来;在于培养人的良好思维习惯,形成良好的思维策略,
增强人的反应能力.
数学思维教育就是要为学生创造最能激发思维的情境,促使学生开展循序渐进、不断深
入地高效率、大容量的思考,促进学生数学地对待问题,使理性思维得到健康发展.
在数学课堂上,如何拓展学生的数学观念,如何有效地促成学生的数学思维,培养学生
思维的深刻性、广阔性、独创性,训练学生的抽象思维能力和形象思维能力是十分重要的.所
以在设计课堂时,如何有效利用教材等相关教学资源,扩展数学思维的价值,需要教师作出
思考和选择.
参考文献:
[1]普通高中数学课程标准[S].人民教育出版社,2003.
[2]单尊.普通高中数学课程标准实验教科书·选修 2-3[M].江苏教育出版社,2012.
2015.06 发表在《江苏教育》