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审题、建模与反思

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美国数学教育学家G·波利亚指出,掌握数学就意味着解题. 但数学问题千变万化,无穷无尽. “题海”茫茫,要使学生身临题海而得心应手,身居考室而处之泰然,就必须提高他们的解题能力.

一、认真审题,捕捉题征信息,优化解题思路

一个题无论是题设、结论,还是整体结构、数字特征、直观图像,都会给我们提供大量的信息,通过分析、联想、想象等一系列思维活动,就可巧妙实现题设与结论之间的逻辑沟通,从而可优化解体思路.

例1 已知实数a,b,c满足等式a = 6 - b,c2 = ab - 9,求证:a = b.

分析 仔细观察题设与结论部分,从中可捕捉到不同的求解信息,以开拓解题思路.

信息1 由题设可知a + b = 6,ab = c2 + 9.

思路1 构造以a,b为根的一元二次方程x2 - 6x + c2 + 9 = 0,由a,b均为实数, 知Δ = (-6)2 - 4(c2 + 9) = -4c2 ≥ 0,从而得c = 0,Δ = 0,所以a = b.

信息2 由题设可知a + b = 6.

思路2 令a = 3 + m,b = 3 - m,则(3 + m)(3 - m) = c2 + 9,即m2 + c2 = 0,因此m = c = 0,所以a = b = 3.

信息3 从结论可知a = b,用辩证观点思考a ≠ b.

思路3 假设a ≠ b,则a ≠ 3,b ≠ 3. 而c2 = ab - 9 = a(6 - a) - 9 = -(a - 3)2 < 0,此与c2 ≥ 0矛盾,所以a = b.

二、据题中信息、有关定义、公理和数学知识建立数学模型

数学在实际生活中的应用也可以说是一个数学建模的过程. 对一个实际问题,我们要将题中信息经过抽象、简化,并依据某种规律建立变量和参数的一个明确的数学关系.

例2 不等式或不等式组模型. 如:某工厂现有甲种原料360千克,乙种原料290千克,计划利用这两种原料生产A,B两种产品共50件. 已知生产一件A需要甲原料9千克,乙原料3千克,可获利润700元;生产一件B需要甲原料4千克,乙原料10千克,可获利润1200元. 现按要求安排A,B两种产品的生产件数,有几种方案?

模型分析:本问题是一个从利润角度安排生产计划的问题,问题涉及的量较多. 首先要明确变量和参数,设生产A种产品x件,则生产B种产品(50 - x)件,由于产品生产受到原料的限制,因此可建立不等式组的数学模型.

三、勤于进行解题反思

解题反思最直接的功能是简化解法,优化认知结构,形成解题策略. 它是掌握解题规律、积累成功经验和失败教训的过程.

例3 如图1,在正方形ABCD和CGEF中,点M是线段AE的中点,连接MD,MF,试探究线段MD与MF的关系.

分析 可直观地猜测线段MD与MF可能相等且垂直. 我们采用分析法进行证明. 结合基本几何图形,连接DF,如图2,证明MDF是等腰直角三角形. 取DF的中点K,只要证MK = ■且MKDF即可. 如图3,延长DM至N,使MN = DM. 连接FN,EN,即要证FDFN,因此,只要证FDC≌FNE.

1. 反思思维过程,优化解题过程

以上分析先是利用几何直观猜想得出了结论,然后通过分析与综合的方法来证明猜想. 其思路是这样的,直观猜想MD = MF,MDMF——需证MDF是等腰直角三角形——取中点K,需证MK = ■且MKDF——需证FD = FN,FDFN——需证FDC≌FNE——需证∠DCF = ∠NEF,且步步可逆. 从这里可知,既然FD = FN,FDFN,即DFN是等腰直角三角形,就可直接得出MD = MF,MDMF,因此取中点K及证明MDF是等腰直角三角形就成了多余的思维回路,删除它便可得简洁证法.

2. 反思题意,探求结论及证明方法

上面论证过程中构造了许多辅助线,那么这些都是怎么来的?我们只要分析图1便可知上述结论并不依赖正方形CGEF的位置,因此我们可以把正方形CGEF绕C点旋转使CD和CF在一条直线上,或使B,C,E三点共线,如图4,都不难发现上述结论与证明方法,而且,这种思路是遵循从特殊到一般的思维过程,比起演绎系统的分析与综合,这种方法知识要求较低,因而难度较小. 而特殊化的方法正是我们处理规律性问题常用的思维方式.

3. 反思解题过程,产生另类证法

反思证明二的过程我们知道,MD与MF的关系仅依赖中点M,在这里,MD,MF的地位是平等的,既然延长DM至N可论证,那么延长FM也同样可证,如图5.

4. 反思解题活动,扩大解题成果

由证明二和证明三的过程我们可以看出,MD与MF的关系只依赖于点M是线段AE的中点,AD = CD,ADCD及FC = 因此,解题反思是解题过程中很重要的一个环节,是解题后的“反思总结”,是解题活动中的“元认知”. 通过它不但可以发现解题活动中的问题,更重要的是弄清了数学问题的深层结构.