數(shù)學(xué)常規(guī)解法與模型解法之思*——以排列組合中的典型問(wèn)題為例

江蘇省如皋高等師范學(xué)校 紀(jì)宏偉

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數(shù)學(xué)常規(guī)解法與模型解法之思*——以排列組合中的典型問(wèn)題為例

江蘇省如皋高等師范學(xué)校 紀(jì)宏偉

該文以排列組合中的分球入箱、裝錯(cuò)信封、傳球問(wèn)題、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題為典型案例，對(duì)比探討了數(shù)學(xué)常規(guī)解法和模型解法的不同特點(diǎn)，得到結(jié)論：兩者沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣高低之分，在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)辯證對(duì)待模型解法與常規(guī)解法的關(guān)系，重視兩種解法形態(tài)在解題中的作用，只有適合學(xué)生的解法才是最優(yōu)化解法，只有適合學(xué)生的解題教學(xué)才是最優(yōu)化解題教學(xué)。

常規(guī)解法 模式解法 優(yōu)化教學(xué) 排列組合數(shù)學(xué)

隨著課程改革的進(jìn)展，數(shù)學(xué)解題教學(xué)中追求解法多樣化已成為一種普遍的解題教學(xué)取向，一題多解作為一種培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維的重要形式，已廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)教學(xué)。在一道題的多個(gè)解法中，往往包含著兩個(gè)解法形態(tài)，其中常規(guī)性解法采用的是具有普遍意義的技巧和具有代表性、典型性、一般性的方法，最能體現(xiàn)出思考過(guò)程的自然性；而所謂模型化解法，則是就題目所反映出的特征，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行延伸、拓展、推廣，從而總結(jié)提煉出一般化、擴(kuò)展化的解法，一般具有更廣的適用性。本文擬結(jié)合排列組合的四個(gè)典型問(wèn)題，談?wù)剬?duì)這兩種解法的認(rèn)識(shí)，分享數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

1 具體實(shí)例

1.1 “分球入箱”問(wèn)題

例1 把9個(gè)相同的小球放入編號(hào)分別為1，2，3的三個(gè)箱子中，要求每個(gè)箱子放球的個(gè)數(shù)不少于其編號(hào)數(shù)，則不同的分球方法有多少種？

解法1 由題意可知在編號(hào)為1的箱子中放球的個(gè)數(shù)應(yīng)該為1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)，4個(gè)，共4種情形（不少于編號(hào)1，且余下球至少要5個(gè)）。依次類推得樹形圖如下：

1+2+3=9 (1≥1,2≥2,3≥3) ①

解法1利用樹圖把思考過(guò)程一覽無(wú)遺地展示出來(lái)，利于發(fā)現(xiàn)、探索其中的變化規(guī)律，是一種簡(jiǎn)單而直觀的方法，應(yīng)視作常規(guī)解法。解法2和解法3采用的是隔板法，適用于“隔板模型”，對(duì)解決名額分配、相同元素的分配等問(wèn)題特別有效。

1.2 “裝錯(cuò)信封”問(wèn)題

例2 編號(hào)為1、2、3、4的信投入編號(hào)為1、2、3、4的信箱，每個(gè)信箱投一封，但信的號(hào)碼與信箱號(hào)不能相同，問(wèn)有多少不同的投法？

解法2 把各種方法一一列舉出來(lái)，如下表所示：

四封信各種投信的方法 1222333444 2134144133 3441412212 4313221321 投法編號(hào)法1法2法3法4法5法6法7法8法9

解法 3 參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]推導(dǎo)的一般公式：

1.3 “傳球”問(wèn)題

例3 三人傳球，由甲開(kāi)始發(fā)球，并作為第一次傳球，經(jīng)過(guò)5次傳球后，球仍回到甲手上，則不同的傳球方式共有多少種？

解法1 如圖2所示：

甲→□→□→□→□→甲

解法2 如圖

同理，甲傳給丙也可以推出5種情況，所以共有10種方法。

解法1和解法2一個(gè)用“□”，一個(gè)用線條來(lái)輔助思考，使看不見(jiàn)摸不著的動(dòng)態(tài)傳球問(wèn)題變得形象直觀，是常規(guī)解法，但是將問(wèn)題向一般情況推廣，這種處理方式顯然無(wú)能為力。解法3采用遞推法，由遞推關(guān)系得出問(wèn)題的解，這種解法適合該問(wèn)題的一般情況，顯然具有普適性，是模型化解法。

1.4 “質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)”問(wèn)題

解法1 此運(yùn)動(dòng)方法枚舉如下：

所以共有5種方法。

解法1采用的是枚舉法，將質(zhì)點(diǎn)的全部運(yùn)動(dòng)過(guò)程清晰直觀地展示出來(lái)，雖較為繁瑣，但其結(jié)果卻做到一目了然，應(yīng)該是常規(guī)解法。解法2采用的是方程解法，對(duì)解決類似問(wèn)題具有仿照和指導(dǎo)作用，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，可視之為模型化解法。

2 一些思考

2.1 一題多解是值得提倡的教學(xué)方式

做題是對(duì)知識(shí)點(diǎn)的檢驗(yàn)和應(yīng)用的過(guò)程，也是積累做題技能的過(guò)程，學(xué)好數(shù)學(xué)，必須做題，做大量的題，這是沒(méi)有異議的，正如華羅庚所說(shuō)“學(xué)數(shù)學(xué)不做題，猶如入寶山而空返”。但是現(xiàn)實(shí)情況是，有不少同學(xué)花費(fèi)了不少時(shí)間，做了很多的題，解題能力還是一般，成績(jī)還是難以提高。分析原因，主要是思維沒(méi)得到鍛煉，為了做題而做題，不能舉一反三，靈活應(yīng)變。實(shí)踐表明，學(xué)生做不出的題或者解答不完善的題，一般都是那些知識(shí)點(diǎn)多、環(huán)環(huán)相扣、考查跨度大、綜合性強(qiáng)的題。想要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要建立完整、系統(tǒng)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)和體系，當(dāng)知識(shí)點(diǎn)多的題目出現(xiàn)時(shí)，學(xué)生就可利用所構(gòu)建的知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行搜索，找到所需要用到的知識(shí)點(diǎn)，理清它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而找出解題思路[4]。一題多解正是幫助構(gòu)建學(xué)生知識(shí)網(wǎng)絡(luò)和知識(shí)系統(tǒng)，促使知識(shí)點(diǎn)之間融匯貫通的有效方式。此外，教師多開(kāi)展一題多解的教學(xué)活動(dòng)，有利于提高學(xué)生對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解，這是發(fā)展學(xué)生發(fā)散思維和邏輯思維能力的好方法[5]。

2.2 辯證對(duì)待模型解法與常規(guī)解法的關(guān)系

模型解法是對(duì)問(wèn)題擴(kuò)展之后形成的解法。這種解法把一類相同類型的題目的解法總結(jié)提煉，升華為理性的解題策略和具有更廣適應(yīng)性的套路，具有通法的特征。如例1，我們能看到它的巨大優(yōu)勢(shì)。學(xué)生用該法解題，可以引導(dǎo)自己舉一反三，迅速形成應(yīng)對(duì)該題型的做題技能，從而達(dá)到只做少量的題，就收到與大量做題相同甚至更好的效果。美國(guó)教師協(xié)會(huì)編寫的《課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)數(shù)學(xué)的定義是“數(shù)學(xué)是關(guān)于模式和秩序的科學(xué)”，所以他們強(qiáng)調(diào)把問(wèn)題模式化和秩序化，最終歸于機(jī)械(計(jì)算機(jī))化。模型解法可謂與這一定義主張一脈相承。但是也要看到，模型解法因?yàn)椤澳Ｊ交钡膬A向和特征，在實(shí)際中可能誘導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成只求“套用和模仿”的不好習(xí)慣，對(duì)于那些盲目做題的學(xué)生而言，更容易使他們解題時(shí)局限于某框框或固定在某模式之中，形成思維定勢(shì)或惰性，思維變得僵化、單一、刻板、封閉。此外，模型解法對(duì)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)要求較高，例如例2、3中，雖有一般公式可“套”用，但其推導(dǎo)的過(guò)程并非輕而易舉，需要用到其它的知識(shí)和演算技巧，倘若學(xué)生對(duì)此不清楚、不理解，試問(wèn)，他們還能深刻掌握并靈活應(yīng)用嗎？就像學(xué)習(xí)廣播體操，分解動(dòng)作都沒(méi)有學(xué)會(huì)，能把整套體操做下來(lái)嗎？何況，數(shù)學(xué)題型繁若星辰，模型解法也不能“通吃天下”，如一劑萬(wàn)靈仙丹。

毫無(wú)疑問(wèn)，常規(guī)解法是一種思考最自然、思維最樸實(shí)、最直接的解法。它能反映問(wèn)題的本質(zhì)，觸及數(shù)學(xué)思想方法，而且易于被學(xué)生理解消化、接受。實(shí)際上，大多學(xué)生解題時(shí)首先還是想到常規(guī)方法。即便是一題多解的“多”解，也無(wú)不是首先從常規(guī)解法開(kāi)始。所以在教學(xué)中，教師宜首先加強(qiáng)常規(guī)解法的訓(xùn)練。特別是在學(xué)習(xí)的起始階段，更該如此。我們很多學(xué)生學(xué)習(xí)很刻苦，幾乎在用一種螞蟻啃骨頭的精神在做題，可是若把常規(guī)解法這個(gè)“根”丟了，解題能力的提升、成績(jī)的提高將無(wú)從談起；而只有切實(shí)加強(qiáng)訓(xùn)練，讓常規(guī)解法內(nèi)化在自己心靈，模型解法才有更好的應(yīng)用價(jià)值和利用的空間，其優(yōu)越性才會(huì)最佳體現(xiàn)，才能在學(xué)習(xí)和考試中如虎添翼。

2.3 適合學(xué)生的解法才是最優(yōu)解法

無(wú)論是常規(guī)解法還是模型解法，都要貼近學(xué)生的實(shí)際，滿足學(xué)生的需要，讓學(xué)生感到適宜。比如例2，有的學(xué)生喜歡直接列舉，因?yàn)樵谒麄兛磥?lái)，用枚舉法做起來(lái)直觀、清楚，一目了然，而且具有發(fā)現(xiàn)、探索上的優(yōu)點(diǎn)[6]。雖然方法看似“笨”，但解決問(wèn)題非常輕松，容易下手，這才是硬道理。而有的同學(xué)喜歡建立模型直接用公式，這樣，這些以經(jīng)典問(wèn)題為背景、原本很難的題目，就沒(méi)有難度了。數(shù)學(xué)題目千變?nèi)f化，有些題用常規(guī)解法可能顯得不夠精致簡(jiǎn)潔，或者思路不夠直接流暢，學(xué)生解起來(lái)可能力不從心，所以這時(shí)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，常規(guī)解法并非最理想，而用模型解法則可以得心應(yīng)手，順利達(dá)到目的，自然是一種優(yōu)化解法；反之，有些題目用模型解法，或背景深?yuàn)W，或技巧奇妙，或過(guò)程花哨，顯得羅嗦、復(fù)雜，而常規(guī)解法反而簡(jiǎn)潔明快，事半功倍，當(dāng)然用常規(guī)解法更適合、更佳。就學(xué)生而論，由于生源不同，或由于能力傾向不同，認(rèn)知結(jié)構(gòu)不同、發(fā)展水平不同、興趣愛(ài)好不同、學(xué)習(xí)習(xí)慣不同，對(duì)常規(guī)解法還是模型解法，出現(xiàn)“蘿卜白菜，各有所愛(ài)”的情況是很正常的。例如，對(duì)于例3，調(diào)查發(fā)現(xiàn)大多數(shù)同學(xué)喜歡畫樹形圖，而對(duì)所謂的模型解法沒(méi)有興趣，例2也是。而例1，幾乎所有人采用的都是模型解法——隔板法，對(duì)于畫樹形圖則沒(méi)有考慮，這說(shuō)明針對(duì)該題型的模型解法，學(xué)生已經(jīng)了然于心。模型解法在一些學(xué)生眼里可能被視作高招，他們對(duì)此有更多偏愛(ài)，但在有些學(xué)生那里就可能“水土不服”，不感興趣。同樣對(duì)于常規(guī)解法，有些同學(xué)通常會(huì)優(yōu)先加以考慮。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，不同的學(xué)生對(duì)于不同的題型及相應(yīng)的解法，他們將表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性和態(tài)度情感傾向，他們會(huì)對(duì)比，體會(huì)，甄選，反思。因此只有適合他們的，才是最優(yōu)的解法；只有適合學(xué)生的解題教學(xué)才是最優(yōu)化解題教學(xué)。

[1] 周斌，孫珊瑚. 從一道高考模擬題談錯(cuò)位數(shù)的遞推計(jì)算[J]. 數(shù)學(xué)通報(bào)，2009，48（7）：59-60.

[2] 蔣文彬. 題不在多聯(lián)系則名，法不在全變化則靈[J]. 中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)，2007 (1)：38-41.

[3] 王業(yè)和. 一類排列組合問(wèn)題的方程解法[J]. 數(shù)學(xué)教學(xué)，2008(10)：32-33.

[4] 紀(jì)宏偉. 對(duì)一題多解教學(xué)的思考[J].中學(xué)數(shù)學(xué)月刊，2014(6)：32-34.

[5] 紀(jì)宏偉. 一題多解培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力——以排列組合應(yīng)用題為例[J]. 西藏教育，2014(3)：26-28.

[6] 紀(jì)宏偉. 探析排列組合中的枚舉法[J].高中數(shù)理化，2014(14)：11-12.

江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)資助項(xiàng)目。