高中數(shù)學(xué)選擇性必修課程函數(shù)主線分析

柳雙 吳立寶

函數(shù)是現(xiàn)代數(shù)學(xué)最基本的概念之一，是描述客觀世界中變量關(guān)系和規(guī)律的利器，更是數(shù)形結(jié)合思想的重要載體，在解決實(shí)際問題中發(fā)揮關(guān)鍵作用.《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（下文簡稱“課標(biāo)”）在明確課程基本理念中強(qiáng)調(diào)突出數(shù)學(xué)主線，凸顯數(shù)學(xué)的內(nèi)在邏輯和思想方法.［1］高中數(shù)學(xué)課程分為必修課程、選擇性必修課程和選修課程，課程內(nèi)容突出函數(shù)、幾何與代數(shù)、概率與統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)探究活動(dòng)四條主線.函數(shù)主線主要分布在必修與選擇性必修課程中，包括必修課程的預(yù)備知識、函數(shù)的概念與性質(zhì)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、函數(shù)的應(yīng)用，選擇性必修課程的數(shù)列、一元函數(shù)導(dǎo)數(shù)及其應(yīng)用.但選擇性必修課程函數(shù)主線內(nèi)容與必修課程函數(shù)主線內(nèi)容在教材編排上處于分割狀，數(shù)列、導(dǎo)數(shù)兩個(gè)單元在教學(xué)過程中易與函數(shù)主線脫節(jié)，教師不重視其中的連貫性，學(xué)生難以將數(shù)列、導(dǎo)數(shù)與必修課程所學(xué)函數(shù)內(nèi)容聯(lián)系起來.基于此，本文深入挖掘函數(shù)主線，進(jìn)一步聯(lián)結(jié)必修與選擇性必須課程內(nèi)容，明晰選擇性必修課程內(nèi)容與整個(gè)函數(shù)主線的聯(lián)系，同時(shí)以數(shù)列單元為例進(jìn)行函數(shù)主線分析，充實(shí)選擇性必修課程函數(shù)部分的案例分析研究.

一、函數(shù)主線結(jié)構(gòu)

站在高中數(shù)學(xué)課程整體角度上來明晰函數(shù)主線結(jié)構(gòu)，認(rèn)識數(shù)學(xué)知識邏輯發(fā)展，挖掘其中滲透的數(shù)學(xué)思想方法，理解數(shù)學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)編排意圖，發(fā)展數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，這是教師整體規(guī)劃函數(shù)教學(xué)不可或缺的一步.參照中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容主線分析的結(jié)構(gòu)，函數(shù)主線分為知識線、活動(dòng)線、思想方法線、素養(yǎng)線.［2］知識線是教學(xué)的根源，活動(dòng)線依附于知識線，將靜態(tài)的數(shù)學(xué)知識轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)活動(dòng)，思想方法線與素養(yǎng)線是數(shù)學(xué)教學(xué)的內(nèi)隱本質(zhì)，跟隨知識與活動(dòng)連續(xù)進(jìn)階，最終發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

從知識線分析函數(shù)，按照知識發(fā)生發(fā)展的過程，剖析函數(shù)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)、邏輯關(guān)聯(lián)、本質(zhì)內(nèi)涵，從宏觀和微觀兩個(gè)角度入手，讓學(xué)生的認(rèn)識在整體形成與局部聯(lián)系中逐步結(jié)構(gòu)化并螺旋上升.宏觀上用十字模型，將函數(shù)產(chǎn)生的背景、函數(shù)概念與性質(zhì)、函數(shù)模型橫向連接，將函數(shù)的應(yīng)用、研究函數(shù)的工具（方法）與函數(shù)性質(zhì)縱向連接.函數(shù)主線的主體部分由函數(shù)概念、函數(shù)表示和函數(shù)性質(zhì)組成，因生活生產(chǎn)需要根據(jù)函數(shù)主體構(gòu)建多種函數(shù)模型，在研究函數(shù)中需要借助其他主線知識作為工具，同時(shí)將函數(shù)主線應(yīng)用到其他主線之中.微觀上通過梳理高中數(shù)學(xué)課程中有關(guān)函數(shù)的知識點(diǎn)、思想方法等，尋找知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，總結(jié)其知識結(jié)構(gòu)，最終確定宏觀結(jié)構(gòu)中每個(gè)部分的微觀結(jié)構(gòu).函數(shù)概念從“刻畫變量之間依賴關(guān)系的數(shù)學(xué)語言和工具”（變量說）進(jìn)一步抽象到“實(shí)數(shù)集合之間的對應(yīng)關(guān)系”（對應(yīng)關(guān)系說），在研究函數(shù)中需要借助代數(shù)運(yùn)算作為基礎(chǔ)工具、導(dǎo)數(shù)作為分析函數(shù)性質(zhì)的工具，函數(shù)可以看作數(shù)形結(jié)合的載體之一，解析幾何、平面向量幾何也可以看成研究函數(shù)的工具，如圖1.

站在教師教的角度來看，活動(dòng)線是知識線的活動(dòng)載體；站在學(xué)生學(xué)的角度來看，知識線是活動(dòng)線的內(nèi)容根基.基于此，函數(shù)主線的活動(dòng)線主要體現(xiàn)在教材編排結(jié)構(gòu)和教學(xué)設(shè)計(jì)上.教材中函數(shù)內(nèi)容的發(fā)展主線由“函數(shù)定義—函數(shù)性質(zhì)（奇偶性、單調(diào)性、最值）—基本初等函數(shù)（指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)）—函數(shù)的應(yīng)用（解方程、建模）—三角函數(shù)—數(shù)列—一元函數(shù)的導(dǎo)數(shù)”展開，教師根據(jù)教材編排順序，分析靜態(tài)的知識線，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生通過活動(dòng)直接體驗(yàn)在“做”中感悟習(xí)得數(shù)學(xué)知識.函數(shù)主線中蘊(yùn)含著重要的思想方法，函數(shù)圖象與代數(shù)運(yùn)算相結(jié)合的數(shù)形結(jié)合思想，證明數(shù)列簡單命題的數(shù)學(xué)歸納法，在導(dǎo)數(shù)概念形成中體會(huì)極限思想，以及函數(shù)應(yīng)用的二分法和模型思想等.數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展建立在數(shù)學(xué)知識的不斷積累、數(shù)學(xué)活動(dòng)的親身經(jīng)歷、數(shù)學(xué)思想方法的感悟理解上，是數(shù)學(xué)教育的育人目標(biāo).在知識線和思想方法線的梳理中不難發(fā)現(xiàn)，函數(shù)主線的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是提升數(shù)學(xué)抽象、數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)運(yùn)算、直觀想象和邏輯推理素養(yǎng).

二、選擇性必修課程函數(shù)主線分析要點(diǎn)

梳理選擇性必修課程函數(shù)主線分析需要附著的要點(diǎn)，確定分析角度、找準(zhǔn)找全聯(lián)結(jié)點(diǎn)、厘清單元微觀結(jié)構(gòu)，以期突破函數(shù)主線分析現(xiàn)有的圍欄.

1.確定分析角度

對現(xiàn)行人民教育出版社A版（下文簡稱“人教A版”）與北京師范大學(xué)出版社（下文簡稱“北師大版”）選擇性必修教材內(nèi)容進(jìn)行比較分析，對比兩版教材的章前引入、數(shù)列概念、導(dǎo)數(shù)概念、數(shù)列性質(zhì)等部分，明確不同版教材對于函數(shù)模型的學(xué)習(xí)以及應(yīng)用的基本過程，把握核心重點(diǎn)，如表1，從中發(fā)現(xiàn)核心概念的獲得過程、知識內(nèi)部的推理發(fā)展，其中蘊(yùn)含的思想方法，進(jìn)而凸顯的育人價(jià)值極為關(guān)鍵.延續(xù)函數(shù)主線“知識線、活動(dòng)線、思想方法線與素養(yǎng)線”的四條準(zhǔn)繩，可以歸納出選擇性必修課程函數(shù)主線分析要從“知識主線核心概念、知識內(nèi)部推理發(fā)展、數(shù)學(xué)思想方法滲透、知識文化價(jià)值體現(xiàn)和應(yīng)用模型”五角度展開.

2.找準(zhǔn)找全聯(lián)結(jié)點(diǎn)

依據(jù)高中數(shù)學(xué)課程面向全體學(xué)生的理念，實(shí)現(xiàn)“人人都能獲得良好的數(shù)學(xué)教育，不同的人在數(shù)學(xué)上得到不同的發(fā)展.”［1］高中數(shù)學(xué)課程被劃分三類，函數(shù)、幾何與代數(shù)、概率與統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)建模活動(dòng)與數(shù)學(xué)探究活動(dòng)四條主線貫穿于三類課程，故三類課程不是相對孤立的呈現(xiàn)，而是相互聯(lián)系的存在.在選擇性必修課程開始前，學(xué)生已通過必修課程的學(xué)習(xí)，明晰了函數(shù)的概念和性質(zhì)，總結(jié)了研究函數(shù)的基本方法，掌握了一些基本函數(shù)類，探索了函數(shù)的應(yīng)用.因此，找準(zhǔn)找全選擇性必修課程內(nèi)容與函數(shù)主線主體的聯(lián)結(jié)點(diǎn)是有效分析選擇性必修課程函數(shù)主線的前提.在操作上分為三步，首先分析知識主線核心概念的基礎(chǔ)性，概念的邏輯生長點(diǎn)，找到選擇性必修課程函數(shù)知識在函數(shù)主體上的延伸處；其次分析數(shù)學(xué)思想方法的滲透，在學(xué)生已有的思想方法上繼續(xù)深入拓寬邊界，或者借用已有的函數(shù)思想“生長”出新的思想方法，比如學(xué)生已掌握初等函數(shù)模型，再加入特殊函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)函數(shù)模型思想方法的進(jìn)階，在“對數(shù)增長”“知識爆炸”的基礎(chǔ)上體會(huì)極限思想.最后，分析知識育人價(jià)值的體現(xiàn)，能力和素養(yǎng)目標(biāo)一般不能通過一節(jié)課的教學(xué)來實(shí)現(xiàn)，需要一個(gè)中長期的培養(yǎng)過程，［3］選擇性必修課程是必修課程的補(bǔ)充和延伸，能力和素養(yǎng)勢必會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展.

3.厘清單元微觀結(jié)構(gòu)

在分析知識主線核心概念、數(shù)學(xué)思想方法滲透、知識育人價(jià)值體現(xiàn)，找尋必修課程與選擇性必修課程間聯(lián)結(jié)點(diǎn)的過程中，已經(jīng)確定單元內(nèi)容的宏觀結(jié)構(gòu).單元內(nèi)容微觀結(jié)構(gòu)是指教材中本單元知識的組織安排，知識塊的邏輯發(fā)展順序，思想方法上的縱觀引領(lǐng)，先拆分理解而后全局規(guī)劃.［4］聚焦選擇性必修課程中包含于函數(shù)主線的單元內(nèi)容知識的微觀結(jié)構(gòu)，對知識的上下位關(guān)聯(lián)及知識順序進(jìn)行梳理，深挖其中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)思想方法.具體操作方法是梳理本單元教材所含的知識點(diǎn)堆積形成知識塊，把握學(xué)生學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)，列出學(xué)生學(xué)習(xí)重點(diǎn)知識所需的輔助性知識塊，分析各知識塊之間的關(guān)聯(lián)，各知識塊時(shí)如何發(fā)生發(fā)展的，總結(jié)其知識結(jié)構(gòu)，形成知識塊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖.

三、數(shù)列單元函數(shù)主線分析

數(shù)列作為一種離散函數(shù)是高中數(shù)學(xué)的重要研究對象之一，也是函數(shù)主線內(nèi)容學(xué)習(xí)的一條支線，數(shù)列研究把研究對象從以往簡單的“數(shù)”的研究延伸到對復(fù)雜的“一列數(shù)”的研究，包括研究它們之間的關(guān)系、規(guī)律、特征等，是對先前所學(xué)連續(xù)函數(shù)模型的延伸，也是后續(xù)深入學(xué)習(xí)離散函數(shù)的基礎(chǔ).

1.數(shù)列知識主線核心概念

數(shù)列單元涉及數(shù)列概念、特殊數(shù)列、數(shù)列應(yīng)用和數(shù)學(xué)歸納法等.數(shù)列概念包括數(shù)列、項(xiàng)、首項(xiàng)、通項(xiàng)公式、遞推公式、數(shù)列前n項(xiàng)和等核心概念，是本單元學(xué)習(xí)的起點(diǎn).隨后將一般數(shù)列特殊化得到等差數(shù)列和等比數(shù)列，圍繞這兩類特殊數(shù)列探索變化規(guī)律以及在實(shí)際問題中的應(yīng)用.同時(shí)，數(shù)列概念、數(shù)列表示、數(shù)列性質(zhì)、等差數(shù)列、等比數(shù)列等與函數(shù)主線主體關(guān)聯(lián)，在其中感受數(shù)列與函數(shù)的共性和差異，了解數(shù)學(xué)歸納法并簡單使用數(shù)學(xué)歸納法，如圖2.

數(shù)列知識主線的學(xué)習(xí)具有發(fā)展性.其一，數(shù)列與其他內(nèi)容主線聯(lián)系的發(fā)展性，數(shù)列屬于函數(shù)主線，與不等式、方程、概率、算法、極限等其他主線知識緊密相關(guān)，是將這些內(nèi)容進(jìn)行綜合應(yīng)用的交互點(diǎn).其二，在數(shù)學(xué)思想方法中的發(fā)展性，數(shù)列學(xué)習(xí)的過程中蘊(yùn)藏多種數(shù)學(xué)思想方法，如函數(shù)與方程、特殊與一般、轉(zhuǎn)化與化歸等，這些思想方法既是函數(shù)思想的延伸，也為未來學(xué)習(xí)極限理論奠定基礎(chǔ).其三，現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用的發(fā)展性，數(shù)列在生活中的應(yīng)用十分廣泛，如銀行存款、汽車折舊、城市空氣質(zhì)量指數(shù)等實(shí)際問題，利用數(shù)列知識建立數(shù)學(xué)模型刻畫其遞推規(guī)律從而解決問題.

2.數(shù)列知識內(nèi)部推理發(fā)展

通過日常生活和數(shù)學(xué)中的實(shí)例，掌握數(shù)列的概念和表示方法（列表、圖象、通項(xiàng)公式），理解數(shù)列是定義在正整數(shù)集或其有限子集上的特殊函數(shù)，等差數(shù)列、等比數(shù)列屬于數(shù)列的典型特例.借助情境引入等差數(shù)列，探索發(fā)現(xiàn)等差數(shù)列的通項(xiàng)公式，借高斯算法推廣到等差數(shù)列的前n項(xiàng)和，類比等差數(shù)列通過數(shù)學(xué)史問題和生活實(shí)例得到等比數(shù)列.

分析數(shù)列知識塊之間的關(guān)系.就概念學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)了集合、函數(shù)的概念、函數(shù)的表示方法和性質(zhì)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)數(shù)列的概念，明確數(shù)列與函數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系.就簡單性質(zhì)，了解數(shù)列的幾種簡單表示方法，對比函數(shù)獲得數(shù)列的簡單性質(zhì)，掌握求數(shù)列通項(xiàng)與圖3數(shù)列知識塊關(guān)系圖數(shù)列求和的方式，意在讓學(xué)生了解研究數(shù)列的常見思路.就具體特例，等差數(shù)列與等比數(shù)列是兩類特殊的數(shù)列，具體到探討其通項(xiàng)、性質(zhì)、前n項(xiàng)和等，通過對這兩類數(shù)列的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)列的深入探討，強(qiáng)調(diào)數(shù)列和函數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，著重類比思想與數(shù)學(xué)歸納思想的滲透.就應(yīng)用部分，數(shù)列是重要模型，其思想滲透在教育儲蓄模型、分期付款模型等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，如圖3.

3.數(shù)列實(shí)際問題應(yīng)用模型

數(shù)列在現(xiàn)實(shí)問題中被廣泛應(yīng)用，同時(shí)也是古老的數(shù)學(xué)課題，在《周髀算經(jīng)》里談到等差數(shù)列的概念，《易傳系辭》里有世界數(shù)學(xué)史上等比數(shù)列最早的文字記載.基于PM視角，引導(dǎo)學(xué)生提出數(shù)學(xué)問題，利用數(shù)學(xué)史中的等差數(shù)列求和問題，思考等差數(shù)列求和的通項(xiàng)公式，進(jìn)行數(shù)學(xué)化并建立數(shù)學(xué)模型解決問題.利用數(shù)學(xué)歸納法，學(xué)生將有限數(shù)項(xiàng)通過運(yùn)算進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)，最終歸納為數(shù)學(xué)公式，再與實(shí)際生活相聯(lián)系.將數(shù)學(xué)與實(shí)際生活以及數(shù)學(xué)思想文化結(jié)合起來，讓學(xué)生感受到數(shù)學(xué)概念的形成過程是歷史上真實(shí)發(fā)生的，使數(shù)列的學(xué)習(xí)擁有現(xiàn)實(shí)意義.

4.數(shù)列數(shù)學(xué)思想方法滲透

數(shù)列中蘊(yùn)含著豐富的數(shù)學(xué)思想方法.其一函數(shù)思想，認(rèn)識到數(shù)列是一種特殊的函數(shù).其二方程思想，通常引導(dǎo)學(xué)生將等差數(shù)列或等比數(shù)列的5個(gè)參量看成是變量，面對“知三求二”的題目建立方程組，求出基本量.其三演繹思想，借助情境引出數(shù)列的相關(guān)概念，從一般數(shù)列概念和性質(zhì)中探索出特殊的兩類數(shù)列的特征和應(yīng)用意義.其四歸納思想，從高斯算法推廣到一般的等差數(shù)列前n項(xiàng)和公式.其五類比思想，在學(xué)習(xí)等差數(shù)列的基礎(chǔ)上類比得到等比數(shù)列的概念、性質(zhì)和應(yīng)用.其六數(shù)學(xué)歸納法，分析多米諾骨牌全部倒下的條件，通過猜想抽象出數(shù)學(xué)歸納法的步驟.其七分類討論思想，利用等差數(shù)列的性質(zhì)，分奇、偶兩種情況解決求數(shù)列前n項(xiàng)和問題.其八數(shù)列求和用到的方法，累加（乘）法、錯(cuò)位相減法、倒序相加法、裂項(xiàng)相消法等.

5.數(shù)列知識育人價(jià)值體現(xiàn)

從函數(shù)視角看數(shù)列，數(shù)列與函數(shù)、等差數(shù)列與一次函數(shù)、等比數(shù)列與指數(shù)函數(shù)間存在關(guān)聯(lián)，其中的核心概念和數(shù)學(xué)思想方法有內(nèi)在統(tǒng)一性，學(xué)生能逐步體會(huì)到研究數(shù)學(xué)對象的基本框架和路徑，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的思維方式，培養(yǎng)理性精神.在等差、等比數(shù)列的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生經(jīng)歷探索數(shù)列中項(xiàng)的取值規(guī)律、發(fā)現(xiàn)數(shù)列的性質(zhì)、應(yīng)用數(shù)列的性質(zhì)解決問題的過程，利于學(xué)生積累數(shù)學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，提高發(fā)現(xiàn)問題和提出問題、分析問題和解決問題的能力.數(shù)學(xué)歸納法是一種有力的證明數(shù)學(xué)命題的工具，通過其本身及蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)思想，有助于培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理的素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)

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