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江苏省2009普通高中数学知识纵向目标

作者:无锡市北高中 来源:无锡市北高中 发布时间:2009年11月05日 点击数:

普通高中新课程数学教学纵向目标指导

第一章  高中数学新课程的设计思路——整体把握课程

第一节  高中数学新课程的结构框架

 1.1高中数学课程的结构框图

高中数学课程由三部分组成。

第一部分是必修课程,由五个模块组成。每个模块要学习36个课时,这是每个学生都要学习的内容。

第二部分是选修1、2系列课程,这部分内容可以选择。对于希望在人文社科方面发展的学生,可以选择选修1系列课程,该系列有两个模块,72个课时;对于希望在理工等方面发展的学生,可以选择选修2系列课程,该系列有三个模块,108个课时。

第三部分是选修3、4系列课程。这部分内容,学生可以根据自己的兴趣和需求选择,其功能将在后面介绍。

高中数学课程的整体结构如下框图所示。

 

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1.2 高中数学课程的框图说明

 

选择性是这次高中数学课程的重要变化,理解选择性是认识课程结构的基础。

必修课程

必修系列课程由5个模块组成。

数学1:集合、函数概念与基本初等函数I(指数函数、对数函数、幂函数);

数学2:立体几何初步、平面解析几何初步;

数学3:算法初步、统计、概率;

数学4:基本初等函数II(三角函数)、平面上的向量、三角恒等变换;

数学5:解三角形、数列、不等式。

选修课程

选修课程由选修1,选修2,选修3,选修4等四个系列课程组成。

选修1系列课程:由两个模块组成。

选修1-1:常用逻辑用语、圆锥曲线与方程、导数及其应用;

选修1-2:统计案例、推理与证明、数系的扩充与复数的引入、框图。

选修2系列课程:由三个模块组成。

选修2-1:常用逻辑用语、圆锥曲线与方程、空间中的向量与立体几何;

选修2-2:导数及其应用、推理与证明、数系的扩充与复数的引入;

选修2-3:计数原理、统计案例、概率。

选修3系列课程:由六个专题组成。

选修3-1:数学史选讲;

选修3-2:信息安全与密码;

选修3-3:球面上的几何;

选修3-4:对称与群;

选修3-5:欧拉公式与闭曲面分类;

选修3-6:三等分角与数域扩充。

选修4系列课程:由十个专题组成。

选修4-1:几何证明选讲;

选修4-2:矩阵与变换;

选修4-3:数列与差分;

选修4-4:坐标系与参数方程;

选修4-5:不等式选讲;

选修4-6:初等数论初步;

选修4-7:优选法与试验设计初步;

选修4-8:统筹法与图论初步;

选修4-9:风险与决策;

选修4-10:开关电路与布尔代数。

关于课程系列的说明

必修课程内容是每个学生都必须学习的数学内容,旨在满足未来公民的基本数学需求,同时为学生进一步的学习提供必要的数学准备。

选修课程,是学生可以根据自己的兴趣和对未来发展的愿望进行选择的数学内容,旨在满足学生的兴趣和对未来发展的需求,为学生进一步学习、获得较高数学修养奠定基础。。

选修1系列课程是为希望在人文、社会科学等方面发展的学生而设置的,选修2系列课程则是为希望在理工、经济等方面发展的学生而设置的。从这个意义上来说,选修1,选修2系列课程内容也是高中数学课程中的基础性内容。

选修3和选修4系列课程是为对数学有兴趣和希望进一步提高数学素养的学生而设置的,所涉及的内容都是数学的基础性内容,反映了某些重要的数学思想,有助于学生进一步打好数学基础,提高应用意识,有利于学生终身的发展,有利于扩展学生的数学视野,有利于提高学生对数学的科学价值、应用价值、文化价值的认识。学生可根据自己的兴趣、志向进行选择。根据选修3系列课程内容的特点,选修3系列不作为高校选拔考试的内容,对这部分内容学习的评价适宜采用定量与定性相结合的方式,由学校进行评价,评价结果作为高校录取的参考。

各个学校可以根据实际情况,在选修3和选修4中,可以先开设部分内容,随着新课程的推进,逐步的扩大选修专题的数量。

数学探究、数学建模的思想以不同的形式渗透在各模块和专题内容之中。

 

1.3 高中数学新课程的开设顺序

    必修系列课程是选修1,选修2系列课程的基础。选修3,选修4系列课程基本上不依赖其他系列的课程,可以与其他系列课程同时开设,这些专题的开设可以不考虑先后顺序。必修系列课程中,数学1是数学2,数学3,数学4和数学5的基础。

 


 

第二节  高中数学新课程的内容框架

 

我们采取框图的形式介绍课程内容,其目的是希望读者容易对高中数学的内容有一个整体的把握。我们将会在后面的部分详细的介绍内容的定位,把整体和局部有机的结合起来是把握好高中课程一个好的方法。

 

2.1高中数学必修课程的内容框图

 

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2.2 必修课程与选修12系列课程的内容体系的内容框图

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2.3选修34系列课程内容说明

 

 

1.选修3系列的内容说明

选修3由六个专题组成:数学史选讲,球面上的几何,对称与群,欧拉公式与闭曲面分类,信息安全与密码,三等分角与数域扩充。

选修3的内容是以前的高中没有正式开设的,一些学校以选课或课外活动的形式开设过。选修3中专题的内容需要认真深入地体会其中蕴涵的思想。

“数学史选讲”是希望告诉学生数学发展的一个基本的脉络,选择了数学历史发展中一些重要的事件、成果作为线索,介绍一些伟大的数学家的贡献和奋斗人生。

对球面上的几何,顾名思义,讨论“球面上图形的性质”,我们学过平面几何,这两种几何有什么相同,有什么不同?球面上的几何有什么用处?“球面上的几何”这一专题主要就讨论这些问题。

“对称”是日常生活中常用的词,特别在生活中有很多“对称的”很漂亮的图形,这些对称图形不相同,如何对它们加以区别?这些对称图形中蕴涵了什么数学思想方法?“对称”有什么用处?“对称与群”专题将讨论这些问题。

欧拉是最伟大的数学家之一,他的成就非常丰富,多面体的欧拉公式就是其中之一。四面体、长方体等都是多面体,欧拉发现了:这些图形的“面数减去棱数再加上顶点数等于2”,并且他给出了很好的证明。这是很有趣的,它反映了这些图形——曲面的性质。那么,是否还有其他图形也有这样的性质?是否所有多面体的曲面都有这样的性质?等等。“欧拉定理与闭曲面分类”这个专题将回答这些问题。

在“信息时代”,传送信息时对保密的要求越来越大。在“信息安全与密码”中,将告诉学生一些基本的数学原理,学生可以通过操作,进一步了解和熟悉常用的信息安全保密的方法。

“用尺规可以三等分角吗?”这是学生都想了解的一个问题。在“三等分角与数域扩充”这个专题中,将引导学生一步一步地解决这个问题。学生会发现,解决这样问题与做习题不大一样,其中蕴涵着一种思考方法,不论是否专门学习数学,这种思考问题的方法都是很有用的。

希望学生喜欢这些选题,选几个学一下,会对数学有一些新的感觉。中国一些著名数学家,像华罗庚、段学复、熊庆来等,曾引导年轻一代人学习这些内容,对当时年轻人的发展起了很大作用。

 

2.选修4系列的内容说明

选修4包括十个专题,可以分为三类:

一类是与中学数学内容密切联系的,例如,几何证明选讲,不等式选讲,坐标系与参数方程。

一类是中小学数学课程内容拓展的,例如,矩阵与变换,数列与差分,初等数论初步。

另一类是数学应用方面的选题,例如,风险决策,优选法与实验设计,统筹法与图论初步,开关电路与布尔代数。

这样的分类并不严格,仅仅是提供思考的背景。选修4与选修3一样,需要认真深入地体会其中蕴涵的思想,这些思想在今后学习和工作中会有很大用处。

以下我们对这十个专题作一个简要的介绍,在后续的内容中还将针对这些专题的教学进行详细的研讨。

几何证明选讲

几何课程是数学课程的主要内容,也是中小学数学课程的主要内容。在高中必修课程中,我们设置了立体几何初步、解析几何初步、平面向量等几何课程的内容,在选修1、2课程中,我们设置了圆锥曲线、空间向量与立体几何等几何课程内容。

在本专题中,我们是在义务教育数学课程学习的基础上,设置了两部分的内容。一部分内容是以直线与圆的关系为载体,利用相似的理论,讨论圆与直线的位置关系,及其位置关系中的一些几何结果。这部分内容可以成为一个相对独立的体系,对于提高学生的逻辑推理能力会发挥一些作用。在另一部分内容中,我们利用综合几何的方法,依托锥面与平面的关系,讨论它们所截得的曲线的几何特征,即讨论圆锥曲线的基本性质。

 

不等式选讲

恒等关系和不等关系是数学中两种基本的关系,也是中小学数学课程的基本内容,这些内容都是依托不同运算对象的运算规律来完成的。在高中必修课程中,我们设置了有关不等式和简单线性规划的内容。

本专题在义务教育课程的基础上,进一步讨论了不等式的基本性质和基本不等式;绝对值不等式及其几何意义,并利用绝对值不等式的几何意义证明和求解一些绝对值不等式;认识柯西不等式的几种不同形式及其几何意义,用参数配方法讨论柯西不等式的一般情况;用向量递归方法讨论排序不等式;了解数学归纳法的原理及其使用范围,会用数学归纳法证明一些简单问题;会用数学归纳法证明贝努利不等式;会用上述不等式证明一些简单问题。能够利用平均值不等式、柯西不等式求一些特定函数的极值;通过一些简单问题了解证明不等式的基本方法:比较法、综合法、分析法、反证法、放缩法。

 

坐标系与参数方程

解析几何有两个核心概念,一个是坐标系,一个是在坐标系中建立曲线与方程的关系。在义务教育阶段和高中必修课程中,主要学习直角坐标系,并在直角坐标系中讨论了直线、圆、圆锥曲线,及其这些曲线与方程的关系。

本专题将在义务教育课程的基础上,介绍极坐标系、柱坐标系、球坐标系等内容,在这些坐标系中讨论简单曲线(直线、圆、圆锥曲线、摆线等)与它们方程的关系。

 

  

矩阵与变换

在义务教育阶段我们学习了几种重要的几何变换,例如,反射变换,旋转变

换,平移变换,放缩变换等。

本专题在义务教育的基础上,介绍反映上述变换的代数表达形式——

二阶矩阵,把二阶矩阵看作表示变换的工具,二阶矩阵把平面上的每一个点或每一个向量变成平面上另一个点或一个向量。在这里,矩阵就是映射。我们讨论了反映变换的矩阵的基本性质及其几何意义、在讨论问题中的作用。对于矩阵来说,既可以把它看作一个代数的研究对象,从运算的角度来讨论它;矩阵又可以看作描述几何变换的对象。在本专题中,我们更强调矩阵的几何背景和在讨论几何问题中的作用。

 

数列与差分

函数是数学中一类重要的对象,对于可导的函数,导数和微分是研究这些函数的基本工具。数列是一类特殊的函数,有时也称为“离散”的函数,差分是研究这一类函数的工具。

本专题在义务教育学习的基础上,利用差分工具讨论了一些简单数列的规律,例如,等差数列、等比数列以及一阶差分数列。初步体会研究数列这样的离散函数的思想方法。

 

初等数论初步

整数有加、减、乘、除的运算,整数除法是大家熟悉的运算。本专题的第一个重要概念就是除法,特别是带余除法。它可以很好的反映整数的性质,能够很好的对整数进行分类。素数是本专题的另一个重要概念,我们将帮助学生体会素数在研究整数性质中的作用。本专题的另一个重要概念是同余,同余反映了整数之间的一种新的关系,同余类又为我们提供了一种新的运算平台,我们将利用同余的概念讨论一种新的方程形式——简单的同余方程、同余方程组。

 

试验设计与优选法

本专题分成两个部分,一部分是针对多因素问题学习如何设计试验方案,以求得实现试验次数少,而试验效果好的目的。在这部分内容中,我们通过具体的实例介绍了两种选择试验方案的工具,一种是拉丁方,另一种是正交表。

本专题的第二部分内容就是优选法,在生产实践和科学试验中,人们为了达到优质、高产、低消耗等目的,需要对有关因素的最佳点进行选择。这些选择最佳点的问题,都称之为选优问题。解决这些选优问题的方法称为优选法。上世纪70年代,我国著名数学家华罗庚在全国推广和普及了优选法,大大地提高了我国科技工作者、管理工作者、普通大众的科学素养和数学水平。在这部分我们将学习运用优选法解决简单实际问题的方法。

 

统筹法与图论初步

本专题由两部分内容组成,一部分是统筹法,另一部分是图论初步。

统筹方法是我们日常生活、生产实践中常用的一种数学方法,它可以帮助我们合理安排人力、物力等资源。1964年,中国著名数学家华罗庚在全国对这种方法进行了大力推广,提高了广大科学工作者、管理人员和普通群众的科学素养。本章将通过实例介绍统筹方法的数学原理和应用。

本专题的第二部分内容就是图论初步。图论是数学中有广泛实际应用的一个

分支。心理学、化学、电工学、运输规划、管理学、销售学以及教育学等各个不同领域内的许多问题都可以描述为图论的问题。在这一部分我们将介绍有关图论的基本概念和图论中的几个基本问题,例如,生成树问题,最短路径问题等。

 

开关电路与布尔代数

    在初中物理中,我们都学习了三种基本的电路——串联电路、并联电路和逆反电路。我们已经熟悉了这些电路的基本功能,也能熟练的利用这些电路搭建较为复杂的电路。在本专题中,我们将给出这些电路的代数刻画——布尔代数,讨论它们的运算性质,并利用这些运算性质讨论简单电路的设计问题。

        

风险与决策

    风险与决策是统计概率应用中的一类问题。一个随机现象中, “损失”是一个随机变量,“损失”的均值就叫做“风险”,在做决策时,希望平均“损失”达到最小,即“风险”最小。在本专题的教学中,一方面仍应突出这样一个目标,就是通过对具体问题的分析,经历统计的全过程,并且不断地加深对于风险问题的认识。另一方面,在统计问题中,我们还应该认识到“损失”的随机性。因此,不断地加深对于随机思想的认识,是学好本专题教学的关键。

    在本专题中,离散的随机变量及其数学期望和方差是三个核心概念,它们是刻画“风险”的三个核心概念。

 

<!--[if !supportLists]-->第三节      <!--[endif]-->设计思路——内容主线

 

3.1函数主线

20世纪初,在英国数学家贝利和德国数学家克莱因等人的大力倡导和推动下,函数进入了中学数学。克莱因提出了一个重要的思想——以函数概念和思想统一数学教育的内容,他认为:“函数概念,应该成为数学教育的灵魂。以函数概念为中心,将全部数学教材集中在它周围,进行充分地综合。”

高中数学课程设计中,把函数作为贯穿整个高中数学课程始终的主线,这条线将延续到大学的数学中,我们知道,大学几乎所有的专业都开设了高等数学,有文科的高等数学,有工科的高等数学,在数学系中,有数学与应用数学专业、信息与计算专业、统计数学专业,这些专业开设了不同高等数学内容的课程,虽然,不同的专业开设不同的高等数学课程,但是,函数是这些高等数学课程的一条主线,在数学系课程中,尤显突出,例如,数学分析、复变函数、实变函数、常微分方程、偏微分方程、泛函分析等等,这些课程都是把函数作为研究对象。函数、映射不仅是数学的基本研究对象,它们的思想渗透到几乎每一个数学分支。

在高中阶段,如何认识函数的作用?如何把握函数的内容?如何进行函数的教学?学生学完高中课程,在函数的学习中,应留下什么呢?每一个高中数学教师都应该认真思考这些问题。

 

1.对函数的认识

  (1)函数是刻画变量与变量之间依赖关系的模型

把函数看作是刻画变量与变量之间依赖关系的模型,通过探索,理解可以用变量与变量之间的依赖关系反映自然规律,这是我们认识现实世界的重要视角。在现实生活中,在其他学科中,有些变量和变量之间没有依赖关系,例如,一般的说,速度和湿度就没有依赖关系;有些变量和变量之间存在着依赖关系,一个量的变化引起另一个量的变化。例如,在物理中刻画物体运动时,路程随着时间的变化而变化。又如,世界人口数量是随着时间的变化而变化的。这些对象的变量之间都有着密切的依赖关系,而且,这种变量之间的依赖关系具有一个突出的特征,即当一个变量取定一个值时,依赖于这个变量的另一个变量有唯一确定的值。具有这种特征的变量之间的依赖关系在现实世界中大量存在。例如,在汽车的运动中,运动时间和速度是有依赖关系的两个变量,在任何时刻,汽车只能有唯一的一个速度。又如,邮局按邮件的重量收取邮资,邮资与邮件的重量是有依赖关系的两个变量,对同类型具有一定重量的邮件,只能收取唯一确定的邮资。函数正是反映变量与变量之间这种依赖关系的,它是刻画现实世界中自然规律的重要模型。这也是数学联系实际的基础。

(2)函数是联结两类对象的桥梁

把函数看作是联结两类对象的桥梁,即通常说的映射关系。在高中阶段,函数的定义为:给定两个实数集合A、B,对集合A的任一元素a,按照某种对应关系f,在集合B中存在唯一元素b与之对应,即f(a)=b。我们称这个对应关系f为集合A到集合B的一个函数关系,简称函数,记作:f: A <!--[if !vml]--><!--[endif]-->B。

这是用映射的观点刻画函数,它反映两个数集之间的关系,在两个数集之间架起了一座桥梁。这样的看法反映了数学中的一种基本思想。在代数学中,同构、同态都是构架两个代数结构的桥梁。在拓扑学中,连续、同胚都是构架两个拓扑结构的桥梁。这种思想渗透到每一个数学分支中。

(3)函数是“图形”

函数关系是平面上点的集合,又可以看作平面上的一个“图形”。在很多情况下,函数是满足一定条件的曲线。因此,从某种意义上说,研究函数就是研究曲线的性质,研究曲线的变化。

运用这种看法,函数可以看作数形结合的载体之一。实际上,高中数学课程中的数形结合主要有三个载体:解析几何、向量几何、函数。

在讨论函数问题时,帮助学生养成画函数图形,并且用函数图形思考问题的习惯。树立“图形意识”是掌握函数性质、学好函数的关键。

以上是认识函数的三个不同角度,它们可以帮助我们更全面地认识函数,也是学生在高中阶段中应留下的东西。这些对于进一步学习是很重要的。进入大学,在高等数学的学习中,我们还会学习认识函数的新的视角,例如,在很多情境中,常常要把具有某些形式的函数作为一个整体,并讨论整体的结构。

 

2.中学数学研究函数的什么性质

数学中研究函数主要是研究函数的变化特征。因为,函数的变化特征反映了它所刻画的自然规律的特征。在高中阶段主要研究函数的单调性、周期性。也讨论某些函数的奇偶性。

单调性是在高中阶段讨论函数“变化”的一个最基本的性质。就是当自变量增加(减少)时,函数值是增加还是减少?单调性反映的是某个范围里函数的变化,不是函数的局部性质。从几何的角度看,就是研究函数图像走势的变化规律。

在高中数学课程中,对于函数这个性质的研究分成两个阶段。

第一阶段,安排在必修1中。要求理解单调性的图形直观,理解单调性的定义,通过大量的具体函数,理解单调性在研究函数中的作用。单调性与函数图形有密切联系,了解了函数的单调性,基本上就可以决定函数图形的走势;反过来,掌握了函数图形的走势,也就基本上了解了函数的单调性,这是掌握函数的最基本的东西;单调性与不等式联系密切,单调性的形式化定义是借助于不等式给出的。反之,具体函数的单调性反映了一些不等关系。

关于单调性的证明一定要把握好它的“度”,一般的只证明以下几种函数的单调性:

y=ax+b,  y=ax2+bx+c,  y=x3, y=x-1,  y= <!--[if !vml]--><!--[endif]-->.

我们应该看到,还可以运用导数与函数单调性的关系来证明上述函数的单调性,这样,我们就会有不同的思想、方法、工具研究函数。

对数函数、指数函数单调性的证明也不作要求,因为对数函数、指数函数单调性的严格证明是有难度的。学习了导数的知识,可以给出说明。

第二阶段,安排在选修系列1、2课程的导数及其应用中。导数是描述函数变化率的概念,导数概念可以帮助我们对“函数的变化”有进一步了解。在这一部分内容中,要求学生理解导数与单调性的联系:在一个区间内,如果函数在每一点的导数大于零,则函数是递增的;如果函数在每一点的导数小于零,则函数是递减的;反之,也可以用单调性判断导数的符号。在一个区间内,递增函数如果有导函数,那么每一点的导数大于或等于零;在一个区间内,递减函数如果有导函数,那么每一点的导数小于或等于零。这些结论的证明要用到拉格朗日中值定理,在高中是不要求的。此外,在高中阶段,对严格单调性和单调性的区别不必深究,否则,会因小失大。对于一些对数学有兴趣的同学,教师可以适当引导他们阅读一些相关的参考书。

周期性是中学阶段学习函数的另一个基本的性质。周期性反映了函数变化周而复始的规律。在我们的生活中,存在着大量的周期变化的现象,大到宇宙的变化,例如,在太阳系中,行星围绕太阳的运动;小到粒子的变化。因此,学会用周期的观点来看待周围事物的变化是非常重要的。周期函数,比如,正弦和余弦函数、正切和余切函数都是刻画周期变化的基本函数模型。用周期的观点来研究周期函数,可以使我们集中研究函数在一个周期里的变化,在此基础上,就可以了解函数在整个定义域内的变化情况。在高中数学课程中,不讨论一般函数的周期性,只讨论基本的具体三角函数的周期性,例如,正弦、余弦、正切函数的周期性。

奇偶性也是我们在中学阶段学习函数时要研究的函数的性质,但它不是最基本的性质。奇偶性反应了函数图形的对称性质,偶函数图形是关于y轴对称的,奇函数图形是关于原点对称的,奇偶性反应图形的对称与坐标系的选择有关。奇偶性可以帮助我们用对称思想来研究函数的变化规律。在高中数学课程中,对于一般函数的奇偶性,也不做深入讨论,只讨论基本的具体函数的奇偶性,例如,简单幂函数的奇偶性,如,y=x2,y=x3, y=x-1

 

   3.具体函数模型

了解函数的形式定义,仅仅是理解函数的一部分,理解函数一个重要方法,就是在头脑中留住一批具体函数的模型。在高中阶段,学生应留住哪些函数模型呢?如何让学生把这些模型留在头脑中,并能帮助思考问题?这是每位教师应该思考的问题。对于一个好的数学教育工作者,要帮助学生对每一个抽象的数学概念,使他们在头脑中都有一批具体的“模型”。要帮助学生养成这样一种学习数学的好习惯。

幂函数、指数函数、对数函数、三角函数是基本初等函数,这些函数是最基本的,也是最重要的。还有简单的分段函数,一些有实际背景的函数,等等。这些都是基本的、重要的函数模型。

(1) 线性函数y=ax+b与幂函数相联系,它的图形是一条直线;它是函数关系中最常见的,也是最简单的;在很多情况下,例如,在研究比较复杂的函数时,我们常常用它在一点附近的线性函数来近似表示,“以直代曲”是微分的基本思想。

(2)正整数指数幂函数

正整数指数幂函数y=xn也是基本的函数,它们的代数和构成我们熟悉的多项式函数,这些函数都是“好”的函数。所谓好,是指它具有任意阶导数,非常的光滑。此外,它们还有一个极为重要的性质,对于任意一个“好的函数”,在一定范围内都可以用多项式函数来近似地表示,在高等数学中,称为泰勒公式,这是高等数学的重要结果之一`,它就是建立在正整数指数幂函数的基础上的。这也是为什么幂函数重要和基本的原因之一。

在高中阶段,对幂函数不做一般的讨论,仅仅讨论几种简单的情况:例如,y=x3, y=x-1,  y= <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

 一元二次函数是最重要的一类多项式函数,在高中阶段,我们对这类函数作了详细的研究,我们应该很好掌握这一类函数。

(3)指数函数、对数函数

指数函数、对数函数本身都是重要的函数,在刻画自然规律时,它们是用的最多的函数,也是最基本的函数;同时,它们是好函数,它们具有任意阶导数。

我们从两个角度认识指数函数、对数函数。一个角度是运算,从运算的角度认识指数、对数的运算规律,利用运算的规律研究函数;另一个角度是函数,从函数的角度认识指数函数、对数函数的规律。

对数函数(底数大于1)、多项式函数(例如,y=x2)、指数函数(底数大于1),这三类函数都是随着自变量的增加而增加,但是,它们增长的速度是不同的,对数函数最慢,多项式函数快一些,指数函数最快,在实际中,我们常常分别称为:对数增长,多项式增长,指数增长,这些是刻画增长的最基本的模式。

(4)三角函数

周期现象是现实世界最基本的现象之一,三角函数是刻画周期现象最基本的模型,三角函数包括正弦函数、余弦函数、正切函数等等。很多现实生活中的周期现象都可以用这些三角函数表示。三角函数也是最基本的周期函数,通过三角函数可以帮助我们更好地理解周期函数;三角函数也都是好的函数,具有任意阶导数;三角函数的代数和可以用来表示更多的函数(包括那些好的和不好的函数,如,某些不连续的函数),构成三角级数的理论,它是数学中分析学的基本内容,它还是重要的一个数学分支——调和分析、小波分析的基础,小波分析是图像压缩技术的基础,具有极为广泛的应用。

综上所述,幂函数、指数函数、对数函数、三角函数都是最基本的初等函数,高中数学的最重要的任务之一就是要把这些基本初等函数模型留在学生脑子里,这些模型是思考其他函数问题的基础。

对于上述基本初等函数模型,我们希望学生在脑子里留下三方面的东西:

背景,从函数模型的实际背景的角度把握函数;

图像,从几何直观的角度把握函数;

基本变化,从代数的角度把握函数的变化情况,如,指数函数(底数大于1)变化之所以快是因为指数运算将和变为积,对数函数(底数大于1)变化之所以慢是因为对数运算将积变为和。

对于函数的教学,教师应该有一个全面的设计,思考一下,高一上学期做什么,下学期做什么,高二上学期做什么,…高三下学期做什么。通过函数的教学,要使函数在学生头脑中扎下根。

   

4.函数与其他内容的联系

 

函数作为高中数学的一条主线,贯穿于整个高中数学课程中。特别是在方程、不等式、线性规划、算法、随机变量等内容中都突出的体现了函数思想。

 

1)函数与方程

用函数的观点看待方程,可以把方程的根看成函数与x轴交点的横坐标,即零点的横坐标,因此,解方程f(x)=0就是求函数y=f(x)的零点的横坐标,从而,方程可看作函数的局部性质,求方程的根就变成了思考函数图形与x轴的交点问题。函数图形与x轴的交点是函数的局部性质,如何利用函数的整体性质来讨论函数的局部性质?这是解决方程问题的基本思想。

具体来说,如果函数y=f(x)连续,且y=f(x) 在区间[a,b]两端点的值异号,即f(a) f(b)<0,那么函数图像会从(a, f(a))点出发一定会穿过x轴到达(b, f(b))点,即方程f(x)=0在区间[a,b]内有解,原因就是由于函数不间断。如果函数有这一性质我们就可以运用二分法求出方程的近似解。

例如,判断方程x2x6=0的根的存在性。

 

 

4 0 4 x

6

y

A

6

14

B

C

 

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->我们可以考察函数f(x)=x2x6,其图像为抛物线,如图。

 

容易看出,f(0) = 60f (4) = 60f(4) =140

由于函数f(x)的图像是连续曲线,因此点B(0, 6)与点C(4, 6)之间的那部分曲线必然穿过x轴,即在区间(0, 4)内必有一点x1,使f(x1)=0;同样,在区间(4, 0)内也必有一点x2,使f(x2)=0。所以,方程x2x6=0有两个实根。我们可以用学过的解方程的方法来验证这个结论。

二分法本质上就是用函数的整体性质:“函数在闭区间连续,且端点函数值异号,”去寻求函数图像与x轴的交点。除了二分法外,在数学分析中,还有一些用整体性质讨论方程近似求解的方法。这些方法都是从整体看待局部。例如,切线法,如果一个函数y=f(x)在闭区间有一阶导数,则可用切线法求方程f(x)=0的解;又如,割线法,如果一个函数y=f(x) 在闭区间有二阶导数,则可用割线法求方程f(x)=0的解。在“计算方法”中可以证明:切线法比二分法快,割线法比切线法快。这是因为,割线法比切线法要求函数具有更好的性质,切线法比二分法要求函数具有更好的性质。

有了近似逼近求方程解的思想,解方程的视野界开阔了,微积分的作用也就体现出来了。在初中,解方程的思路只局限在用恒等变形来解方程,时间和精力主要花在恒等变形上。

2)函数与数列

数列是特殊的函数。它的定义域一般是指非负的正整数集,有时也可以为自然数集,或者自然数集的子集。自然数是离散的,因此,数列通常称为离散函数,离散函数是相对于定义域为实数或者实数的区间上的函数而言的。数列作为离散函数,在数学中有着自己的重要地位。在高中和大学,我们所遇到的大部分函数都是“好函数”,“好函数”不仅是连续的,而且是可导的,像幂函数、指数函数、对数函数、三角函数等都是好函数,它们具有任意阶导数。数列在研究这些连续函数中发挥着重要作用。

在高中阶段,主要讨论一些特殊的数列——等差、等比数列的性质。等差数列、等比数列都是基本的数学模型,在我们日常经济生活中许多经济问题都可以归结为等差数列、等比数列模型。例如,存贷款、教育储蓄、分期付款、商家返卷等等问题,都可以用等差数列、等比数列来刻画。等差数列是线性函数的离散化,而等比数列是指数函数的离散化。

 

3)函数与不等式

函数y=f(x) 的图像把坐标系的横坐标轴分成若干部分区域,一部分区域是使函数值等于0,即 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->;一部分区域是使函数值大于0,即 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->;一部分区域是使函数值小于0,即 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->。用函数的观点看,就是确定使函数图像y=f(x)在轴 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->上方或下方的 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的区域。这样,我们首先确定函数图像与x轴的交点(方程f(x)=0的解),再根据函数的图像来求解不等式。

例如,解一元二次不等式。首先分析函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的图像与 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->轴有三种关系:不相交、有一个交点、有两个交点。如果再考虑函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的图像(抛物线)的开口方向,就有六种情况:开口向上的三种情况和开口向下的三种情况。对于每一种情况,我们都能根据函数图象确定出 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的范围( <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的范围可能是一个区间,也可能是两个区间的并,也可能只有一个点或是空集)。因此,解一元二次不等式 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的问题就归结为以下算法:

第一步,确定函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->图象的开口方向(根据 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的符号判断);

第二步,确定函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->图象与 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->轴的关系(根据判别式△判断);

第三步,确定 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的范围。

用函数的观点来讨论不等式的问题,无论是对于理解函数的思想,还是解不等式的有关问题,都是非常有益的,有助于更好的理解这些知识本身和解决有关问题。

 

4)函数与线性规划

线性规划问题是最优化问题的一部分,从函数的观点看,首先,要确定目标函数,用目标函数来刻画“好、坏”或“大、小”等,在这里,目标函数实际上是二元函数,在具体问题中,学生是不难接受这个概念;接着,需要确定目标函数的可行域(由约束条件确定目标函数的定义域),用平面区域图形可以非常清晰地表达可行域(目标函数的定义域)的特征,可行域的边界是由“直线围成的区域”,其边界上定点的个数是有限的;最后,讨论目标函数在可行域(由约束条件确定的定义域)内的最值问题,为此,认识目标函数的变化趋势,使用等高线(其上函数值相等的平面上的直线)可以直观地给出了目标函数的变化趋势。

解线性规划问题,可归结为以下算法:

第一步,确定目标函数;

第二步,确定目标函数的可行域;

第三步,确定目标函数在可行域内的最值。

 

某医院用甲、乙两种原料为手术后的病人配营养餐,甲种原料每10 g含5单位蛋白质和10单位铁质,售价3元;乙种原料每10 g含7单位蛋白质和4单位铁质,售价2元。若病人每餐至少需要35单位蛋白质和40单位铁质,试问:应如何使用甲、乙两种原料,才能既满足营养,又使费用最省?

解: 首先,确定目标函数。

设甲、乙两种原料分别用10x g和10y g;

病人需要使用的费用为: z=3x+2y;

然后,确定目标函数的可行域(定义域)。

病人每餐至少需要35单位蛋白质,可表示为:5x+7y <!--[if !vml]--><!--[endif]-->35;

     同理,对铁质的要求可以表示为:10x+4y <!--[if !vml]--><!--[endif]-->40;

这样,问题成为求目标函数在可行域(有约束条件确定)上的最小值。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->或者说,在约束条件 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->下,

求目标函数z=3x+2y的最小值。

最后,求目标函数在可行域上的最小值。

做出可行域,如图。

令z=0,作直线l0:3x+2y=0 。                             

由图形可知,把直线l0平移至点A时, z取最小值.       

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->     得A( <!--[if !vml]--><!--[endif]-->)                       

即需甲种原料 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->(g),乙种原料3 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->=30(g)时,费用最省。

5)函数与算法

在算法中,最基本和重要的结构之一是循环结构。循环结构是理解算法的一个难点,难在对于循环变量的理解。循环结构是通过给循环变量赋值来实现循环的,给循环变量每赋一次值,就执行一次循环。循环变量使得循环体得以“循环”,循环变量控制了循环的“开始” 和“结束”,是刻画循环结构的关键。用函数来刻画循环变量,把循环变量看作“运算次数”的函数。

循环结构中的循环变量分为两种形式。

一种循环变量的值可以取“运算次数”,以此来控制循环次数。例如,从1000个数中选出最大数的算法,首先,选择一个数,然后,任选一个数与之比较,留下大的数,这算作一次运算,再进行重复,循环变量的值可以取“运算次数”,“运算次数”达到999次,算法就可以结束。

另一种循环变量的值可以取“运算结果”。是控制结果精确度的变量,例如用二分法求方程f(x)=0在区间[0,1]上的一个近似解的算法,区间[0,1]是有解区域,每作一次运算,就得到缩小的新有解区域,循环变量的值可以取为有解区域的长度,也可以称为精确度。那么,在这个算法过程中,循环变量达到要求的精确度 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->,算法就可以结束。

循环变量体现了函数的思想。因为“循环”的过程是依赖于循环变量取值的变化而一步步实现的,这种依赖关系体现了函数的思想。在算法设计中,选择适当的循环变量是得到好算法的关键。

 

总之,在高中课程中,函数与方程、数列、不等式、线性规划、算法、导数及其应用,包括概率统计中的随机变量等,以及选修系列3、4中的大部分专题内容,都与函数有着密切的联系。用函数(映射)的思想去理解这些内容,是非常重要的一个出发点。反过来,通过这些内容的学习,可以加深对于函数思想的认识。实际上,在整个高中数学课程中,都需要不断地体会、理解“函数思想”给我们带来的“好处”。

 

 

3.2 几何主线

1.几何的教育功能

我们常常听到这样的一些词,空间想象能力,“几何直观”能力,把握图形能力,几何洞察能力,等等,这些词都是一些数学家提出来的,“空间想象能力”是我国著名数学家华罗庚提出的,“几何直观”能力是本世纪最著名的数学家希尔伯特提出的,他写了一本重要的著作“直观几何”,“把握图形能力”是著名数学家、本世纪最有影响的数学教育家弗赖登塔尔提出的,“几何洞察能力”是由著名华人数学家项武义提出的(我们没有能考证这些词是否是由他们最早提出的)。这些词的内涵可能有些不同,我们感到这些词的基本含义是相同的,这些能力不仅对数学研究是极为重要的、基本的,对于数学教育、对于数学课程的设计同样是重要的、基本的。培养几何直观能力不仅仅是几何课程的任务,而且是整个数学课程的基本任务。因此,几何是贯穿于整个高中数学课程中的主线之一,在其他的数学内容学习中,也要强调通过直观,通过图形来认识相关内容的数学本质。

高中数学课程中,几何的作用主要在于培养学生的几何直观能力和推理论证能力。这两种能力对于学生思维的发展和对数学本质的理解都是非常重要的。

在高中数学课程中,几何是“图”“文”并茂的内容,它把数学所特有的逻辑思维和形象思维有机地结合起来。几何思想主要体现在几何直观能力,即把握图形的能力。几何直观能力主要包括空间想象力、直观洞察力、用图形语言来思考问题的能力。借助几何这个载体,可以培养学生的逻辑推理能力。但仅仅把几何作为培养形式推理能力载体的认识是片面的。

在中学数学课程中重视几何内容是我国数学教育的传统,也是共识。但是,如何运用几何思想、把握图形的能力去学习其它的数学内容,却没有引起足够的重视。在实验区听课时,最令我们感到遗憾的是:教师不太喜欢“画图”,讲解析几何时也不画图。

事实上,几何学能够给我们提供一种直观的形象,通过对图形的把握,可以发展空间想象能力,这种能力是非常重要的,无论是数学本身、数学学习本身,还是在其他方面,都是一种基本能力。搞艺术的人就经常说,这种空间想象能力与他们艺术上的想象能力、艺术创作能力是一种殊途同归的感觉。

英国著名数学家M.阿蒂亚曾说过,几何是数学中这样的一个部分,其中视觉思维占主导地位,而代数则是数学中有序思维占主导地位的部分,这种区分也许用另外一对词更好,即‘洞察’与‘严格’,两者在真正的数学研究中起着本质的作用。即,几何是直观逻辑,代数是有序逻辑。这表明,几何学不只是一个数学分支,而且是一种思维方式,这种思维方式渗透到数学的所有分支。因此,培养学生的几何直观能力、把握图形的能力应成为高中学习几何的主要目的。

我们知道,逻辑推理是数学的基本思维形式,在中学阶段,几何是培养学生推理论证能力的重要载体,但是,这里我们要说的是,我们还应该认识到几何更本质的作用,这就是上面我们所说的:应当重视培养学生的几何直观能力,包括空间想象力、直观洞察力、用图形的语言来思考问题的能力等。

在高中数学课程中,我们更加关注通过对整体图形的把握去培养和发展空间想象能力;关注在空间想象能力培养中人的认识规律,并概括了人们认识和探索几何图形的位置关系和有关性质的规律,建议通过“直观感知、操作确认、思辩论证、度量计算”等学习过程,培养和发展空间想象能力,这对几何课程的学习应该是有帮助的。例如,在立体几何的学习中,建议从对空间几何体的整体观察入手,认识整体图形,再以长方体为载体,直观认识空间点、线、面的位置关系,抽象出有关概念,并用数学语言表述有关性质与判定。事实上,相关研究表明,个体的认识是先从对整体的认识开始的。大家知道,在立体几何的学习中,异面直线和异面直线之间的距离是比较难理解的两个概念,如果先讲平行平面,那么,异面直线就是两个平行平面中的两条不平行的直线,而异面直线之间的距离问题,也会因为平行平面间距离的确定性而变得容易理解了。这也体现了整体把握图形的优越性。

2.中学几何研究的对象

中学几何主要是研究图形的位置关系和度量的。最基本的几何图形是点、线、面,由线可围成平面图形,由面可围成几何体。中学几何研究的图形可分为两类,一类是直边或直面图形,例如,直线,由直线围成的三角形,由平面围成的四面体、长方体等;另一类是曲边或曲面图形,例如,圆,球等。在中学几何中,基本几何图形点、线、面之间的位置关系主要有平行、垂直、包含(如点在直线上,线在平面内,线与线、面与面重合等),由基本图形围成的平面图形之间的关系主要有全等、相似、位似等。图形的度量主要有夹角、长度、面积、体积等。

 

3.几何研究图形的方法

中学几何研究图形的方法主要有:综合几何的方法,解析法,向量几何的方法,函数的方法等。

综合几何的方法是利用几何的方法研究图形的性质,即用已知的基本图形的性质去研究组合图形的性质。这种方法的基本特点就是把复杂的图形转化为简单的图形,把空间的图形转化为平面图形。例如,把两条线段相等问题转化为两个三角形全等关系或一个三角形内两边的相等关系,空间两直线的垂直问题转化为平面上两直线的垂直(如,三垂线定理),利用三视图研究空间几何体等。在综合几何方法中,平移、旋转、对称等是研究综图形性质的基本方法。

解析几何的方法是利用代数的方法研究几何图形的性质。用解析几何方法研究图形,首先要建立坐标系,建立起“点”与“数对”之间的一一对应关系。然后是建立几何图形与方程之间的联系。再通过用代数的方法研究方程来实现研究几何图形性质的目的。值得注意的是,同一个几何图形,由于建立坐标系时坐标原点的选择不同,在不同坐标系下方程的代数表现形式是不同的,用解析几何方法研究图形时,常常需要通过代数的方法把表示几何图形的方程化成标准形式。解析几何方法很好地体现了数学中的数形结合的思想:可以用代数的方法讨论几何的问题,也可以用几何图形表示代数的性质。

向量几何的方法就是用向量及其运算来研究几何图形的位置关系和度量问题。用向量及其运算可以表示几何图形,例如,用向量表示点,用两个不共线向量的线性组合表示平面,用向量的数量积表示由一个点和一个法向量确定的平面等。用向量的运算可以研究几何图形的位置关系和度量。例如,利用向量的数乘运算、数量积运算可以刻画线线、线面、面面的平行与垂直关系,利用向量的数量积运算可以度量角度、长度、面积、体积等。用向量法研究几何图形有时比解析几何方法中的坐标法更具有优越性。这是因为,向量是自由向量,不需要选择原点,这就使得向量方法更加灵活、方便。例如,求两条异面直线的距离,用向量方法就比较简单。只要求出这两条异面直线的公垂线的方向向量,再在这两条直线上分别任意取一个点,由这两个点确定的向量在公垂线的方向向量上的投影的长度就是两异面直线间的距离。

函数的方法就是利用函数的性质,比如,单调性,来研究图形的性质。也就是说,用函数来表示几何图形,再利用函数的性质来研究几何图形的性质。这种方法与解析几何方法是一致的。

4.几何内容的设计

几何课程的设计分为两部分。一部分是将“把握图形”的能力作为指导思想,贯穿在整个数学课程的始终。另一部分是设计了相应的几何内容。

“把握图形”的能力,几何直观能力,几何(图形)洞察力,空间想象力等等,这些说法在很大程度上具有同样的含义。“把握图形”的能力或几何直观能力是利用图形生动形象地描述数学问题,直观地反映和揭示思考、讨论问题的思路,揭示丰富多彩的数学思想。几何直观在几何课程本身的学习中发挥着不可替代的作用,并且贯穿在整个数学学习中,在数学的研究中起巨大的威力也是不可替代的。将“把握图形”的能力、几何直观能力作为指导思想,贯穿在整个高中数学课程的始终,是设计几何课程的基本思想。

例如,在函数有关内容的学习中,强调函数图形的作用是贯穿始终的,要求把对函数思想的认识、函数性质的理解、函数的应用与函数图形的掌握有机地联系起来。

又如,讨论统计问题时,描述和表示数据是反映统计规律的重要手段,图形和图表是直观、生动呈现统计规律的基本方式。在高中数学课程中,介绍了直方图、扇形土、茎叶图,等等。实际上,并不限于这些图形,我们还可以选择其它的图形,选择的原则就是根据具体问题,直观地反映统计数据的规律,一目了然。

在讨论线性规划问题时,有两个关键环节,一个是对可行域(目标函数的定义域)的理解,另一个是认识目标函数的变化趋势。平面区域图形非常清晰地表达了可行域(目标函数的定义域)的特征,等高线直观地给出了目标函数的变化趋势。

框图(包括算法框图)虽然不是几何研究的对象,但是,它利用最简单的图形直观地反映了完成一项工作的逻辑关系和顺序,这正是几何给我们的一种帮助。

我们可以举出很多这样的实例,它们属于其它的数学领域,但是在研究的过程中,“几何思想”发挥了重要作用。实际上,越抽象的数学,越需要直观图形的支持。在高层次的思考中,“抽象思维”和“形象思维”是密不可分的,“形象思维”在数学上的体现就是“用图形说话”,用图形描述问题,用图形讨论问题,这是一种基本的数学素质。

培养“把握图形”能力、几何直观能力是数学课程的基本目标之一。

高中数学课程中的几何内容是分层设计的,大体上包括三大部分:一部分在必修课程中,一部分在选修1、2课程中,一部分在选修3、4的课程中。

必修课程的几何内容由三块内容组成:立体几何初步,解析几何初步,平面向量。立体几何初步,解析几何初步安排在必修课程数学2中,平面向量安排在必修课程数学4中;选修1、2课程的几何内容也由三块内容组成,圆锥曲线与方程,空间向量与立体几何。圆锥曲线与方程分别安排在选修1-1和选修2-1中,空间向量与立体几何安排在选修2-1中;在选修3、4课程中,也设置了几何的专题内容。

“立体几何初步”主要是通过直观图、三视图,认识空间的基本几何图形:柱、锥、球、台等,并以长方体为载体,认识点、线、面的基本关系和基本性质,其重点是定性地理解图形的性质、位置关系,帮助学生建立起空间想象能力、几何直观能力。一些严格的论证和定量的分析图形放在选修2中。以长方体为载体认识点线面的位置关系,有助于帮助学生通过具体的模型过渡到抽象定义,从自然语言过渡到数学语言,逐步习惯用图形的语言进行表达和思考。多角度地认识图形,从整体到局部,从局部到整体,从外到里,从里到外,特别是从整体到局部,长方体是非常好的载体。不严格地说,高中立体几何的内容都可以体现在长方体中。

“解析几何初步”的重点是帮助学生理解解析几何的基本思想——数形结合的思想。“坐标系”是解析几何基本思想的主要组成部分。“直角坐标系”是在数轴的基础上形成的概念,它可以帮助我们用“数对”表示平面上的点,建立起“点”与“数对”之间的一一对应关系,形成一座代数与几何之间的桥梁。解析几何的另一个主要思想是建立方程与曲线之间的联系。在解析几何初步中,主要是以直线与圆为载体,帮助学生理解:在直角坐标系中,每一条直线可以用形如ax+by=c的方程(或其他形式的方程)表示,满足方程ax+by=c的解组成的图像是一条直线,对于圆也有同样的性质。这些内容可以帮助学生初步形成如下的观念:可以用“方程”表示“曲线”,反之,“曲线”是“方程”的图像。在此基础上,可以用代数的方法讨论几何的问题,反之,代数的性质可以用几何图形表示,在思考解析几何问题时,这是相辅相成、不可偏废的两个方面。

在选修1、2中,都延续了解析几何的内容,设计了“圆锥曲线与方程”。圆锥曲线一直是中学课程一个重要内容,有两个重要的物理背景支持着圆锥曲线的地位。一个背景是,在我们生活的宇宙中,许多物体的运动轨迹可以用圆锥曲线、近似的用圆锥曲线表示;另一个背景是光学,大部分光学仪器都是利用圆锥曲线(面)的性质制作的。这些都是圆锥曲线成为中学数学中基础知识的理由。在数学上,研究圆锥曲线有两种方法,综合几何的方法和解析几何的方法。高中数学课程选修1、2中选择解析几何的方法。在选修4的“几何证明选讲”中,运用了综合几何的方法。圆锥曲线(圆锥曲面)又称作二次曲线(圆锥曲面),它是体现解析几何本质的最好载体。二次曲线的代数表示是二元二次方程,如何利用方程的系数确定曲线的形状,揭示这个规律成为数学的经典内容。在大学数学系的课程中,以这个内容(圆锥曲面)为核心的解析几何是最基础的课程。高中数学课程中的圆锥曲线部分主要介绍了三类圆锥曲线的标准方程,强调从几何性质到建立方程的过程。例如,从几何来说,椭圆是到两个定点距离之和为定长的点的集合,从直角坐标系的选择,到椭圆标准方程的建立;从对标准方程的分析,到得出椭圆一系列的几何性质等,较全面地展示了解析几何研究问题的过程。在高中阶段,对圆锥曲线的讨论是初步的,主要目的是进一步理解解析几何的思想。

向量是几何的一个基本内容,它既可以看作是代数的内容,也可以看作几何的内容。需要说明的是,很多内容究竟是属于代数还是属于几何,仅仅是看我们强调的方面。向量是几何对象,这一点常常容易被忽视。向量可以用来表示空间中的点、线、面。如果以坐标系的原点为起点,向量就与空间中的点建立了一一对应关系;一点和一个非零向量可以唯一确定一条直线,它通过这个点且与给定向量平行;同样,一个点和一个非零向量,可以唯一确定一个平面,它过这个点且与给定向量垂直。在高维空间中,这种表示十分有用,用向量还可以表示曲线,曲面。因此,向量可以描述、刻画和替代几何中的基本研究对象——点、线、面,从这方面来看,它是几何研究的对象。“向量是几何研究对象”,这一认识很重要。在立体几何中,可用向量来讨论空间中点、线、面之间的位置关系;判断线线、线面、面面的平行与垂直,通过向量的运算来度量几何体:计算长度、角度、面积等。因此,向量是连接几何和代数的一座天然“桥梁”,它进一步地体现了解析几何的思想,是体会数形结合思想的重要载体,在以后的学习中,这座“桥”会发挥出更大的作用。

有人认为,中学数学中引入向量,用向量来处理几何问题,是因为用向量比用综合法简单、容易。这种看法是不全面的。虽然有许多问题,用向量处理确实比用综合法简单,但也可以找到用综合法处理比用向量法更简单的问题。向量之所以被引入到中学,这是因为向量在数学中占有重要的地位。向量作为一个既有方向又有大小的量,在数学中是一个最基本的概念,而且,它有着丰富的物理背景,在现代数学的发展中起着不可替代的作用,二维向量与其运算构成了非常重要的“线性空间”的模型。是代数、几何、泛函分析等基础学科研究的基本内容。

在选修2中,设计了空间向量与立体几何的内容。希望在“理工和经济”方面发展的学生需要学习这部分内容。这部分内容的定位是“定量地”思考立体几何问题。“定量”包含两个含义。一方面,严格地讨论基本图形的位置关系,即反映点与点、直线与直线、直线与平面、平面与平面等的位置关系;另一方面,从距离、角度去定量地讨论基本图形的关系。我们知道,讨论立体几何问题有两种基本思路。一个是综合法,一个是向量法。在这里强调使用向量的方法,是因为这种方法将来应用的面更广一些。这是高中数学课程的一个变化。综合几何的方法也是很重要的,在 “几何证明选讲” 专题中,能更好地体现综合几何方法的意义。

在选修1、2的几何内容中,突出了利用解析几何的思想讨论几何问题。这样,在高中阶段,学生就初步地了解了讨论几何问题的两种方法:综合法和解析法。

选修3课程有两个专题与几何有直接的关系,它们是“球面几何”与“欧拉公式与闭曲面分类”。选修4中,与几何有直接关系的有以下专题:“几何证明选讲”,“坐标系与参数方程”,“矩阵与变换”,“统筹与图论初步”等。在其它一些专题中,例如,在“对称与群”中,对称性主要是通过图形展示的。正如前面反复强调的,几何直观,空间想象,把握图形,运用图形语言等等,都是贯穿在整个数学课程中的基本思想。

 

3.3 运算主线

对数学最朴实的理解是:数学就是“算”,即“运算”。“运算”包括两方面,一个是“运算的对象”,一个是“运算的规律”。“数”、“字母”(代数式)、“指数”、“对数”、“三角函数”、“向量”等等都是运算对象。“结合律”、“a+(-a)=0”(即加一项,减一项)、“交换律”、各种“分配律”等等都是运算规律。“运算”几乎渗透到数学的每一个角落,运算是贯穿数学的基本脉络,是贯穿数学课程的主线,在高中数学课程中,发挥着不可替代的作用。

1.对运算的认识

运算是数学学习的一个基本内容。运算对象的不断扩展是数学发展的一条重要线索。从小学开始,学生所接触的运算对象在不断地扩展,从整数到分数,从正数到负数,从有理数到实数、复数,从数到字母、到多项式等。数的运算,字母、多项式运算,向量运算,函数、映射、变换运算,矩阵运算等,都是数学中的基本运算。

从数的运算到字母运算,是运算的一次跳跃。数的运算可以用来刻画具体问题中的数量关系,解决一个一个有关数量关系的具体问题。而字母运算则可以刻画蕴涵规律的一类问题,解决一类问题。例如,a+(b+c)=(a+b)=c,就刻画了数运算的一个基本规律——结合律。同时,字母运算也是表达函数关系、刻画普遍规律的工具。从数运算进入字母运算,是学生数学学习中的一次质变,学生对运算的理解也会产生一个跳跃。

从数的运算,到向量运算,是认识运算的又一次跳跃。运算是一类映射,在代数中,最常见的运算这样的映射:A×A→A,它是二元映射,实数的加法和乘法运算就是二元映射,但是,并不是二元映射都是运算,实际上,大部分二元映射不是运算,只有满足运算规律的二元映射才可以成为运算,即代数运算。数的运算、多项式运算都是A×A→A型的代数运算,例如,就加法运算来说,它们满足结合律、由0元、a+(-a)=0,还满足分配律。在初中阶段,所有的代数内容都离不开运算,例如,代数基本公式,因式分解,方程,不等式,函数,等等。向量是可以“算”的,向量的加法、减法运算的特征是两个向量通过加法、减法运算得到第三个向量,也满足结合律、由0元、a+(-a)=0,同时满足分配律,所以,向量的加法、减法运算是属于A×A→A型的代数运算;向量的数乘运算的特征是一个数与一个向量通过数乘运算得到一个向量,它满足一系列运算规则,例如,结合律:(ab) <!--[if !vml]--><!--[endif]-->= a(b <!--[if !vml]--><!--[endif]-->)分配律:a( <!--[if !vml]--><!--[endif]-->+ <!--[if !vml]--><!--[endif]-->)等等。所以,数与向量的数乘夜是一种运算,是属于A×B→B型的代数运算;向量的数量积的特征是两个向量通过数量积运算得到一个数,同样,它也满足一系列运算规律,例如,分配律: <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]--> ( <!--[if !vml]--><!--[endif]-->+ <!--[if !vml]--><!--[endif]-->)= <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->  <!--[if !vml]--><!--[endif]-->+ <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->  <!--[if !vml]--><!--[endif]-->等等,所以向量的数量积也是一种运算,即属于A×A→B型的代数运算。向量运算不同于数的运算,它涵盖了三种类型的代数运算。与数的运算相比,向量运算扩充了运算的对象。向量运算更加清晰地展现了三种类型的代数运算的特征以及代数运算的功能,同时,向量运算具有与数运算不同的一些运算律,这对于学生进一步理解其它数学运算、发展学生的运算能力具有基础作用。因此,从数的运算到向量运算,是学生数学学习中的又一次质变,学生对运算的理解也会更上一层楼。

指数运算、对数运算、三角运算、导函数运算等,从形式上看,它们都是A→A型的映射,但是,它们满足一些运算规律,例如,指数满足: <!--[if !vml]--><!--[endif]-->等规律。通常把具有运算规律的映射称为“算子”,也有称之为一元运算。例如,求函数的导函数也是一种运算,它满足两个函数和的导函数等于先求导再求和,这是运算的规律,当然,它还满足其他的规律。这是对运算的认识是又一次飞跃。

在以后的学习中,运算对象还要进一步拓展。上述种种运算的学习,为学生今后进一步学习其它数学运算,体会数学运算的意义以及运算在建构数学系统中的作用,奠定了基础。

运算是贯穿于整个数学课程的主线之一。用这种思想认识高中的数学对提高数学素养,提高解决问题的能力是非常有用的。义务教育阶段数学课程中的运算主要是数的运算和代数式的运算,高中阶段的运算除了数的运算和代数式的运算外,还有向量运算,指数运算、导函数运算等函数运算以及矩阵运算等。

2.运算的作用

1)运算与推理

运算本身是代数研究的重要内容,项武义教授认为代数问题就是运用运算和运算法则解决的问题,这样概括是有道理的。在某种意义说,在中学阶段,解方程问题,解不等式问题,一些函数性质的研究,等等,都是代数问题。代数问题的基本特点是不仅要证明在什么条件下“解”存在,而且,要把“解”具体地构造出来,这是一种构造性的证明,运算和运算律是构成代数推理的基本要素。例如,讨论二元一次方程组时,不仅要证明在什么条件下二元一次方程组无解、有解,而且,还会把“解”具体地构造出来;又如,利用向量证明问题时,可以把要证明的问题结果“算”出来。

在运算过程中,每一步运算所依据是运算规律,运算规律的作用类似于几何证明中的公理,它是代数推理的前提和基本依据。运算过程本身就是代数推理的过程。因此,运算与推理有着密切的联系,可以说,运算也是一种推理,运算可以“证明问题”,这是高中数学学习需要“留给学生”的最重要的思想,因此,运算的学习对于培养学生的逻辑推理能力同样具有重要作用。

2)运算与算法

在一定意义下,算法是通过计算机解决问题的,算法由计算机实现,构成算法的基本要素是运算。计算机能完成的运算主要包括:算术运算(+、-、×、÷),逻辑运算(与、或、非等),关系运算(<、>、=、≤、≥、≠等),函数运算,等等。因此,运算是算法的基本要素,算法的设计要以运算和运算律为依据。使用各种运算和运算规律对于理解算法、选择算法、优化算法具有重要作用。

算法与证明的关系,我们参考算法的论述。

3)运算与恒等变形

在解决数学问题的过程中,需要进行有各种各样的恒等变形,把复杂问题变成简单问题,例如,在解决一元二次方程时,我们通过配方方法,实现了降幂的目的,把一元二次方程变成一元一次方程,配方就是通过恒等变形完成的,这些恒等变形是通过反复利用运算规律实现的。又如,在三角函数等内容的学习中,无论是证明,还是求解,都是在运用各种三角函数基本运算法则进行恒等变形,通过恒等变形把我们不会解的问题变成我们会解的问题。因此,运算和运算法则的学习,对于理解恒等变形的原理,提高恒等变形的能力是非常重要的。

3.运算内容的设计

在高中数学课程中,主要有几部分内容集中的介绍了运算:指数运算;对数运算;三角函数运算;向量运算,包括平面向量和空间向量;复数运算;导数运算;等等。

高中数学课程在必修数学4和选修2-1中安排了平面向量与空间向量的内容;在选修1-2和选修2-2中安排了数系扩充与复数引入的内容;在必修课程的指数函数、对数函数、三角函数中也安排了有关的运算,在选修1、2课程的导数及其应用中还有安排了导函数运算的内容。

向量进入中学,这是中学课程的一个重大的变化,向量是一个重要的运算对象,向量的加法、向量的减法是向量自身的运算,向量的数乘是两种运算对象的运算,向量与向量的数量积是一种新的运算形式,它们蕴含着一些运算的规律。从代数上来说,向量极大的丰富了运算规律,使得我们对运算的认识提高到一个新的水平。(V , R, + ,·)构成了代数的新的运算模型,它是线性空间最生动的范例。(V, R,+,.,║║)构成了代数与拓扑密切联系的模型,它是泛函分析中线性赋范空间最生动的范例。还要特别指出的是,尽管向量的内涵很丰富,但是,作为数学研究对象来说,它还是简单、易懂并且容易掌握的。用向量解决几何问题,充分体现了运算的作用。运算在研究其他数学问题中也发挥重要的作用。

保持运算的封闭和保持基本运算法则成立是数系扩充的动力之一。例如,为了保持除法的封闭性,促使我们从整数拓展到分数;为了保持减法的封闭性,促使我们从正数拓展到负数;保持开方等运算的封闭是促使实数系扩充到复数系的原因之一。每进行一次数的拓展,我们都须讨论:在新的数中,原有的数所保持的运算规律,在新的数中是否保持?例如,从正数拓展到负数,为了保持乘法对加法的分配律成立,我们需要定义:(-1) <!--[if !vml]--><!--[endif]-->1=-1,1 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->(-1)=-1,(-1) <!--[if !vml]--><!--[endif]-->(-1)=1。复数保持实数的运算规律,如,加法、乘法的结合律、交换律、乘法对加法的分配律等。但是,实数是有序的,任意两个实数都可以比较大小,故实数是有序域,复数不能比较大小,复数不是有序域。

在高中课程的其他内容中,也渗透了一些其他的运算对象和运算规律,例如,在指数、对数、三角函数等内容的学习中,蕴含着一些新的运算法则。掌握这些特殊的运算规律,是理解相关的数学概念的基础。

指数运算满足的最基本的运算律是 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->,若用 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->表示指数函数,即 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->= <!--[if !vml]--><!--[endif]-->,则上述性质可表示为 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->。这一运算规律表明指数运算把加法运算变为乘法运算,这正是指数增长快的原因。指数函数的性质,特别是指数增长的性质就是由这一运算律决定的。指数运算的运算律还有: <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

对数运算满足的最基本的运算律是 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->,若用 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->表示对数函数,即 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->= <!--[if !vml]--><!--[endif]-->,则上述性质可表示为 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->。这一运算律表明对数运算把乘法运算变为加法运算,这正是对数增长慢的原因。对数函数的性质特别是对数增长的性质就是由这一运算律决定的。对数运算的运算律还有: <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->(其中, <!--[if !vml]--><!--[endif]-->)。运算律 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->表明了对数运算与指数运算的关系,即对数运算与指数运算互为逆运算。因此,对数函数与指数函数互为反函数。

三角运算,以正弦运算为例,它所满足的基本运算律是 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->。正弦函数的性质就是由这一运算律决定的。

导函数满足的基本运算律是: <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->。后两个运算律是导数运算所特有的,它与指数运算、对数运算的运算律不同。

 对于上述运算与运算律的学习都会有助于学生理解运算的意义以及运算律对于研究运算的重要性。

 

3.4 算法主线

算法也是设计高中数学课程的一条主线。有三方面的问题应该特别注意:算法的基本思想,算法的基本结构,算法的基本语句。

算法教学应该采用“案例教学”,从具体的学生熟悉的实例出发,在具体的情境中、在处理具体问题过程中,使学生理解:算法的基本思想,算法的基本结构,算法的基本语句。

1.算法的作用

“计算机既是数学的创造物,又是数学的创造者”,而算法既是计算机理论和实践的核心,也是数学的最基本内容之一。甚至有人说,数学学习的主要作用是形成“算法思维”。算法有着悠久的发展历史,中国古代数学曾经以算法为特色,取得了举世瞩目的辉煌成就。在已经逐步进入信息化社会的今天,算法的基本知识、方法、思想日益融入人们社会生活的方方面面,已经、也应该成为现代人所应具备的一种基本素质。

算法已经成为很多学科的基础。

高中数学课程中的算法有以下几个方面的作用。

1)算法学习能够帮助学生清晰思考问题、提高逻辑思维能力

我们常常说数学是思维的体操,能够训练学生的思维能力。算法作为数学的一个基本内容,可以帮助学生清晰地思考问题,提高逻辑思维能力。

       在某种意义上,问题是数学的核心,对于很多数学问题,不论是代数问题还是几何问题,算法框图可以准确、清晰、直观地展示解决问题的过程;算法程序可以借助计算机帮助我们具体地解决问题,得到需要的结果。一个算法常常可以解决一类问题。因此,算法,一方面具有具体化、程序化、机械化的特点,同时又有高度的抽象性、概括性和精确性。将解决具体问题的思路整理成算法的过程是一个条理化,精确化和逻辑化的过程,有助于培养学生的逻辑思维能力。

       我们学过一元一次方程的求解,任意给一个一元一次方程,比如3x+5=0.我们都会求解这样的方程。它的解是:x=-5/3.

计算机能够帮助人完成很多工作,但是计算机毕竟和人脑有着本质的区别,它是机械的,在没有指令的情况下,它是不会思维的,不能进行任何判断。算法是连接人和计算机的纽带,人的思维过程,判断过程都可以通过算法体现出来,并作为指令教给计算机去完成。

比如,我们需要写一个算法让计算机来解方程:

ax+b=0

其中参数由键盘任意输入,让计算机输出结果。

我们能说凡是这样的方程就让计算机输出:“x=-b/a”就可以了吗?显然,这是有问题的,因为当a=0的情形下,这种输出是错误的,也就是说,我们需要分情况讨论:

<!--[if !supportLists]-->1)  <!--[endif]-->输入a,b;

<!--[if !supportLists]-->2)  <!--[endif]-->若a≠0,则输出x=-b/a;

如果a=0呢?实际上方程变成了b=0,这样的方程的解又是什么呢?看来还要看看参数b,若b=0,则方程为0=0,若b=5,则方程为5=0,这两种情形显然是不一样的,前者的解是任意实数,而后者则是无实数解,因此继续我们的算法:

3)若a=0(还要对b进行讨论):

<!--[if !supportLists]-->(i)     <!--[endif]-->若b=0,方程的解是全体实数;

<!--[if !supportLists]-->(ii)   <!--[endif]-->若b≠0,方程没有实数解。

为什么对于这样一个看似简单的方程还有这么多门道呢?因为,作为一个算法必须是精确的,任何人按照(包括计算机)这个步骤执行都能得到这个问题的求解。

从以上例子可以看出,书写一个算法的过程是一个思维的整理过程,是一个精确化、条理化的过程。给出一个算法,实际上是给出了一种实现的方法,就是一种构造性的证明或论证。因此,算法的学习有助于培养学生的逻辑思维能力。

用算法思想学习和认识数学对于提高数学素养也是很有用的。在高中数学课程实验的过程中,算法课程学生很受欢迎的。学习算法,不仅提高了学生的逻辑思维能力,并且很容易把这样的思维习惯迁移到日常生活中,这正是数学教育所期待的。

 

2)算法学习有助于学生全面的理解运算

        很多时候,人们存在一些误解,认为只有几何中才有证明,代数中“没有证明,认为运算就是按照各种运算法则进行加、减、乘、除,从而学习运算就是背诵书本中给出的计算法则,形成一些基本的计算技巧,也就是说,能够根据熟记的法则,迅速的计算出给定式子的正确答案。算法可以帮助我们改变这种误解。每一个算法都是一个证明——构造型的证明,著名数学家吴文俊提出的“机器证明”就是通过算法实现的,在信息时代,这种证明将会受到越来越大的重视。“运算”是实施这种证明的手段,只有这样计算机才能帮助我们。

        

3)算法学习有助于提高学生的信息素养

信息技术正在改变着人们的生活方式、学习方式和工作方式。掌握和使用信息技术已是现代人必备的素养。在高中数学课程中也开设了信息技术课程。信息技术以计算机技术为核心,而计算机技术的核心则是算法。因此,算法的学习有助于学生理解信息技术的本质,提高学生的信息素养。

 

2.算法的基本思想

算法的基本思想是指按照确定的步骤,一步一步去解决某个问题的程序化思想。在数学中,完成每一件工作,例如,计算一个函数值,求解一个方程,证明一个结果,等等,我们都需要有一个清晰的思路,一系列的步骤,一步一步地去完成,这就是算法的思想,即程序化的思想。以前,在高中数学课程中没有给出“算法”这个名词,但是,我们却熟悉许多问题的算法,一直在利用算法的思想。例如,我们知道解一元二次方程的算法,求解一元一次不等式,一元二次不等式的算法,求解线性方程组的算法,求两个数的最大公因数的算法,等等。

更具体地说,解一元一次方程(t(ax+b)=cx+d)的算法概括起来可以是:去去括号→移项→合并同类项→用未知数的系数的倒数乘方程的两端。这是求解一元一次的步骤,也是求解的算法。

 

3.算法的基本结构

算法通常包括三种基本结构,这三种基本结构是:顺序结构、分叉(选择)结构、循环结构。

 

1)顺序结构。

顺序结构的算法的操作顺序是按照书写顺序执行的。

比如,设计一个算法,以确定给定线段AB的4等分点.解决这个问题的算法如下:

1)从已知线段的左端点A出发,作一射线;

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

2)在射线上任取一点C,并作线段CE=EF=FG=GD=AC,那么线段AD=4AC;

3)连接DB;

4)过C作B D的平行线,交线段AB于M,这样点M就是线段AB的3等分点.

像这样的算法就是一个顺序结构的算法,只要按照书写顺序完成以上四个步骤,就能得到线段AB的4等分点。

2)分叉(选择)结构。

选择结构的算法是根据指定的条件进行判断,由判断的结果决定选取执行两条分枝路径中的一条。

比如,求三个数的最大数的算法就是选择结构。解决这个问题的算法如下:

1)输入变量:x,y,z;

2)max:= x;

3)比较max和y:如果max<y,则max:= y.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->4)比较max与z:如果max<z,则max:= z,

5)输出max.

在这个算法中,我们根据与变量max比较的不同的结果决定后面的操作。

 

(3)循环结构。

循环结构的算法要根据条件是否满足来决定是否继续执行循环体中的操作。

比如,上面求三个数中的最大数,我们进行了两次比较,假如我们要找出100个数中的最大数,按照上述算法就需要比较99次,算法步骤就是101步.既不便于书写,也不便于阅读.解决这个问题就需要利用循环结构了,对于求100个数中的最大数的问题,相应的算法可以用下列流程图来表示:

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

像这样的算法控制结构我们称为循环结构。

在循环结构中,函数思想发挥着十分重要的作用,在前面函数的论述中,我们已经详细地作了讨论。

 

 

4.算法的基本语句

我们知道,描述算法的语言是很多的,例如,basic 语言,q-basic 语言,c-语言,等等。在高中的数学课程中,不要求学习具体的算法语言,仅仅需要了解这些语言中的一些共同的基本语句:输入语句,输出语句,赋值语句,条件语句,循环语句。在不同的语言中,这些语句的表示可能不一样,高中数学课程要求采用公认的统一表示,称为“伪代码”。这是因为很容易把伪代码翻译成任何一种算法语言。

例如,输入输出语句

      输入ε

      输出 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

      赋值语句

      a :=5

      b :=-1

      条件语句

If

then 跳出repeat 循环;

else if

then b:=

else a:= 

      循环语句

repeat

If

then 跳出repeat 循环;

else if

then b:=

else a:= 

until b-a < ε

 

在高中数学课程中,是通过以下几个步骤,介绍算法的基本思想和基本知识的。

               用自然语言描述算法;

               用框图语言描述算法;

               用基本语句(伪代码)描述算法。

               有条件的地方可以使用程序语言描述算法,并上机操作。

 

5.算法内容的设计

在高中数学课程中,算法内容的设计分为两部分。

一部分主要介绍算法的基础知识,可以称作算法的“三基”:算法的基本思想,算法的基本结构,算法的基本语句。这部分内容安排在必修数学3中,主要是通过一些具体的案例介绍算法的基本思想,使学生了解:为了解决一个问题,设计出解决问题的系列步骤,任何人实施这些步骤就可以解决问题,这就是解决问题的一个算法。这是对算法的一种广义的理解。对算法的理解,更多地是与计算机联系在一起,计算机可以完成这些步骤。

另一部分是把算法的思想融入相关数学内容中。实际上,算法思想是贯穿在高中数学课程始终的基本思想。例如,用二分法求方程的解;求点到直线的距离、点到平面的距离、直线到直线距离;立体几何性质定理的证明过程;一元二次不等式;线性规划等内容中,都运用了算法思想。

 

3.5 统计概率主线

目前我们的社会已经进入了信息时代,信息的主要载体是数据。收集数据、整理数据、分析数据、从数据中提取有用信息、利用数据中的信息说明问题等等,这些已经成为人们的基本素质和能力。这些变化必然会直接影响到数学课程的设置。概率与统计是在1958年前后,进入中国大学数学课程。几经反复,到了文化革命以后,概率与统计在大学数学课程中,站住了脚,同时,也渗透到其它相关学科中,在大学,相当多的专业都需要开设统计概率课程,例如,在生物学科中,学习统计也成为了重要的课程。这是一个重大的变化。

在传统的大学概率统计课程中,概率的分量大于统计,或者说在这些课程中是重概率。随着时代的发展,统计在社会发展中的作用越来越大,在大学的概率统计课程又发生了新的变化,近年来,在数学与应用数学专业中,统计概率课已经成为基础课,它与数学分析、高等代数、解析几何、普通物理、数学建模、计算机基础都成为基础课。在概率统计课程中,课程内容的结构也发生了变化,统计的分量大大的加强了。

这种变化也影响到了中小学的课程,现在中小学的课程中统计概率的内容大大的增加,这已经成为国际中小学数学课程发展的趋势。

<!--[if !supportLists]-->1.       <!--[endif]-->数据处理的能力

统计思想主要体现在把握数据的能力,养成会用数据“说事”,收集数据,整理数据,分析数据,从数据中提取信息,并利用这些信息说明问题,在这个过程中,形成对数据意识,养成会用数据“说事”的习惯。这种能力已经成为高中数学课程要培养学生形成的一个基本能力。

<!--[if !supportLists]-->2. <!--[endif]-->统计注重过程

    必修的统计课程的定位是对统计有一个初步的认识。通过案例体会统计的全过程:收集数据、利用图表整理和分析数据、求出数据的数字特征、进行统计推断。在这个过程中,进一步体会随机思想和统计的重要性。

无论是在必修课程中,还是在选修1(2)课程中,统计教学都注重过程,解决一个统计问题,常常需要我们通过收集数据,整理数据,分析数据,从数据中提取信息,并利用这些信息说明问题。在选修1(2)课程中,我们介绍了几种常见的统计案例,也希望通过这些常见的案例分析能够进一步体会统计的全过程。

<!--[if !supportLists]-->3. <!--[endif]-->统计采用的案例的教学方式

对于统计内容的教学,采用案例的教学方式是统计教学的基本教学方式。统计方法看起来不难,但是理解起来还是有困难的,通过大量的具体案例来可以帮助理解。在统计课程中,通过对案例的学习体会数据处理的过程和思想。

4.统计是一种归纳的思维

    处理统计问题的思维方式和传统的数学思维方式有所不同,它是一种归纳的思维方式,传统的数学思维更强调演绎。在统计教学中,通过收集数据、利用图表整理和分析数据、求出数据的数字特征、进行统计推断,这个过程是通过对数据的处理,归纳出数据特征的过程。在统计教学中,教师应帮助学生学会归纳的思考问题,这也是统计教学的基本目标之一。

<!--[if !supportLists]-->5. <!--[endif]-->随机的思想

随机思想是概率的重要概念,是认识随机现象和统计规律的重要思想,随机思想渗透在统计的过程中,这两部分内容联系非常紧密,在中小学阶段,统计的分量要更大一些。在高中阶段,随机思想和统计思想的介绍分为两部分,在必修中,设计了概率初步和统计初步的内容;在选修1-2和选修2-2中,设计了统计案例;在选修2-3中,设计了对于概率的进一步理解,理解随机变量和一些离散的随机变量模型。

6.统计中的随机思想

在统计的教学中,应该注意培养学生的随机思想,例如,解决统计问题的第一个步骤是收集数据,我们有不同的方法来收集数据,无论是随机抽样,还是分层抽样,等等,都渗透着随机的思想。随机思想是理解统计问题的一个基本思想。

3.6 数学应用主线

1.对应用的认识

1)发展学生的应用意识的背景。

发展学生的应用意识是数学科学的发展的要求。20世纪中叶以来,由于计算机和现代信息技术的飞速发展,使应用数学和数学应用得到了前所未有的发展,数学渗透到几乎每一个学科领域和人们日常生活的每一个角落。人们越来越认识到“高科技本质上是数学技术”(David) 、“数学已经从幕后走到了台前,在许多方面直接为社会创造价值”(姜伯驹)。数学应用的巨大发展作为数学发展的显著特征之一,数学发展的这些变化,必然会影响到数学课程,包括大学、中校、小学的数学课程。例如,在大学数学与应用数学专业的基础课程中,“数学建模”成为基础课,这门课程主要是培养学生英语的能力。在中、小学的课程中,也应该体现数学的这些变化,我们应该从小培养学生的应用意识,使学生对数学有一个比较完整的了解,树立正确的数学观。

发展学生的应用意识有助于培养学生的创新能力。应用问题是发展学生应用意识的重要载体。一方面,应用问题提供了丰富的背景,这些背景是不断变化的,很难用固定的模式进行分类。一般来说,对于不同的应用问题需要做出不同的分析和思考。另一个方面,解应用问题或应用数学解决实际或其它学科问题,并不像解数学习题,很多时候结论是在探索过程中逐渐形成的,有时需要提出一些猜想,在探索过程中不断地检验、修改猜想、改进解决问题的思路。因此,解决应用问题、培养应用意识有助于培养学生的创新能力。

发展学生的应用意识是培养学生兴趣的需要。学生对数学的兴趣往往来自不同的方面。有的人因为严格的数学证明而对数学产生兴趣,也有的人则是因为数学的广泛应用而对数学产生兴趣。因此,在中学,引入应用问题、培养应用意识,也是培养学生的数学兴趣的需要。

发展学生的应用意识是培养学生自信心的需要。在数学教学中,有一些学生不擅长从概念到概念的抽象数学理论的学习,但却擅长从实际问题出发理解数学。在教学中,尊重学生的这种差异和喜好,为学生提供应用数学的机会,将会使不擅长从抽象数学理论的学习的学生也能体验到成功,从而树立学好数学的自信心。

2)高中数学教学中存在的问题

我国数学教学中,比较突出的一个问题是忽视数学的应用,忽视数学与其他学科以及与日常生活的联系,忽视培养学生的应用意识。我国在很长一段时期内,数学教育界过分强调“数学是思维的体操”, 把数学应用斥之为“实用主义”、“短视行为”, 1995年以后,虽然数学应用的呼声渐高,但是数学课程中对数学应用的重视程度还是比较弱。由于数学课程与教学中对数学应用的忽视,学生在数学学习中,认识不到数学的应用价值、数学与日常生活以及其它学科的联系。

3)高中数学课程中如何体现数学的应用价值

对于数学应用存在着一个误解,认为只要数学学好了, 自然就会应用。实际上,培养学生数学应用的意识是一件很不简单的事情,它绝不是知识学习的附属产品,应该使学生学到必要的数学应用知识和受到必要的数学应用的实际训练,否则强调应用意识就会成为空洞的说教,这是一项并不容易的任务,它牵扯到转变观念、改变课程安排等多方面因素,需要认真研究和推行。

为了发展学生的数学应用意识,《标准》强调数学概念形成的背景,重视介绍数学知识发生发展的来龙去脉;注重帮助学生学会运用数学语言去描述周围世界出现的数学现象;开展“数学建模”的学习活动,注重帮助学生体验数学在解决实际问题中的作用;设立体现数学某些重要应用的专题课程,鼓励教师和学生收集数学应用的事例,加强数学与日常生活及其他学科的联系,拓展学生的视野,使他们体会数学的应用价值。

数学的应用有大的方面的应用,例如,数学在天文、物理、化学中的应用等,这些也需要学生了解。同时,数学还有大量的在其它学科中的具体应用。而且,往往这些学科又为数学提供了现实背景。数学与其它学科的这种天然的联系为数学的应用开拓了广阔的空间。用数学解决其它学科中的问题,体现了数学的应用;以其它学科为背景,抽象出数学概念、理论,也体现了数学的应用。例如,向量在物理学中有着广泛的应用,而物理学又为向量提供了现实背景。在教学中,有时老师们往往会讨论向量与力教学的顺序问题。其实,哪个在先都可以。如果,先学习了向量,再学习力,那么就可以用向量的知识帮助理解力、解决力学中的问题,这是数学在物理中的应用的体现。如果,先学习了力,再学习向量,那么,就可以以力为背景,借助力去理解向量,建立向量的理论,这也是数学应用的体现。

此外,还需要掌握一些基本的在日常经济生活中应用的数学模型,例如,数列模型等。数列作为一类特殊的函数有着广泛的应用。例如,在我们日常经济生活中的存款、贷款、购物(房、车)分期付款、保险、资产折旧、商家返卷等等几乎所有经济问题都可以归结为数列模型,它们都可以用等差数列和等比数列模型来刻画。因此,在人们的日常经济生活中,等差数列、等比数列是刻画日常经济生活有关规律的基本数学模型。掌握这些模型,对于学生解决应用问题、发展应用意识无疑是非常重要的。

 

2.应用的层次

对于高中课程中数学的应用,可以分成三个层次来理解,分别是:知识的背景和对实际问题的数学描述;对数学模型的认识和在实际中的直接应用;经历数学建模的过程。

1)知识的背景和对实际问题的数学描述

在高中数学课程中,学习了一些重要的数学概念,例如,函数、数列、算法、

统计、概率、向量、线性规划、圆锥曲线、计数原理、导数等等,这些概念都有着丰富的实际背景,了解这些实际背景对于理解和应用这些数学概念是非常重要的,可以使这些抽象的数学概念变得生动、具体。下面我们通过一些实例来说明。

例如,函数有丰富的实际背景,出租车的计价、邮局寄包裹的计费都是分段函数的实际应用;考古学中也应用到了指数函数的性质;简谐振动的数学模型就是三角函数;平抛运动抽象为数学模型就是二次函数。

例如,储蓄中的单利问题是等差数列模型,复利问题是等比数列模型。

例如,算法中的取最小值问题,排序问题都是实际中常见的。

例如,生活中的掷硬币决胜负、抽签决定出场次序都是概率模型在生活中的应用。

例如,在研究力和速度时,向量就是很好的模型。

例如,宇宙天体的运行轨道、铅球出手后的运动轨迹、汽车的广角灯等,都是圆锥曲线模型在实际中的应用。

通过这些实际例子,可以帮助我们更深刻的理解数学中的重要概念,有了对于这些重要概念(模型)的本质理解,就可以更好的用这些模型来刻画(描述)实际问题。

 

2)对数学模型的认识和在实际中的直接应用

近年来数学界特别强调模型的思想,对数学模型的认识在数学学习中是非常重要的,例如,在高中阶段,函数是刻画日常生活规律的一个重要模型,指数函数、对数函数、分段函数等等在实际中的广泛应用具体地体现了函数模型的重要。对高中课程中所体现的重要的数学模型作一个梳理是很有必要的,很多实际中的问题就是这些模型的直接应用。例如,等差等比数列模型就是储蓄贷款中经常用到的数学模型。

3)经历数学建模的过程

10年来的中学数学建模活动的实践充分证明了,让学生经历数学建模活动有利于发挥数学建模的教育功能,培养学生的数学观念、科学态度、合作精神;激发学生的学习兴趣,培养学生认真求实、崇尚真理、追求完美、讲求效率、联系实际的学习态度和学习习惯;其次,数学建模可以为学生创设一个学数学、用数学的环境,为学生提供自主学习、自主探索、自主提问的机会,为不同水平的学生提供展现他们创造力的舞台,提高他们应用所学的数学知识解决实际问题的能力。基于实践和理论两方面的原因数学建模于2003年正式写入《普通高中数学课程标准(实验)》,这是数学教育改革的标志之一。

在《普通高中数学课程标准(实验)》中明确说明了,数学建模与数学探究、数学文化一起作为贯穿于整个高中数学课程的重要内容,不单独设置,渗透在每个模块或专题中。高中阶段至少各应安排一次较完整的数学建模、数学探究活动。[1]

数学建模是数学学习的一种新的方式,它为学生提供了自主学习的空间,有助于学生体验数学在解决实际问题中的价值和作用,体验数学与日常生活和其他学科的联系,体验综合运用知识和方法解决实际问题的过程,增强应用意识;有助于激发学生学习数学的兴趣,发展学生的创新意识和实践能力。

数学建模涉及到多方面的问题:数学建模问题的选择、数学建模中的合作学习、数学建模中信息技术的使用、对学生数学建模活动的评价等等问题。这些问题都是需要一线教师和数学教育研究者共同努力来解决和完善的。

前面我们讨论了高中数学课程中几条主线,函数,几何、运算、算法、统计概率、应用等,这些都是贯穿在高中数学课程始终的东西,构成高中数学的基本脉络,这些主线之间不是两两不交的,它们之间联系密切像一张无形的网把高中数学课程的所有内容有机地联系起来。

例如,对于指数和指数函数的认识,运算和函数是支撑这部分内容的两个基点,当我们分析指数函数性质时,就要不断地运用指数的运算规律,从另一个方面来说,指数函数是一个特殊的映射,具有某些运算规律的映射,这样的映射通常称为“算子”,因此在对指数和指数函数的学习过程中,应该紧紧地抓住运算的思想和函数的思想,这样就可以形成对这部分内容的整体认识。

又例如,对向量的认识也有三个基点,一个是把它看作代数的,掌握它的运算规律;另一个是把它看作几何的,掌握它刻画几何图形的特点和规律。这样向量就成为了连接代数和几何的天然桥梁;在重视两个基点的同时,我们还要考虑它的物理背景,这是另一个基点,仅以力学为例,在力学中有两种基本的量,一种是标量,一种是矢量,向量就是以矢量为背景的数学概念。从这样三个角度来认识向量,才能更好的理解向量的本质发挥向量的作用。

抓住这些主线所构成的知识网,就可以更好地把握高中数学课程,了解实质,提高教学和学习的效率,当然,也会提高解题能力,应考能力。学习高中课程应该这样,在以后的大学学习、在工作中学习,也应该这样。著名数学家华罗庚先生常常说“既要能把书读厚,又能把书读薄”。读厚,就是要把每一逻辑关系,每一个细节搞清楚,想清楚;读薄,就是能抓住课程的主线,基本脉络,抓住课程的内在联系,形成整体认识。现在,我们的中学教师非常重视细节,这是好的传统,应该保持,整体是另一方面,也必须重视,在一定程度上,更为重要。

 

必修一

以函数的单调性为例:

单调性虽然是函数的重要性质,但对它的认识、研究是个漫长的过程。

    《数学1》中介绍函数单调性的定义,并通过定义,判断简单函数的单调性,然后讨论了指数函数、对数函数、冪函数的单调性

《数学4》中介绍正弦函数、余弦函数、正切函数时,进一步研究了函数的单调性

《选修1-1》(《选修2-2》)中用导数作为工具,研究了一般函数的单调性,主要是三次多项式函数的单调性。如果在《数学1》中就让学生用函数单调性的定义,讨论三次多项式函数和一些复杂的函数的单调性。那么,我们可以肯定地说,教师对教材整体的把握方面存在很大的问题。

以复合函数为例:

在《数学1》中没有明确提出“复合函数”的概念,明确提出“复合函数”的概念是在《选修2-2》第一章“导数及其应用”中,在教学中若出现类似问题,我们应该怎么办?

例如:(《数学1》第19页例1(3)),已知函数

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->  (3)当a>0时,求f(a-1)的值。

在《数学1》中遇到类似的问题,我想更多地应从函数概念本身出发:

既然  <!--[if !vml]--><!--[endif]-->  ,

那么 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->    不一定非要给出“复合函数”的概念。从 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->  , <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的角度出发,按照 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->方式,求 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的值是不可取的。

如果在《数学1》中明确给出“复合函数”的概念,教师在这方面再做些拓展,出现类似f(g(h(i(x))))等问题,学生的负担必将会很重。

以立体几何初步中对推理论证为例:

《数学2》“第二章  点、线、平面之间的位置关系”中关于“直线与平面平行、平面与平面平行、直线与平面垂直、平面与平面垂直”四个判定定理只要求归纳得出,它们的严格证明在“《选修2-1》第三章   空间向量与立体几何”中给出,突出向量工具的作用。

“三垂线定理及其逆定理”只是在“《选修2-1》第三章   空间向量与立体几何”出现,并用向量方法证明。不要求运用“三垂线定理及其逆定理”进行推理证明,有关垂直的证明原则上用空间向量及其运算为工具进行解决。在《数学2》中既没有出现“三垂线定理及其逆定理”,更没有具体的要求。

以一元二次不等式为例:

高中“大纲教材”在第一册(上)“第一章  集合与简易逻辑”中有一元二次不等式及其解法的内容,现在“一元二次不等式”的内容放在《数学5》中,之所以这样,是考虑到现在强调“函数是描述客观世界变化规律的重要数学模型”,讲还是的背景、函数的性质、函数的应用,对求函数的定义域、值域的要求不高,况且结合实际问题求函数的定义域、值域都是显而易见的。如果在求函数的定义域、值域方面出现过于繁琐的技巧训练,“一元二次不等式”前置,教学内容增加了,运算量增加了势必影响对函数概念本身的认识,这也是“一元二次不等式”内容后置的有关重要原因。

二分析法是这次高中数学课程改革新增加的内容,引入二分法的主要目的是加强函数与方程的联系,它是求方程近似解的一种方法。由于二分法中算法思想非常明确,在《数学1》中介绍二分法,可以为讲解“算法”内容提供重要的素材,介绍二分法时,教师心中始终要有整个高中数学课程的框架。

对知识内容的要求,本身有了解、理解、掌握、灵活运用等层次。

例如:关于“反函数”

对反函数的处理,《标准》“只要求以具体函数我例进行解释和直观理解,不要求一般地讨论形式化的反函数定义,也不要求求已知函数的反函数”,“知道指数函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->与对数函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->互为反函数( <!--[if !vml]--><!--[endif]-->)”,至于“互为反函数的两个函数的图像关于直线y=x对称”更不作为要求。

关于反函数,《标准》和教材的要求非常明确,不要拓展内容,不要提高要求。尽管很多教学经验丰富的老师,对这部分内容非常熟悉,驾驭起来也非常轻松,但应适可而止。

关于“冪函数”

冪函数在高中数学课程教材中反反复复地出现,上一轮高中大纲教材没有提出“冪函数”的概念,这次高中新课程中又一次提出冪函数的概念。其实,教师和学生对冪函数并不陌生,正比例函数y=x,反比例函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->,最简单的二次函数 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->都是冪函数,现在只不过是给出了冪函数的形式化定义,且只讨论指数是1,2,3,-1,1/2的冪函数,给出它们的图像,了解它们的变化情况, <!--[if !vml]--><!--[endif]-->是新的内容,在《选修1-1》(<选修2-2>)的“导数及其运用”中会对 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->有更深入的研究;从“圆锥曲线与方程”的角度看, <!--[if !vml]--><!--[endif]-->是抛物线的一部分。在《数学1》中,对冪函数的要求很低,主要是结合它们的图像,了解它们的变化情况,并与指数函数、对数函数进行比较,比较它们的增长差异。

关于“函数模型及其应用”

首先要对“数学模型”有个正确的认识。《标准》中多次提到“数学模型”一词,目的是进一步加强数学与现实世界的联系。

数学模型是把实际问题用数学语言抽象概括,再从数学角度来反映或近似地反映实际问题时,所得出的关于实际问题的描述,数学模型的形式是多样的,它们可以是几何图形,也可以是方程式,函数解析式等等,实际问题越复杂,相应的数学模型也越复杂。当数学模型的形式是函数时,这时,我们称之为函数模型,函数模型的表现形式也是多样的:解析式、图像、表格等。

本次高中数学课程改革把“发展学生的数学应用意识”作为课程的基本理念之一,提出“高中数学课程应提供基本内容的实际背景,反映数学的应用价值”。教材努力贯彻上述精神,在数学教材中“讲背景、讲数学、讲应用”。应该说,函数模型的建立及其应用贯穿于整个高中数学课程教材的始终,分层次、分步骤,螺旋安排,逐步深入。在《数学1》、《数学4》的“三角函数”、《数学5》的“数列”以及《选修1-1》(《选修2-2》)的“导数及其应用”中都有函数模型及其应用的内容。

如通过丰富实例,引入函数概念;通过具体实例,了解简单的分段函数,并能简单应用;通过具体事例,了解指数函数模型的实际背景,直观了解对数函数模型所刻画的数量关系;在解决简单实际问题的过程中,体会指数函数(对数函数)是一类重要的数学模型;收集一些社会生活中普遍使用的函数模型(指数函数、对数函数、冪函数、分段函数)实例,了解函数模型的广泛应用等等。

有的教师反映《数学1》“第三章  函数模型及其应用”教学要求偏高,情景阅读量大,呈现方式过长,教师和学生理解的难度都很大。在具体的教学中,如何把握函数模型及其应用的要求?

怎样正确认识 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->的有关问题?

教师普遍反映,把考古中所用的 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->衰减问题作为问题之一,引入指数以及指数函数,篇幅过长,背景很陌生,解析式中的数值很大,图像不容易画,教师和学生的理解难度都很大。严格来讲, <!--[if !vml]--><!--[endif]-->不是指数函数,通过细胞的分裂,引入指数函数,既简洁又清楚,为什么要选这个问题?而且在“对数函数”的例6中才详细地讲述 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->衰减问题的细节。

教师的反映很有道理,从顺序上看,把“对数函数”的例6中讲述 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->衰减问题的细节前移到指数函数的引入问题中比较恰当。选择它作为      指数函数的引入问题之一,一则是《标准》中提到这个例子;二则用这个例子把指数函数、对数函数“串”起来;三则强调函数模型的作用和价值,背景和应用两方面都需要加强,教师和学生确实需要一个适应的过程,对背景的复杂度、应用问题的难度要有充分的思想准备。

当然,从引入问题的简洁、清晰的角度讲,细胞的分裂是个很好的例子。这也是引入指数函数的一种方式,与 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->问题相比,各有侧重,不能简单地说哪个好,哪个不好,更不能单纯地厚此薄彼。

怎样正确看待“函数模型及其应用”中的六道例题?

“函数模型及其应用” 中的六道例题反映了函数模型应用的不同层面,在教师教学用书中已有详细的阐述。此处不再啰嗦。教师反映的教学要求偏高,情景阅读量大,呈现方式过长不能说没有道理,特别是在建立函数模型的初始阶段,函数刚才那一句话,首先学会适应,从整个中学数学课程来看,学生从背景中抽象出数学模型,以及运用数学模型解决实际问题的能力相对薄弱,增加这部分内容,希望对改进这种局面有一定的帮助;其次,仔细想一想,增加的内容是不是真的超出了学生的接受程度;如果超出了,教材需要作出调整。作为教材编写单位,也应该反思,现在教材的要求是不是高了,如果高了,应该怎样调整?

关于函数的定义域、值域

函数的定义域、值域是函数的组成部分,尽管《标准》要求“会求一些简单函数的定义域和值域”,同时,“避免在求函数定义域、值域时出现过于繁琐的技巧训练,避免人为地编造一些求定义域和值域的偏题”,但在教学中教师往往拔高这方面的要求,出现很多把对数、根号、分母、绝对值、一元二次不等式等“整合”在一起的“堆砌题”,使学生“沉浸”在繁琐的技巧训练中,在一定程度上冲谈了对函数本质及有关性质的理解,值域的问题也是如此,很多借助求函数的反函数定义域的方法求函数的值域更是《标准》和教材中没有提到的。增加这些内容,势必拓展这方面的要求,要切实把握好。

实际上,建立函数模型描述实际问题、解决实际问题时,其定义域和值域是显而易见的。

 

必修二

本文主要分课程目标、学习要求、教学建议三个方面阐述必修2。

【课程目标】

本模块的内容包括:立体几何初步、平面解析几何初步。

通过立体几何初步的教学,使学生经历直观感知、操作确认、思辨论证、度量计算等方法认识和探索几何图形及其性质的过程;使学生直观认识和理解空间点、线、面的位置关系,能用数学语言表述有关平行、垂直的性质与判定,并对某些结论进行论证,了解一些简单几何体的表面积与体积的计算方法;培养和发展学生的空间想像能力、推理论证能力、运用图形语言进行交流的能力以及几何直观能力;使学生感受、体验从整体到局部、从具体到抽象,由浅入深、由表及里、由粗到细等认识事物的一般科学方法。

通过平面解析几何初步的教学,使学生经历在平面直角坐标系中建立直线和圆的方程的过程,学会运用代数方法研究它们的几何性质及其相互位置关系;了解空间直角坐标系;体会数形结合的思想,初步形成用代数方法解决几何问题的能力;培养学生运动变化、相互联系、相互转化的辩证唯物主义观点。

【学习要求】

1.立体几何初步

(1)空间几何体

直观了解柱、锥、台、球及其简单组合体的结构特征;能运用这些结构特征描述现实生活中简单物体的结构。

能画出简单空间图形(棱柱、棱锥、圆柱、圆锥、球等的简易组合)的三视图,能识别上述的三视图所表示的立体模型;能使用纸板等材料制作简单空间图形(例如长方体、圆柱、圆锥等)的模型,会用斜二测法画出它们的直观图。

了解空间图形的两种不同表示形式(三视图和直观图),了解三视图、直观图与它们所表示的立体模型之间的内在联系。

会画某些简单实物的三视图与直观图(在不影响图形特征的基础上,直观图的尺寸、线条等不作严格要求)。

(2)点、线、面之间的位置关系

理解空间点、线、面的位置关系;会用数学语言规范地表述空间点、线、面的位置关系。了解如下可以作为推理依据的4条公理、3条推论和1条定理:

◆公理1:如果一条直线上的两点在一个平面内,那么这条直线在此平面内。

◆公理2:如果两个不重合的平面有一个公共点,那么它们有且只有一条过该点的公共直线。

◆公理3:过不在一条直线上的三点,有且只有一个平面。

推论1:经过一条直线和这条直线外的一点,有且只有一个平面。

推论2:经过两条相交直线,有且只有一个平面。

推论3:经过两条平行直线,有且只有一个平面。

◆公理4:平行于同一条直线的两条直线平行。

◆定理:空间中如果两个角的两条边分别对应平行,并且方向相同,那么这两个角相等。

了解空间线面平行、垂直的有关概念;能正确地判断空间线线、线面与面面的位置关系;理解如下的4条关于空间中线面平行、垂直的判定定理:

◆平面外一条直线与此平面内的一条直线平行,则该直线与此平面平行。

◆一个平面内的两条相交直线与另一个平面平行,则这两个平面平行。

◆一条直线与一个平面内的两条相交直线垂直,则该直线与此平面垂直。

◆一个平面过另一个平面的垂线,则这两个平面垂直。

并能用图形语言和符号语言表述这些判定定理(这4条定理的证明,这里不作要求)。

理解如下的4条关于空间中线面平行、垂直的性质定理:

◆一条直线与一个平面平行,则过该直线的任一个平面与此平面的交线与该直线平行。

◆两个平面平行,则任意一个平面与这两个平面相交所得的交线相互平行。

◆垂直于同一个平面的两条直线平行。

◆两个平面垂直,则一个平面内垂直于交线的直线与另一个平面垂直。

能用图形语言和符号语言表述这些性质定理,并能加以证明。

能运用上述4条公理、3条推论和9条定理证明一些空间位置关系的简单命题。

了解异面直线所成的角、直线与平面所成的角、二面角及其平面角的概念;了解点到平面的距离、平行于平面的直线到平面的距离、两个平行平面间的距离的概念(上述角与距离的计算不作要求)。

(3)柱、锥、台、球的表面积和体积

了解球、棱柱、棱锥、台的表面积和体积的计算公式(不要求记忆公式),会求直棱柱、正棱锥、正棱台、圆柱、圆锥、圆台和球的表面积和体积。

2.平面解析几何初步

(1)直线与方程

了解确定直线位置的几何要素(两个点、一点和方向)。

理解直线的斜率和倾斜角的概念;掌握过两点的直线斜率的计算公式;了解直线的倾斜角的范围;理解直线的斜率和倾斜角之间的关系,能根据直线的倾斜角求出直线的斜率。

能根据斜率判定两条直线平行或垂直。

掌握直线方程的几种形式(点斜式、斜截式、两点式及一般式)的特点与适用范围;能根据问题的具体条件选择恰当的形式求直线的方程;了解直线方程的斜截式与一次函数的关系。

了解二元一次方程组的解与两直线的交点坐标之间的关系,体会数形结合思想;能用解方程组的方法求两直线的交点坐标。

掌握两点间的距离公式和点到直线的距离公式及其简单应用;会求两条平行直线间的距离。

(2)圆与方程

了解确定圆的几何要素(圆心和半径、不在同一直线上的三个点等)。

掌握圆的标准方程与一般方程,能根据问题的条件选择恰当的形式求圆的方程;理解圆的标准方程与一般方程之间的关系,会进行互化。

能根据直线与圆的方程判断其位置关系(相交、相切、相离);能根据圆的方程判断圆与圆的位置关系(外离、外切、相交、内切、内含)。

能用直线和圆的方程解决一些简单的问题。

(3)用代数方法处理几何问题的思想

体会用代数方法处理几何问题的思想,感受“形”与“数”的对立和统一;初步掌握数形结合的思想方法在研究数学问题中的应用。

(4)空间直角坐标系

了解空间直角坐标系;会用空间直角坐标系刻画点的位置。

了解空间中两点间的距离公式,并会简单应用。

【教学建议】

1.关于立体几何初步的教学,应注意以下问题:

(1)立体几何初步的教学重点是帮助学生逐步形成空间想像能力。教学中应通过丰富的实物模型进行演示,有条件的可以使用计算机演示柱、锥、台、球的生成过程,以帮助学生认识空间几何体的结构特征,逐步形成空间观念。

(2)教学中,要注意以常见的空间几何体为载体,进行识图与画图的训练,使学生了解三视图与直观图的画法,初步掌握在平面上表示空间图形的方法和技能。这里,常见的空间几何体指:长方体、三棱锥、四棱台、圆柱、球等。

(3)点、线、面的位置关系是立体几何初步中的重点内容,教学中应以长方体模型中的点、线、面关系作为载体,使学生在直观感知的基础上,认识空间中一般的点、线、面之间的位置关系;通过对空间图形的观察、实验、操作和思辩,使学生了解平行、垂直关系的基本性质以及判定方法,并能解决一些简单的推理论证及应用问题。

(4)在教学中,要求对有关线面平行、垂直关系的性质定理进行证明,使学生体会证明的过程和方法;而线面平行、垂直关系的判定定理只要求直观感知、操作确认,教学中不要提高要求。教材中的例题、习题中的结论(包括三垂线定理)等不作为推理的依据。

(5)关于空间中的“角”与“距离”,只要求了解异面直线所成的角、直线与平面所成的角、二面角及其平面角和点到平面的距离、平行于平面的直线到平面的距离、两个平行平面间的距离的概念。对于这些角与距离的度量问题,只要在长方体模型中进行说明即可,具体计算不作要求。

(6)应注意引导学生结合实际模型,学会将自然语言转化为图形语言和符号语言,能做到准确地使用数学语言表述几何对象的位置关系。例如,教材中的公理、推论和定理,都是用自然语言叙述的,教学中,要帮助学生学会用图形语言和符号语言来描述。

(7)教学中,要注意联系平面图形的知识,利用类比、联想等方法,辨别平面图形和立体图形的异同,理解两者的内在联系,并逐渐地让学生感悟到,将空间问题转化为平面问题是处理立几问题的重要思想。

2关于平面解析几何初步的教学,应注意以下问题:

(1)教学中,应帮助学生经历如下的过程:首先将几何问题代数化,用代数的语言描述几何要素及其关系,进而将几何问题转化为代数问题,处理代数问题;分析代数结果的几何含义,最终解决几何问题。通过上述过程,让学生感受用解析法研究问题的一般程序,帮助学生不断地体会数形结合思想。例如,求两条直线的交点,判断直线与圆、圆与圆的位置关系等。

(2)直线的斜率与倾斜角是平面解析几何初步中的两个重要概念,要让学生正确地理解这两个概念,知道它们之间的联系与区别。由于学生尚未学习任意角的三角函数,教学时要尽可能地通过计算器(机),让学生观察并体会直线的倾斜角变化时,直线斜率的变化规律,以加深对这两个概念的认识与理解。

(3)在探求直线方程的过程中,要使学生了解直线与方程的对应关系:直线上点的坐标都满足方程,以方程的解为坐标的点都在直线上。满足了这两点才可以说这个方程是直线的方程,这条直线是这个方程的直线。教学时让学生意识到这一点即可,而不必展开。

(4)直线方程的教学,要使学生认识到各种形式都有其适用条件与局限性,必须学会根据具体条件灵活地加以选择,并注意全面考虑问题。例如,运用点斜式时,要注意斜率不存在时的情形,防止以偏概全。

(5)根据方程研究直线与直线、直线与圆、圆与圆的位置关系,是平面解析几何初步的重要内容,教学重点是让学生从中感受运用代数方法处理几何问题的思想,不要复杂化,要防止追求变形的技巧和加大运算量来增加问题的难度。

(6)在空间直角坐标系的教学中,只要使学生学会运用空间直角坐标系刻画点的位置、了解空间中两点间的距离公式及其简单应用。值得强调的是,要将类比的思想贯穿于教学过程的始终,通过与平面直角坐标系的类比,使学生在掌握知识的同时,也拓展了思维空间。

(7)教学中,要注意体现数学的应用价值。使学生了解到利用平面解析几何的知识和方法能解决日常生活与生产实际中的一些具体问题。例如,市场经济中的平衡价格,桥梁、隧道设计中的计算,光线的入射和反射等。

 

必修三

第一篇:算法

必修3《算法》的教学设计与内容整合

一.算法教学中普遍出现的问题:

高中新课标教材必修3——《算法》,是首次出现在高中数学课本的新内容,充分体现了新课标注重应用的思想。但它也是个让众多数学教师非常头痛的内容,原因可能有以下几点:

1.大多数老师没有程序设计基础,一个自己完全陌生的内容要教好学生是相当困难的。

2.导向不明。有的老师把算法课当成解数学题课一样的上,原因是尚未弄清学习算法的目的。学习算法的目的是为了让计算机解决实际问题。最好能让学生在计算机上实际操作一下,体验分析问题、设计算法、编写程序、调试程序的过程。俗话说:“百闻不如一见”。如果完全只讲授知识,学生很难形成直观的认识。

3. 教材的部分内容在编排上不符合中学生的认知规律:

① 将算法流程图与程序语句割裂开,先学算法,再具体到流程图,最后用了一小节讲几种基本语句。那么学习基本语句的目的何在?我想,几种基本语句是算法中的基础也是重要的内容,应该同时结合流程图,贯穿算法教学的始终,这样学生也比较容易接受。

② 课本中本章节的编写使用了两种计算机语言,流程图和数学语言使用Pascal,而计算机程序使用C语言,这给学生造成了极大的困惑。

③ 对课本课时、难度的安排,教学上难以操作。例如,课本第一小节的内容是算法的基本思想,内容非常多,例题的难度大,而且彼此之间没有什么逻辑联系。学生花3节课甚至更多,学完了这一节,除了模仿与例题同类题型,对书上的很多课后练习都束手无策。

④ 对高一学生,出现知识脱节的现象。像“韩信点兵”这样的数论问题、闰年问题,学生都是第一次接触,不适宜作为新知识(算法)的引例。

 

二.算法的教学安排:

1、算法

(1)明确算法的概念:算法就是用计算机求解某一问题的方法,能被机械地执行的步骤。

(2)描述算法的方法有三种:自然语言、流程图、程序语句。在其中交待流程图的基本图形及其功能。

(3)举例:用一到两个简单例题,让学生具体领会算法的概念,并体会三种算法的描述方法。

2、顺序结构(与第1小节共1课时)

算法的三种基本结构:顺序结构、选择结构、循环结构。先学习顺序结构。顺序结构有三种基本语句:赋值语句、输入语句、输出语句。设计几个例题帮助学生掌握,其中赋值语句学生极易出错,要以例题辅助,重点解决。

3、选择结构(1课时)

选择结构的最常用语句是条件语句。课本上这部分的例题较多,而且难度不大,结合例题,掌握选择结构的自然语言、流程图、程序语句,尤其是流程图。

4、循环结构一——数值计算(1课时)

循环结构是算法三种结构中的难点,有for型循环语句和直至型循环语句。利用课本中数列的求和问题和整除问题,掌握选择结构的自然语言、程序语句、流程图(for型循环语句的流程图应画为直至型循环),并体会两种循环语句的不同之处。

5、循环结构二——数列计算(1课时)

应将例题、练习题均调至循环结构部分,解决此类数列计算的应用题。

6、循环结构三——穷举法(1课时)

许多问题往往需要我们从某个范围中根据条件找出所需要的解。解决这些问题的一个常见的方法是穷举法。穷举法的基本思想是依据题目的部分条件确定答案的大致范围,在此范围内逐一检验是否满足其他条件,直至找出问题的答案。

可利用的例题较多,有解二元一次方程组、百鸡问题等等,要注意的是,多重循环的难度较大,程序语句较流程图易掌握。

7、算法的改进(1课时)

  我们都知道,算法不唯一,同一个问题可以有多种不同的算法,如何来衡量算法的优劣呢?一般来说,标准主要有两个,一是时间,即运算的速度;二是空间,即需占有的存储空间的大小。本节通过几个例子的一题多解来体会不同的算法之间的优劣比较。可供选择的例子有韩信点兵、求两个数的最大公因数等。设置标志变量是学生理解的一个难点。

  通过本节的学习可让学生体会到利用数学知识,可以有效优化算法。中国古代数学中蕴含着非常丰富的算法内容和思想。算法的优化不仅适用于数学,也适用于计算机。

8、数据处理的算法一——求最大数(1课时)

在数学中主要研究的是关于数值计算的问题,但在生活中,许多时候也会面临非数值计算的问题,如求一列数据的最大最小数、数据的编辑(包括修改、插入、删除)、排序等。本节教学设计上通过三个例题(求3个数中的最大数、4个数中的最大数、50个数中的最大数),逐层深入,体会算法思想,掌握流程图和程序语句。

 

三.分节探究:

 算法初步

能力要求:

<!--[if !supportLists]-->(1)       <!--[endif]-->结合熟悉的算法,把握算法的基本思想,学会用自然语言来描述算法。

<!--[if !supportLists]-->(2)       <!--[endif]-->通过模仿、操作和探索,经历设计程序框图表示解决问题的过程。在具体问题的解决过程中理解程序框图的三种基本逻辑结构:顺序结构、条件结构、循环结构。

<!--[if !supportLists]-->(3)       <!--[endif]-->通过实际问题的学习,了解构造算法的基本程序。

<!--[if !supportLists]-->(4)       <!--[endif]-->经历将具体问题的程序框图转化为程序语句的过程,理解几种基本算法语句——输入语句、输出语句、赋值语句、条件语句、循环语句、体会算法的基本思想。

分析预测:

算法是数学及其应用的重要组成部分,是计算机科学的重要基础,《算法初步》在必修3中占有相当大的比例,预测2009年高考对本板块的考查为:

<!--[if !supportLists]-->(1)       <!--[endif]-->题目难度为低、中档,题目类型为填空题为主,也可能出现综合性稍强的解答题。

<!--[if !supportLists]-->(2)       <!--[endif]-->与代数、几何中的有关知识结合在一起命题。

 

1.1算法     1.2程序框图

方法点津:

<!--[if !supportLists]-->1.  <!--[endif]-->判断一个语段是否为算法的标准是看是不是解决某一问题的过程或步骤,并不是判断它是不是一个数学问题。

<!--[if !supportLists]-->2.  <!--[endif]-->利用公式写算法时,要先将公式中的条件全部求出后再去套用公式

<!--[if !supportLists]-->3.  <!--[endif]-->当进行计算时,要求完全相同的重复过程时,要考虑引入变量和循环来实现算法

<!--[if !supportLists]-->4.  <!--[endif]-->条件分支结构主要用在一些需要根据条件进行判断的算法中

<!--[if !supportLists]-->5.  <!--[endif]-->循环结构主要用在一些有规律的重复计算的算法中

<!--[if !supportLists]-->6.  <!--[endif]-->在循环结构中,要注意根据条件,设计合理的计数变量、累加变量等,特别要注意循环结构中条件的表述要恰当,准确,以免出现多一次循环或少一次循环的情况。

 

考点整合:

考点一 解方程(方程组)、不等式的算法

考点二 套用公式求值的算法

考点三 累加、累乘问题的算法

考点四 顺序结构

考点五 条件分支结构

考点六 循环结构

 

教学“鸡兔同笼”趣题:

<!--[if !supportLists]-->①       <!--[endif]-->“鸡兔同笼”,我国古代著名数学趣题之一,大约在1500年以前,《孙子算经》中记载了这个有趣的问题,书中描述为:今有雏兔同笼,上有三十五头,下有九十四足,问雏兔各几何?

② 学生分析其数学解法. (“站立法”,命令所有的兔子都站起来;或用二元一次方程组解答.)

③ 欣赏古代解法:“砍足法”, 假如砍去每只鸡、每只兔一半的脚,则 “独脚鸡”, “双脚兔”. 则脚的总数47只;与总头数35的差,就是兔子的只数,即47-35=12(只).鸡35-12=23(只).

④ 试用算法的程序框图解答此经典问题. (算法:鸡的头数为x,则兔的头数为35-x,结合循环语句与条件语句,判断鸡兔脚数2x+4(35-x)是否等于94.)

 

1.3基本算法语句

方法点津:

<!--[if !supportLists]-->1.  <!--[endif]-->条件语句的嵌套

在某些较为复杂的算法中,有时需要对按条件要求执行的某一语句(特别是Else后的语句2)继续按照另一条件进行判断,这时可以再利用一条件语句完成这一要求,这就形成了条件语句的嵌套。

<!--[if !supportLists]-->2.  <!--[endif]-->编程的一般步骤

<!--[if !supportLists]-->(1)       <!--[endif]-->算法分析:根据提供的问题,利用数学及相关学科的知识,设计出解决问题的算法

<!--[if !supportLists]-->(2)       <!--[endif]-->画出程序框图:,依据算法分析,画出对应的程序框图

<!--[if !supportLists]-->(3)       <!--[endif]-->写出程序:根据程序框图中的算法步骤,逐步把算法用相应的程序语句表达出来

 

考点整合:

考点一 应用赋值、输入输出语句编写程序

考点二 由程序写算法及画程序框图

考点三 应用条件语句设计程序

考点四 已知程序画框图

 

综合素质评价活动:

比如二分法求方程的解,其思想比会求解更重要。这里边至少有三个重要思想:近似的思想、逼近的思想、算法的思想。

 

 

第二篇:统计

课程标准

2.1抽样方法

<!--[if !supportLists]-->1.  <!--[endif]-->随机抽样

在参与解决统计问题的过程中,学会用简单随机抽样方法从总体中抽取样本

2.用样本估计总体

能依据实际问题的需求合理地选取样本,从样本数据中提取基本的数字特征(如平均数、标准差),并作出合理的解释

<!--[if !supportLists]-->3.  <!--[endif]-->变量的相关性

经历用不同估算方法描述两个变量线性相关的过程。知道最小二乘法的思想,能根据给出的线性回归方程系数公式建立线性回归方程。

 

分析预测

本章是原统编教材文科数学限定选修的内容,新课程改为必修内容,高考在本章的命题上以考查基本概念和基本计算为主,题型以填空题为主。由于统计知识有很强的实用性,是进一步学习高等数学中数理统计的基础,这部分有加强的命题趋势。通过上述分析估计2009年高考有如下趋势:

(1)从考题角度看,难度不会很大,应当仍以小题为主。

(2)以实际问题为背景,考查学生用科学合理的方式通过局部(样本)认识整体(总体)的能力。

 

考点整合

考点一 简单随机抽样的概念及应用

考点二 系统抽样的概念及抽样步骤

考点三 抽样方法的应用

考点四 分层抽样的概念及应用

考点五 三种抽样方法的比较

 

 

2.2总体分布的估计

方法点津:

<!--[if !supportLists]-->1.  <!--[endif]-->用样本估计总体一般分成两种,一种是用样本的频率分布估计总体的分布;另一种是用样本的数字特征(如平均数、标准差等)估计总体的数字特征。

<!--[if !supportLists]-->2.  <!--[endif]-->用茎叶图表示数据有两个突出的优点,一是从统计图上没有原始信息的损失,所有的数据信息都可以从茎叶图中得到;二是茎叶图可以在比赛时随时记录,但茎叶图只便于表示两位有效数字的数据,虽然可以表示两个人以上的比赛结果(或两个以上的记录),但没有表示两个记录那么直观、清晰。

 

考点整合

考点一 有关概念

考点二 绘统计图表

考点三 用样本

考点四 分层抽样的概念及应用

考点五 三种抽样方法的比较

 

2.4线性回归方程

方法点津:

分析两个变量的相关关系时,我们可根据样本数据散点图确定两个变量之间是否存在相关关系,还可利用最小二乘法求出回归直线方程,把样本数据表示的点在直角坐标系中作出,构成的图叫做散点图。从散点图上,我们可以分析出两个变量是否存在相关关系。

 

考点整合

考点一 相关关系的判断

考点二 求线性回归方程

考点三 利用回归直线对总体进行估计

 

 

第三篇: 概率

课程标准:

<!--[if !supportLists]-->1.  <!--[endif]-->在具体情境中,了解随机事件发生的不确定性和频率的稳定性,进一步了解概率的意义以及频率与概率的区别

<!--[if !supportLists]-->2.  <!--[endif]-->通过实例,了解两个互斥事件的概率加法公式

<!--[if !supportLists]-->3.  <!--[endif]-->通过实例,理解古典概型及概率计算公式,会用列举法计算一些随机事件所含的基本事件件数及事件发生的概率

<!--[if !supportLists]-->4.  <!--[endif]-->了解随机数的意义,能运用模拟方法(包括计算器产生随机数来进行模拟)估计概率,初步体会几何概型的意义

<!--[if !supportLists]-->5.  <!--[endif]-->通过阅读材料,了解人类认识随机现象的过程

分析预测

本章是新教材在最近几年增添的新内容,高考对本章的要求主要是基础知识的应用,题目一般是中低档题,填空题、解答题各种题型都有。本章知识在高考中所占分值超过了它所占课时的比例。

高考中本章试题难度不大,但考试遇到新题时,大多数同学觉得困难,所以,平时就应该按照教学大纲和《考试说明》的要求,考试时方能以不变应万变。

 

3.1随机事件及其概率

方法点津:

本章与其他章节知识联系较少,在学习过程中,要重视教材的基础作用,重视过程的学习,重视基本数学思想和数学方法的形成和发展,注重培养分析问题和解决问题的能力。

随机事件在现实世界中是广泛存在的,要注意结合生活实例分析何为必然事件、不可能事件和随机事件,要充分理解概率的意义,并学会理解生活中的一些常见的概率问题,把自己所学的概率知识应用到实际生活中去。

 

考点整合:

考点一 事件与随机事件的概念

考点二 基本事件与基本事件空间

考点三 频率与概率

 

3.2古典概型   3.3几何概型

方法点津:

<!--[if !supportLists]-->1.  <!--[endif]-->对于古典概型的概率计算,关键是分清基本事件个数n与事件A中包含的结果数m,有时需用列举法把基本事件一一列举出来,再利用公式 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->求出事件的概率,这是一个形象、直观的好方法,但列举时必须按某一顺序做到不重复、不遗漏。

<!--[if !supportLists]-->2.  <!--[endif]-->用集合的观点考察事件A的概率,有助于理解事件A与基本事件的关系,有利于理解公式 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->。把一次试验中所有可能出现的结果组成集合I,其中每一个结果就是I中的一个元素,把事件A包含的所有基本事件组成A,则集合A是集合I的一个子集,则有 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !supportLists]-->3.  <!--[endif]-->几何概型也是一种概率模型,它与古典概型的区别是试验的可能结果不是有限个,它的特点是试验结果在一个区域内均匀分布,所以随机事件的概率大小与随机事件所在区域的形状位置无关,只与该区域的大小有关。

<!--[if !supportLists]-->4.  <!--[endif]-->几何概型具有无限性和等可能性两特点,无限性是指在一次试验中,基本事件的个数可以是无限的;等可能性是指每一个基本事件发生的可能性是均等的。因此,用几何概型求解的概率问题和古典概型的思路是相同的,同属于“比例解法”,即随机事件A的概率可以用“事件A包含的基本事件所占的图形长度(面积或体积)”与“试验的基本事件所占总长度(面积或体积)”之比来表示。

 

考点整合:

考点一 概念辨析

考点二 古典概型的求法

考点三 概率的一般加法公式

考点四 与长度有关的几何概型求法

考点五 与角度有关的几何概型求法

考点六 与面积有关的几何概型求法

考点七 与体积有关的几何概型求法

考点八 用随机模拟法估算几何概型

考点九 用随机模拟法计算不规则图形的面积

 

3.4互斥事件

方法点津:

应用互斥事件的概率的加法公式,一定要注意首先确定诸事件彼此是否互斥,然后求出各事件分别发生的概率,再求和。求复杂事件的概率通常有两种方法:一是将所求事件转化成彼此互斥的事件的和;二是先求其对立事件的概率,然后再应用公式 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->求解。

考点整合:

考点一 互斥事件与对立事件的概念

考点二 互斥事件与对立事件的概率

第四篇:校本课程研发使用情况:

数理统计学

数理统计学是通过对样本的分析来推断某一总体的特性的科学,在生产生活中有着广泛的应用。工厂要检查所生产一批罐头的质量,是否需要将所有的罐头都打开来一一检查?很显然,这是不合理的,因为如果那样做,尽管所有罐头的质量都得到了检验,但同时也都被破坏了。通常的做法是从生产的罐头中抽取一部分作为样本进行检查,由此来推断整批罐头(即要研究的总体)的质量。

如果要研究一个国家的人口问题,如平均身高、平均寿命等,往往从各个地区选取一部分人作为样本,对他们进行研究,因为要对整个国家的人口进行调查将需要大量的人力、物力。要研究一个地区某一月份的平均降雨量,因为远古岁月中这一月份的降雨量没有记录,而以后的岁月又将是无穷无尽的,我们不可能统计完所有这一月份的降雨量,所以只能根据现有的资料对总体进行研究。

当然,数理统计学并不能提供一个准确无误的结论,而是帮助我们做出某种合理的推断和决策。正因为这样,数理统计学在20世纪得到了极大的普及,几乎渗透到了各个领域,凡是有实验和数据之处,就会有数理统计学的存在。

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