如何在变式教学中培养学生的数学思维能力
一、问题提出的背景
学生数学学习的认知水平一般分为三个层次：记忆模仿型、说明性理解型与探究性理解型.为了培养与提高学生的数学思维能力，引导学生向探究性理解型发展，教师在课堂教学中，要敢于和善于给学生提供一定的独立思考、发现问题的条件和机会.适当地进行变式训练、一题多解、一法多用，可以让学生形成富于联想的思维习惯.数学公式作为解题的工具，深刻理解并准确掌握数学公式是学好数学的第一关.数学公式应用广泛，推导方法具有代表性，所以人们把它比喻为“数量关系的精髓”.在一般的数学教学中，我们通常是推导公式，首先教师讲解例题进行示范，然后学生模仿反复练习.一两堂课下来，学生对数学课的印象就是推导公式、代公式解题，纯粹把数学课看成做题目的枯燥无味的课，长此以往，对数学课就越来越没兴趣.如何提高学生学习数学的兴趣，让学生真正地参与课堂，在实践中培养学生的数学思维，是数学老师一直思考的问题.
二、案例再现
以五年制高等师范数学教材中的“二倍角的三角函数”这节内容为例，老师在引导学生推导出公式后，对公式进行变形研究，使学生能够找到它的一些其他形式并进行相应的应用.这样既能深刻理解公式，又可灵活应用于解题，课堂气氛热烈，学生学习积极性高.
公式的导出部分老师让学生利用学过的正弦、余弦和正切的和角公式，化归为二倍角公式，让学生理解“二倍角” 与 “两角和” 的内在联系.
在公式的运用应用部分，老师是这样设计的：
提问：二倍角公式结构特征有哪些？
师生互动：教师在黑板上板书且同时启发学生注意公式结构中等号两边角度倍数的对比、系数的对比、幂次数的对比，学生思考并回答问题以达到熟练公式结构的目的.学生通过观察比较，能很快地归纳出二倍角公式的结构特征.为了能很好地巩固和理解公式中“二倍角”含义，也为下面灵活应用公式化解和求值做准备，教师设置了以下练习：梯度一 （让学生理解倍角的相对性）
在以上问题中主要突出的是倍角的相对性，以及公式左右两边的角的变化.为了进一步巩固所学公式与更深入熟练地掌握公式变形，特意由浅入深设计以下课堂练习以达到相关目的.学生对比二倍角公式的形式特点，基本能准确地填出结论，并且在给出结论的同时也真正理解了“二倍”的含义.二倍角的正弦公式、余弦公式是三角恒等变换中的重要公式，在理解和掌握公式的基础上，若能对公式作一些变形，并在解题中予以灵活运用，则可激活思维，化繁为简，使得解题过程更加简洁明快.教师在学生理解梯度一的基础上，再设计了以下两组变式训练：梯度二：（熟练公式结构并会用公式的逆用）
经过三个梯度的训练，学生对公式的结构与公式的应用达到基本熟练之后，下一步就可以提供机会让学生利用倍角公式进行求值运算、以培养学生运算、分析和逻辑推理能力，可以很好地完成本节课的教学目标之一与难点之一.
三、案例教学反思
上课班级的学生基础相对较好，特别是男生，如果纯粹是讲公式后让学生模仿做题目，学生没有独立思考的机会，没有亲自体验公式和概念的形成过程，只能是做题目的机器，对知识一知半解，更不用说学以致用了.学生也会觉得没有挑战性，从而对数学学习缺乏积极性.学生只有在亲自实践中才能获取新知识的能力、分析解决问题的能力，以及交流与合作的能力.老师在教学中对二倍角公式的深化变式，让学生积极思维，既提高了学习的积极性，又加强了对公式的理解和应用.
数学的公式有很多的变式，这些变式为学生提供了广阔的天地，同时在公式的变式过程中可以充分体现数学公式的转化和简化功能，从而有利于学生更深刻地理解数学公式的本质.通过探求公式的变式的应用，可以培养学生直觉思维、快速解题的能力，有利于培养学生的逆向思维、发散思维等，形成良好的思维品质.
（一）公式的变式应用可以培养学生简单的直觉思维能力和解题能力
直觉思维是导致数学发现的关键，教师在教学中，鼓励学生猜想，形成朦胧的直觉.让学生猜想，不仅激发了他们努力解题，还教会了他们一种应用的思维方式.二倍角公式的熟练应用对于学习三角函数的性质起着很重要的作用.如学习y=sin2x的图像及性质.再如梯度三中的练习sinπ16cosπ16cosπ8，学生看到相同的角，会联想到正弦的二倍角公式，猜想填个系数即可，学生在掌握了二倍角公式的逆向变形特点后，就能很快的与公式进行对比，从而找到系数上的差别，并相应的进行增添，就可以很方便得出答案.（sinα-cosα）2和cos4β-sin4β的解题学生根据做题目的直觉经验，自然会想到先用完全平方和平方差公式展开求解，教师再有意识地引导他们向纵深方向考虑，帮助理清来龙去脉，总结出方法和结论，学生的解题能力也会逐步提高.在教学过程中，有时设置一些顺理成章的“陷阱”也是有益的，可以引导学生积极思维，在猜想、探究、修改的过程中加深对知识的理解和掌握.
（二）公式的变式应用可以培养学生的逆向思维能力
人们习惯于沿着事物发展的正方向去思考问题并寻求解决办法.其实，对于某些问题，尤其是一些特殊问题，从结论往回推，倒过来思考，从求解回到已知条件，反过去想或许会使问题简单化.数学教学中可表现为某些数学公式、法则等逆用来解决有关问题.如二倍角这节课中，很多学生对于数学课本中的公式很熟练，但对它们的逆向运用却往往忽视.因此，老师在二倍角公式教学中，贯穿双向思维训练，除了让学生理解概念本身及其常规应用外，还注意引导启发学生反过来思考，从而加深对概念的理解与拓展.如梯度一和梯度二的设计，这样正向和逆向叙述相结合，使学生对公式的理解更加深刻，知识掌握得更加灵活，对数学思维的训练也起着重要的作用.
（三）公式的变式应用可以培养学生的发散思维能力
赞可夫说过：“凡是没有发自内心求知欲和兴趣的东西，是很容易从记忆中挥发掉的”.在课堂教学中应该适当给学生提供独立思考问题、自己提问题的条件与机会为发散思维的培养创造良好的内、外部的环境.老师在教学过程给出（sinα-cosα）2 和cos4β-sin4β题目给出后，没有直接板书讲解，而是让学生讨论，给学生提供探索尝试的机会.学生们跃跃欲试，积极动脑，一部分学生能自己利用二倍角公式和平方公式推算出结论，运用已学知识去解决新问题，并进行多种尝试，学生的解题思维得到拓展，学习积极性提高.如果老师怕学生在课堂上听不懂、吃不饱，总是在课堂上讲个不停，即使提出问题也是匆匆而过，学生没有进行充分思考问题的时间，这样培养的学生也不可能具有探究性思考的习惯与能力，当然谈不上培养发散思维了.
数学教学就是数学思维活动的教学.因此，在数学教学中展现思维活动，教师在课堂教学中应该精心设计，给学生充分思考问题的机会和时间，让学生亲自参与思维活动，不仅体现了这种教学思想，而且有利于提高学生的思维的探究水平，从而提高学生学习数学的兴趣.
逻辑思维是什么?
逻辑思维是思维的一种高级形式，它与形象思维不同，它是用科学的抽象概念、范畴揭示事物的本质，表达认识现实的结果。人们在感性认识的基础上，借助概念、判断、推理等思维形式反映客观现实的理性认识过程，被称为逻辑思维，只有经过了逻辑思维，人们才能达到对具体对象本质规定的把握，进而认识客观世界。它是人的认识的高级阶段，即理性认识阶段。
儿童思维的发展有一定的规律，由具体向抽象发展。因此，不能要求幼儿像大人那样思维。但是适当的教育与训练，可以促进儿童的思维从具体向抽象发展，还可以培养良好的思维品质，如思维的深刻性、灵活性和创造性等等，以提高儿童思维的能力。举个例子：美国人上超市买东西，连简单的加减运算都算不明白，找几毛钱还得拿个计算器按半天的。在国际奥林匹克比赛上，拿奖的也总是中国人或者说亚洲人居多。但是，大家也看到这样的现实，同样在这个国家接受数学教育的美国人，却培养了大量的科学家和发明家，引领了世界的科技的发展。很多人把这归功于美国的高等教育，并得出的结论：美国人的初等数学教育不行。
创造性思维
笔者认为，这是我们对美国数学教育的误解。在国内，初等数学教学的比重和内容偏向于计算和运算，我们背乘法口决、我们很小就开始训练心算，我们习惯于以计算能力来衡量一个人的数学学得好不好。反观美国人，他们认为数学并不等同于算术，他们更加看重的是孩子在生活中如何认识和应用数学，他们鼓励学生在生活中去发现数学，他们从孩子的数学学习中去培养孩子的逻辑推理能力。所以，美国人尽管初等运算能力比不上中国人，但他们在初等教育阶段所接受的发现、归纳、演绎和推理训练，却为高等教育的研究学习撤下种子、打下基础，从而成就了创造性思维、逻辑思维。
那么，美国人如何通过初等数学教育培养孩子的逻辑思维？宏途教育研究机构通过调研总结出以下几个特点：
发现世界
一、从小培养，引导孩子善于去发现
教给孩子正确的思维方法：思维的特征是概括性、间接性和逻辑性，孩子随着年龄的增长，有了较多的感性知识和生活经验，语言发展也达到较高水平，为思维发展提供了条件工具。但还要掌握正确的思维方法，才能更好地利用这些条件和工具，孩子不是一开始就能掌握的，要引导和教给孩子，遇到问题如何通过分析、综合、比较和概括， 作出逻辑的判断、推理来解决。教孩子掌握正确的思维方法，孩子一旦掌握了正确的思维方法，就如插上了思维发展的翅膀，抽象思维能力就能得到迅速的发展和提高。 这种模式的训练，需要孩子去观察、去发现图形的排列规律，是逻辑训练的最初形态，主要在于培养孩子的观察能力和发现能力。
游戏娱乐
二、游戏娱乐，培养孩子的兴趣
初到美国的家长，不少会因为孩子在学校的"不务正业"而着急。只要家长在这方面侧重于锻炼孩子的思考能力，善于引导儿童去思考就会获得丰收。玩玩具、做游戏、猜谜语、养小动物 、养花以及参加家务劳动等等，都可以使和童积极动脑筋去进行分析、比较，判断、推理等一系列逻辑思维活动，从而促进思维能力的发展。例如搭积木、拼六面图、拼七巧板等等，都要动脑筋找出规律才能完成。有些智力游戏，不仅要动脑筋还要比速度才能取胜。这些具有一定规律性的练习，都体现了模式的概念。但孩子在练习的过程都像在游戏，不容易有压力。
内容贴近生活
三、内容源于生活
在教学活动和练习过程，大都是与生活中的具体活动息息相关。如搞家庭智力竞赛。利用节假日进行，家长和孩子轮流做主持人，设立小奖品或其他奖励措施。为了增强气氛，可以请亲友或其他小伙伴参加。引导孩子一起讨论，设计解决问题的思路，参与解决问题的过程。家长应引导孩子并与孩子一起共同讨论、设计解决问题的方案，并付诸实施。这个过程需要分析、归纳、推理，需要设想解决问题的方法与程序，这对于提高孩子的思维能力和解决问题的能力大有帮助
数学计算
四、弱化计算，强化理解
在教学乘法的概念时，首先要帮助学生认识乘法的意义，可以从直观入手，通过实物或图形的反复观察演示，联系同数连加的算题，如一个集合图有两只熊猫，三个集合图有几只熊猫?先要求学生用连加法计算，然后再用乘法计算，最后引导学生比较两种算法的结果，接着再让学生计算四个集合图、五个集合图有多少只熊猫。通过几次计算，最后帮助学生归纳出:这种算题可以用连加法计算，也可以用乘法计算。但如果是很多同样的数目，用连加法计算就不如用乘法计算简便了。因此，要计算几个相同的数合并在一起是多少要用乘法。乘法就是求几个相同加数的和的运算。在这个基础上，可以指导学生练习把相同数连加的算式改写成乘法的算式，或把乘法的算式改写成相同数连加的算式，以便帮助学生更透彻地理解乘法的意义。教学时，被乘数和乘数的确定一定要强调相同加数是几，被乘数就是几，有几个相同的加数，乘数就是几的概念。
思考
五、淡化计算过程，重视推理和多层角度思考的引导
教师在向学生介绍相关运算规律以及技巧的过程中，需要引导学生从原理上对运算技巧进行理解和掌握，这样做的目的才能让学生在理解的基础上对计算技巧和方式熟练运用，加强学生的运算能力。例如：在对20×3计算的过程中，大部分学生算法是：先不看0，用2×3-6，之后在后面添加一个0、当学生得出这样算法的过程中，教师应该让学生明白为何可以这样算。教师可以在学生面前摆小木棒，这样利于学生理解推理。将小木棒10根捆一捆，为何先算2×3呢？是将10个小木棒看成一个整体，表示一个十。3个2捆是6捆，由于一捆是10根，所以3个20就是60，因此要在后面添加也一个0。当学生对该算理理解透彻的过程中，才能对运算技巧合理掌握。
在整个教学活动中，我们要常常一个题目进行各种假设与放大，不断引导孩子进行思考和发现。孩子们总能脑洞大开进行讨论，还不时提出自己不一样的问题和设想。
