Задачи в школьном курсе математики

Лекционное занятие:

Задачи в школьном курсе математики

Содержание

1. Роль задач в обучении математике

2. Основные этапы в решении задачи. Общие умения по решению задач

3. Классификация задач. Роль алгоритмов и эвристик в обучении решению задач

4. Организация обучения решению математических задач

5. Системы упражнений и требования к ним

1.
Роль задач в обучении математике

В психологии, дидактике известны попытки дать определение задачи. Например, одно из них: «Задача – объект мыслительной деятельности, содержащий требование некоторого практического преобразования или ответа на теоретический вопрос посредством поиска условий, позволяющих раскрыть связи (отношения) между известными и неизвестными элементами» (Л.Л.Гурова. Психологический анализ задач. – Воронеж, 1976).

Задачи в обучении математике занимают важное место: это и цель, и средство обучения. Умение решать задачи – показатель обученности и развития учащихся.

При обучении математике задачи имеют образовательное, развивающее, воспитательное значение. Они развивают логическое и алгоритмическое мышление учащихся, вырабатывают практические навыки применения математики, формируют диалектико-материалистическое мировоззрение, являются основным средством развития пространственного воображения, а также эвристического и творческого начал.

При обучении теоретическим знаниям задачи способствуют мотивации введения понятий, выявлению их существенных свойств, усвоению математической символики и терминологии, раскрывают взаимосвязи одного понятия с другими.

В процессе изучения теоремы задачи выполняют следующие функции: способствуют мотивации ее введения; выявляют закономерности, отраженные в теореме; помогают усвоению содержания теоремы; обеспечивают восприятие идеи доказательства, раскрывают приемы доказательства; обучают применению теоремы; раскрывают взаимосвязи изучаемой теоремы с другими теоремами.

Воспитательное воздействие оказывает общий подход к решению задач: система задач, место, методы и формы ее решения, стиль общения учителя и учащихся, учащихся между собой при решении задач. Решение задач позволяет учащимся воспитывать в себе настойчивость, трудолюбие, активность, самостоятельность, формирует познавательный интерес, помогает вырабатывать и отстаивать свою точку зрения, воспитывать достоинство личности.

Развивающие функции задач заключаются в том, что в деятельности решения задач вырабатываются умения применять теоретические знания на практике, выделять общие способы решения, переносить их на новые задачи, развиваются логическое и творческое мышление, внимание, память, воображение.

С изменением роли и места задач в обучении обновляются и видоизменяются и сами задачи. Раньше они формулировались с помощью слов «найти», «построить», «вычислить», «доказать», в современной школе чаще используются слова «обосновать», «выбрать из различных способов решения наиболее рациональный», «исследовать», «спрогнозировать различные способы решения» и т д.

Решение задач является наиболее эффективной формой развития математической деятельности.

2. Основные этапы в решении задачи. Общие умения по решению задач

Процесс решения учебной задачи можно разделить на 4 основные этапы: осмысление условия задачи (анализ условия), поиск и составление плана решения, осуществление плана решения, изучение (исследование) найденного решения.

Осмысление условия задачи (1 этап).

1). Умение анализировать требование задачи
.

Под анализом требования задачи понимается выяснение возможных путей ответа на вопрос задачи. Одним из важнейших компонентов умения анализировать требование задачи является умение преобразовывать требование задачи в ему равносильное.

Например, докажем, что четырехугольник АВС
D
– квадрат, если докажем, что он поворотом на 90º отображается на себя.

Формирование этого умения связано с вооружением учащихся как можно большим числом признаков и свойств понятий;

2). Умение анализировать условие задачи.

Под анализом условия задачи можно понимать выявление такой информации, которая непосредственно не задана условием, но присуща ему.

Вся информация может быть разделена на три вида: а) информация, непосредственно заданная в условии; б) информация, полученная непосредственно из условия; в) информация, полученная уже из новой, т.е. выведенной ранее, информации.

Информация первого вида фиксируется чертежом и специальной записью под названием «дано».

Информация второго и третьего видов может быть получена следующими способами: а) получение следствий из непосредственно заданной информации; б) переосмысливания некоторых объектов (фигур, отношений между ними) в плане других понятий (например, АР
– высота треугольника АВС
. значит, АР ВС
; задан правильный треугольник, значит, можно найти радиус вписанной и радиус описанной окружности и т.п.); в) замена термина его определением; г) перечисление характеристических свойств понятий; д) интерпретация символических записей; е) перевод содержания задачи на язык специальной теории и наоборот (например, векторной) .

Часто внимание учащихся на информации второго и третьего вида не обращается, поэтому дальше выполнения рисунка и записей «дано» и «требуется доказать» самостоятельное решение не двигается.

Нужно учить школьников получать информацию второго и третьего вида. Полезны упражнения вида: 1) в треугольнике АВС
двух сумма углов 90º. Что вы скажете о треугольнике АВС
?; 2) АВС
D
– трапеция. Назовите несколько свойств этой фигуры; 3) Можно ли прямоугольник определить следующим образом: прямоугольником называется параллелограмм, имеющий прямую, содержащую середины его противоположных сторон, своей осью симметрии?; 4). Какой факт выражает эта запись?

Очень важно на уроках выполнять анализ условия задачи всем классом.

Для того чтобы научиться решать задачи, надо приобрести опыт их решения. Редкие ученики самостоятельно приобретают такой опыт. Долг учителя - помочь учащимся приобрести опыт решения задач, научить их решать задачи. Однако помощь учителя не должна быть чрезмерной. Если учитель много будет помогать ученику, на долю последнего ничего не останется или останется слишком мало работы по приобретению опыта решения задач. Так ученик не научится решать задачи. Если же помощь учителя будет мала, ученик также может не научиться решать задача. Учитель должен помогать ученику путем советов, как решать задачу, или вопросов, отвечая на которые ученик успешнее решит задачу. Иногда учитель разыгрывает решение задачи, сам задавая вопросы и сам же отвечая на них. Ученики подражают ему в этом, постепенно приучаясь решать задачи. Но такой вариант обучения требует большей затраты времени и не всегда приводит к хорошим результатам. Можно сказать, что механическое подражание не метод обучения решению задач. Нужны вопросы и советы учителя ученику, вызывающие развивающие мыслительную деятельность школьников, помогающие развивать творческий подход к решению задач.

Такие вопросы и советы должны обладать общностью для различных задач, иначе ученики не научатся решать многие задачи, а будут учиться решать каждую конкретную задачу в отдельности. В то же время вопросы и советы должны быть естественны и просты, должны иметь своим источником простой здравый смысл. Они должны оказывать ученику действенную, но не назойливую помощь. Но одних вопросов и советов учителя ученику недостаточно для обучения решению задач. Нельзя забывать, что "умение решать задачи есть искусство, приобретаемое практикой" .

Вопросы и советы ученику условно можно подразделить на четыре группы. Это подразделение вопросов, вообще говоря, не является категоричным. Может оказаться, что вопросы, рекомендуемые для первого этапа, окажут помощь и на втором этапе, а рекомендуемые для второго этапа - на третьем и т. п. Дело в том, что этапы решения задачи не могут быть строго изолированы один от другого, между ними существует определенная связь, в их единстве заключается процесс решения задачи.

Вопросы и советы для осмысления условия задачи

(1-й этап).

Нельзя приступать к решению задачи, не уяснив четко, в чем заключается задание, т. е. не установив, каковы данные и искомые или посылки и заключения.

Первый совет учителя: не спешить начинать решать задачу. Этот совет не означает, что задачу надо решать как можно медленней. Он означает, что решению задачи должна предшествовать подготовка, заключающаяся в следующем: а) сначала следует ознакомиться с задачей, внимательно прочитав ее содержание. При этом схватывается общая ситуация, описанная в задаче; б) ознакомившись с задачей, необходимо вникнуть в ее содержание. При этом нужно следовать такому совету: выделить в задаче данные и искомые, а в задаче на доказательство -посылки и заключения; в) если задача геометрическая или связана с геометрическими фигурами, полезно сделать чертеж к задаче и обозначить на чертеже данные и искомые (это тоже совет, которому должен следовать ученик); г) в том случае, когда данные (или искомые) в задаче не обозначены, надо ввести подходящие обозначения. При решении текстовых задач алгебры и начал анализа вводят обозначения искомых или других переменных, принятых за искомые; д) уже на первой стадии решения задачи, стадии понимания задания, полезно попытаться ответить на вопрос: "Возможно ли удовлетворить условию?" Не всегда сразу удается ответить на этот вопрос, но иногда это можно сделать.

Отвечая на вопрос: "Возможно ли удовлетворить условию?", полезно выяснить, однозначно ли сформулирована задача, не содержит ли она избыточных или противоречивых данных. Одновременно выясняется, достаточно ли данных для решения задачи.

Составление плана решения задачи
(2-й этап). Составление плана решения задачи, пожалуй, является главным шагом на пути ее решения. Правильно составленный план решения задачи почти гарантирует правильное ее решение. Но составление плана может оказаться сложным и длительным процессом. Поэтому крайне необходимо предлагать ученику ненавязчивые вопросы, советы, помогающие ему лучше и быстрее составить план решения задачи, "открыть" идею ее решения:

1). Известна ли решающему какая-либо родственная задача? Аналогичная задача? Если такая или родственная задача известна, то составление плана решения задачи не будет затруднительным. Но далеко не всегда известна задача, родственная решаемой. В этом случае может помочь в составлении плана решения совет.

2). Подумайте, известна ли вам задача, к которой можно свести решаемую. Если такая задача известна решающему, то путь составления плана решения данной задачи очевиден: свести решаемую задачу к решенной ранее. Может оказаться, что родственная задача неизвестна решающему и он не может свести данную задачу к какой-либо известной. План же сразу составить не удается.

3). Стоит воспользоваться советом: "Попытайтесь сформулировать задачу иначе". Иными словами, попытайтесь перефразировать задачу, не меняя ее математического содержания.

При переформулировании задачи пользуются либо определениями данных в ней математических понятий (заменяют термины их определениями), либо их признаками (точнее сказать, достаточными условиями). Надо отметить, что способность учащегося переформулировать текст задачи является показателем понимания математического содержания задачи.

Некоторые авторы относят к переформулировке задачи и перевод ее на язык математики, т. е. язык алгебры, геометрии или анализа. Это, скорее, формализация задачи, "математизация" ее. К такому приему и приходится часто прибегать при решении многих текстовых задач.

4). Составляя план решения задачи, всегда следует задавать себе (или решающему задачу ученику) вопрос: "Все ли данные задачи использованы?" Выявление неучтенных данных задачи облегчает составление плана ее решения.

5). При составлении плана решения задачи иногда бывает полезно следовать совету: "Попытайтесь преобразовать искомые или данные". Часто преобразование искомых или данных способствует более быстрому составлению плана решения. При этом искомые преобразуют так, чтобы они приблизились к данным, а данные - так, чтобы они приблизились к искомым. Так, при каждом случае тождественных преобразований данные преобразуются, постепенно приближаясь к результату (искомому). Аналогично уравнение, систему уравнений, неравенство или систему неравенств преобразуют в равносильные, чтобы найти их корни или множество решений.

6). Нередко случается так, что, следуя указанным выше советам, решающий задачу все же не может составить план ее решения. Тогда может помочь еще один совет: "Попробуйте решить лишь часть задачи", т. е. попробуйте сначала удовлетворить лишь части условий, с тем чтобы далее искать способ удовлетворить оставшимся условиям задачи.

7). Нередко в составлении плана решения задачи помогает ответ на вопрос: "Для какого частного случая возможно достаточно быстро решить эту задачу?" Обнаружив такой частный случай, решающий ставит перед собой новую цель - воспользоваться решением задачи в найденном частном случае для более общего (но, может быть, не самого общего) случая. Так можно поступить, постепенно обобщая задачу до исходной, решаемой задачи. Предполагаемый вариант рассуждений - явное применение полной индукции. Итак, совет: "Рассмотрите частные случаи задачной ситуации, решите задачу для какого-нибудь частного случая, примените индуктивные рассуждения".

Осуществление плана решения задачи
(3-й этап).

План указывает лишь общий контур решения задачи. При реализации плана решающий задачу рассматривает все детали, которые вписываются в этот контур. Эти детали надо рассматривать тщательно и терпеливо. Но при этом ученику (решающему задачу) полезно следовать некоторым советам:

1). Проверяйте каждый свой шаг, убеждайтесь, что он совершен правильно. Иными словами, нужно доказывать правильность каждого шага ссылками на соответствующие, известные ранее математические факты, предложения.

2). Обратить внимание учащихся на необходимость выбора такого способа оформления решения, чтобы зафиксировать решение в краткой и ясной форме.

Изучение найденного решения задачи
(4-й этап).

Заключительный этап является необходимой и существенной частью решения задачи. Основным содержанием его должно быть осмысление выполненного решения, формулирование и решение (если это окажется возможным) других задач, явно связанных с решенной, и извлечение из всей проделанной работы выводов о том, как находятся и выполняются решения.

Таким образом, после оформления решения необходимо выявление идей
(главной мысли), положенных в основу решения. Решение задачи несколькими способами
является одним из путей проверки правильности полученного результата; важно сопоставление найденных решений, выделение более рациональных и поучительных. Это путь воспитания гибкости математического мышления и находчивости.

Даже очень хорошие ученики, получив ответ и тщательно изложив ход решения, считают задачу решенной. А ведь получение результата не означает еще, что задача решена правильно. Тем более не означает, что для решения выбран лучший, наиболее удачный, изящный, если можно так выразиться, вариант. По В. М. Брадису, задачу можно считать решенной, если найденное решение: 1) безошибочно, 2) обоснованно, 3) имеет исчерпывающий характер.

Итак, два совета: "Проверьте результат", "Проверьте ход решения". Проверка результата может производиться различными способами. Проверяя правильность хода решения, мы тем самым убеждаемся и в правильности результата. Значит, надо выполнить совет: "Проверьте все узловые пункты решения", еще раз убедитесь в истинности проведенных рассуждений.

Второй способ проверки результата заключается в получении того же результата применением другого метода решения задачи, поэтому полезно всегда задавать решающему вопрос: "Нельзя ли тот же результат получить иначе?" Иными словами, стоит последовать совету: "Решите задачу другим способом". Если при решении задачи другим способом получен тот же результат, что и в первом случае, задачу можно считать решенной правильно. К тому же получение различных вариантов решения одной и той же задачи имеет важное обучающее значение.

Изложенные выше советы для решения задач позволяют решать многие задачи, но, разумеется, не могут служить рецептом для решения любой задачи. Эти советы, многие из которых сформулировал Д. Пойа, правильно ориентируют решающего задачи на поиск решения, сокращают время решения многих задач, повышают вероятность отыскания верного и рационального способа решения задач. Единого же рецепта для решения любых задач попросту не существует.

От общих советов к частным
. Начинать надо с общих вопросов, с общих советов, т. е. именно с тех, которые были приведены выше. Может оказаться, что общие вопросы не окажут помощи какому-то ученику. Тогда надо обратиться к дополнительным, более частным вопросам, так чтобы дойти до вопросов, соответствующих уровню развития и математической подготовке ученика. Переходить к частным, конкретным вопросам надо постепенно, чтобы на долю ученика досталась наибольшая часть работы по решению задачи. Задавая более частные, дополнительные вопросы, нужно учитывать следующее: вопросы должны быть такими, чтобы они направляли мысль ученика в нужную сторону, заставляя его активно мыслить над решением задачи. Разумеется, предлагая вопросы ученикам, надо предоставить время на обдумывание ответов на эти вопросы.

Общие умения по решению задач

Умение самостоятельно решать задачи - важное умение не только для тех, кто будет в дальнейшей жизни заниматься математикой, но и для всех учащихся. Человеку в повседневной жизни приходится постоянно решать задачи и даже ставить их, правда, они несколько отличаются от школьных задач, иногда своей неопределенностью, иногда неразрешимостью. Умение организовать поиск - черта активной, самостоятельной личности. Умение самостоятельно решать задачи является показателем высокого интеллектуального развития. К сожалению, в школьной практике довольно часто можно наблюдать отсутствие этого умения. Из каких составляющих, из каких отдельных умений складывается общее умение решать задачи?

Это:

• умение проводить анализ условия задачи;

• умение применять изученную теорию (определение, теорему, правило) на практике; это умение предполагает узнавание возможности применения теории и собственно применение, поэтому теорема, определение, правило принимают в сознании вид алгоритма или предписания, по которому совершается действие;

• умение выделять основную идею в решении отдельной задачи, находить общее в решении нескольких задач и переносить эту идею, это общее на новую задачу;

• умения по самооценке своей деятельности, самоконтролю.

Как можно формировать умение анализировать условие задачи? Чтобы научиться анализировать условие задачи, анализ задачи должен стать целью обучения, что требует выполнения специальных заданий не по решению задач, а только по анализу их условия. По меньшей мере, этап анализа условия задачи должен быть специально выделен в процессе решения, и учащиеся должны иметь ориентировочную основу проведения этапа анализа. Анализу условия задачи следует обучать во всех разделах школьного курса математики: в арифметике, алгебре, геометрии. Как уже было отмечено, анализ условия задачи состоит в выделении данных и искомых, в выяснении значения каждого слова, в выяснении структуры задачи: какая и сколько ситуаций, объектов рассматриваются, какие величины входят в рассмотрение, каково соотношение между величинами в данной задаче, какая информация имеется в условии задачи в скрытом виде.

Обучение краткой записи условия задачи - это и есть обучение анализу условия. Краткая запись-
это модель текста задачи, материализованная форма проведения действия анализа условия. Этому следует обучать специально. Наиболее распространенной формой записи условия является запись отдельных ситуаций, например, следующим образом:

I день -
273 стр.

П день - в 7 раз меньше

III день - на 45 стр. больше

а также в виде чертежей, диаграмм, рисунков (см. рис.).

Рис.
Краткая запись условия:

Дано: АВС, АВ = ВС,
AD=
DВ,
BE =
EC.

Доказать: АЕ=
CD -
это тоже материализованная форма анализа условия задачи, в которой понятия заменены их определениями.

При решении каждой задачи, способ решения которой неизвестен, используются синтетический и аналитический методы - происходит встречный процесс ot данных к требованию (синтез) и от требований к данным (анализ). На каком-то шаге устанавливается связь этих двух процессов - находится недостающий элемент, отношение - задача решена.

К какому бы разделу математики задача ни относилась, при ее решении происходит получение следствий из условия, какие-то условия заменяются эквивалентными, переформулируются, приобретают более удобный для операций вид, какие-то условия связываются. Установление связей между данными происходит не хаотично, а после выяснения отношений между данными под воздействием промежуточных и окончательных целей. Нахождение новых величин, отношений носит целенаправленный характер. Алгоритмов обучения творчеству нет, однако встречному движению от данных к требованию и от требования к условию можно обучать. Можно специально обучать получению следствий, переформулированию, решению задач с конца, другим эвристикам, демонстрируя их, акцентируя на них внимание, подбирая специальные задания.

Формированию умения анализировать условие задачи способствует выполнение обратных заданий: составить задачу по краткой схеме.

Начинать поиск решения задачи можно лишь тогда, когда ее условие полностью понято. Самоконтролем на этом этапе являются пересказ условия, подсчет данных и требования, проверка схем.

При осуществлении поиска основной идеи задачи продолжается выявление скрытых отношений, структуры задачи: рассматриваются под удобным углом зрения данные и требования, происходит сопоставление решаемой задачи с ранее решенными, конструируется модель задачи в соответствии с выдвигаемой гипотезой, осуществляется мысленный эксперимент, привлекаются различные эвристики.

В чем заключается деятельность по самоконтролю при анализе условия задачи? При анализе условия, как известно, осуществляется следующая деятельность: выделение данных и требований, выяснение смысла терминов; выделение объектов, ситуаций и величин, их характеризующих; моделирование ситуаций с помощью таблиц, чертежа, краткой записи условия задачи.

При этом самоконтроль осуществляется при пересказе текста задачи своими словами для выяснения, не забыто ли какое-либо данное, каждое ли слово в тексте понято. Если условие задачи моделируется с помощью чертежа, таблицы, то необходимо проверить, каждому ли данному нашлось место в этой модели. Для того чтобы проверить, правильно ли понято условие, можно рекомендовать восстановить текст задачи по краткой записи, модели, чертежу.

Вся эта деятельность направлена на то, чтобы выяснить, что задача понята целиком и правильно, структура задачи выделена и удерживается в памяти. Это обеспечивается обучением учащихся проводить анализ условий задачи.

При выдвижении гипотезы относительно возможного решения самоконтроль заключается в том, что решающему необходимо доказать себе, что выбор пути сделан правильно: что с помощью выбранной теоремы, правила, приема, определения можно довести решение задачи до логического конца; что задача подходит под определенный тип, предписание для которого имеется; что выбранная эвристика позволяет наметить ход решения задачи. Если ситуацию нельзя подвести под известный прием, если использованная эвристика заводит в тупик, если использованная теория не позволяет довести решение задачи до конца, необходимо отказаться от намеченного плана и продолжить анализ условия и привлечение новых идей.

Можно ли обучать учащихся самоконтролю на этом этапе?

Деятельности самоконтроля на этапе поиска плана решения задачи можно обучать, раскрывая эту деятельность, показывая, как учитель выходит из затруднительных ситуаций, которые возникают при поиске решения задачи. На этапе реализации полученного решения деятельность решающего состоит в применении выделенных эвристик, приемов, правил, определений, и при этом самоконтроль проявляет себя как пошаговый, пооперационный самоконтроль. Пошаговому контролю ученик обучается в рамках формирования различных приемов учебной работы и умственных действий, при обучении использованию определений, правил, теорем.

На ранее перечисленных этапах решения задачи самоконтроль проявляет себя как естественная неотрывная составляющая поисковой деятельности, которая может и не осознаваться решающим.

Последнему этапу решения задачи - проверке и исследованию полученного решения присвоен особый статус этапа, на котором осуществляется самоконтроль.

В методике преподавания математике выделены различные формы самоконтроля, проводимые после завершения этапа реализации намеченного плана. Приведем примеры таких форм.

1.Проверка с помощью частного случая. Например, если при решении неравенства получен некоторый числовой промежуток, то можно проверить некоторые конкретные значения переменной из этого промежутка.

2. Проверка совпадения размерности ответа с требованием задачи. Например, при нахождении пути значение скорости (км/ч) умножается на значение времени (ч). Умножение наименований должно дать наименование длины (км).

3. Проверка симметричности ответа, если в условии задачи какие-то данные симметричны. Например, если уравнения, входящие в систему, симметричны относительно переменных, то и найденные значения различных переменных должны быть равны.

4. Проверка ответа по здравому смыслу. Например, скорость пешехода не может быть равной 15 км/ч, количество рабочих не может быть дробным и т. д.

5. Проверка с помощью грубой прикидки. При этом данные грубо округляются и выясняется порядок возможного результата.

6. Проверка с помощью обратной задачи или с помощью другого способа решения.

7. Проверка текстовых задач, решенных с помощью составления уравнения, по смыслу. При этом необходимо, чтобы все промежуточные величины, зависящие от х,
которые появляются в ходе решения задачи, имели бы смысл при полученном значении переменной.

Приведенные формы проверки, кроме 6, не дают полной гарантии правильно найденного и выполненного решения, но, тем не менее, с ними полезно ознакомить учащихся.

В работах, посвященных самоконтролю, предлагается следующая этапность в формировании самоконтроля: контроль за деятельностью учителя, взаимоконтроль - контроль учащихся за деятельностью товарища, контроль за собственной деятельностью. При этом речь, как правило, идет о контроле над исполнительской деятельностью. Такая последовательность имеет достаточное основание. Деятельность контроля состоит в сопоставлении, в сравнении двух действий: своего и контролируемого, а не просто в выполнении действия. Еще труднее посмотреть под новым углом зрения на свое исполнение действия.

3. Классификация задач. Роль алгоритмов и эвристик в обучении решению задач

В современной методической и психологической литературе принята классификация задач. По характеру требования:

— задачи на доказательство;

— задачи на построение;

— задачи на вычисление.

По функциональному назначению:

— задачи с дидактическими функциями;

— задачи с познавательными функциями;

— задачи с развивающими функциями.

По величине проблемности:

— стандартные;

— обучающие;

— поисковые;

— проблемные.

По методам решения:

— задачи на геометрические преобразования;

— задачи на векторы и др.

По числу объектов в условии задачи и связей между ними:

— простые;

— сложные.

По компонентам учебной деятельности:

— организационно-действенные;

— стимулирующие;

— контрольно-оценочные.

Кроме того, различают задачи: стандартные и нестандартные; теоретические и практические; устные и письменные; одношаговые, двушаговые и др.; устные, полуустные, письменные и т.д.

При организации процесса обучения учащихся решению математических задач учитель сталкивается с вопросами: задачи какой сложности предложить ученикам, знакомы ли школьники с теми действиями, которые нужно применить при решении задач и т.п.

Если взять за основу следующую классификацию задач: на вычисление, на доказательство, на построение, на исследование, то такое деление не может быть инструментом в обучении школьников решению задач, потому что задачи этих видов не отличаются друг от друга уровнем сложности, характером деятельности человека по их решению. Например, в задачах на вычисление и построение приходится много доказывать, а в задачах на построение и доказательство приходится много исследовать и т.д., поэтому такая классификация задач ничего не дает. Кроме того, задачи делят на правильные, с противоречивыми данными, с лишними данными, теоретические и практические, стандартные и нестандартные и т.д.

В задаче выделяют основные компоненты:

1. Условие — начальное состояние;

2. Базис решения — теоретическое обоснование решения;

3. Решение — преобразование условия задачи для нахождения требуемого заключением искомого;

4. Заключение — конечное состояние.

Математическими считаются все задачи, в которых переход от начального состояния (1) к конечному (4) осуществляется математическими средствами, т.е. математическим характером компонентов: обоснование (2) и решение (3).

Если все компоненты задачи (условие, обоснование, решение, заключение) — математические объекты, то задача называется чисто математической,
если математическими являются только компоненты решение и базис решения, то задача называется прикладной математической задачей.

На основе рассмотренной модели общего понятия задачи и ее основных компонентов строят дидактически направленную модель типологических особенностей задачи, зависящих от того, на каком этапе обучения эта задача предъявлена учащимся, какими знаниями и опытом обладают школьники в момент ее предъявления, в какой форме сформулирована задача и т.д.

Проблемный характер задачной системы определяется тем, какие из основных компонентов задачи неизвестны.

Стандартной
называется задача, в которой четко определено условие, известны способ решения и его обоснование, а также даны упражнения на воспроизведение известного. Задача называется обучающей,
если в ней неизвестен или плохо определен один из основных компонентов. Если неизвестны два компонента, задача назевается поисковой,
а если три — проблемной.

Если рассматривать задачи как объект мыслительной деятельности учащихся, важно учитывать характер связей между элементами задачи, соотношение между воспроизводящей и творческой деятельностью учеников при решении задач, которое во многом определяется указанными связями.

Классификация задач, учитывающая характер связей между элементами задачи, соотношение между воспроизводящей и творческой деятельностью учеников:

— алгоритмические задачи;

— полуалгоритмические задачи;

— эвристические задачи.

Алгоритмические задачи — задачи, которые решаются с помощью непосредственного применения определения, теоремы, т.е. для решения которых имеется алгоритм. Например, задача на нахождение гипотенузы в прямоугольном треугольнике по известным катетам по формуле Пифагора. Применение алгоритма быстро и легко приводит к желаемому результату.

Полуалгоритмические задачи — задачи, правила решения которых носят обобщенный характер и не могут быть полностью сведены к объединению элементарных актов. Связи между элементами этих задач легко обнаруживаются учениками. Полуалгоритмические задачи в качестве подзадач содержат алгоритмические задачи. Например, известны две стороны треугольника и высота, опущенная на третью сторону. Необходимо найти периметр треугольника.

Решая полуалгоритмические задачи, ученик учится «сворачивать» знания, фиксируя их в сознании крупными блоками. При этом он начинает применять усвоенные алгоритмы в разных ситуациях.

Эвристические задачи — задачи, для решения которых необходимо выявить некоторые скрытые связи между элементами условия и требования или найти способ решения, причем этот способ не является очевидной конкретизацией некоторого обобщенного правила, известного ученику, или сделать и то и другое. Например, известны стороны треугольника. Нужно найти расстояние от середины высоты, проведенной к меньшей стороне, до большей стороны треугольника.

При решении эвристических задач ученик должен использовать эвристические приемы и методы.

Алгоритмические методы решения задач

Значительное количество задач предполагает при своем решений не творческую деятельность, а применение в основном определенного правила, формулы, определения, теоремы.

Например, для решения любого уравнения первой степени необходимо известные слагаемые перенести в правую часть, а слагаемые, содержащие неизвестные, перенести в левую часть, привести подобные члены и обе части уравнения разделить на коэффициент при неизвестном, если он отличен от нуля. Если он равен нулю, то поступают известным образом.

Приведенное правило - предписание алгоритмического типа, или алгоритм решения линейного уравнения. Правила сравнения чисел, действий над числами в различных числовых множествах, решения линейных, квадратных уравнений, неравенств - все это примеры алгоритмов. Под алгоритмом
понимается точное общепонятное предписание о выполнении в определенной последовательности операций для решения любой из задач, принадлежащих некоторому классу.

Алгоритм может быть задан в виде таблицы, правила, формулы, определения, описания. Алгоритм может регламентировать действие с различной степенью подробности - свернутости, в зависимости от того, кому он предназначается. Если алгоритм предъявлен в форме последовательности команд, то это готовая программа действия. Приведем пример. Чтобы сложить десятичные дроби, нужно: 1) уравнять в этих дробях количество знаков после запятой; 2) записать их друг под другом так, чтобы запятая была записана под запятой; 3) выполнить сложение, не обращая внимания на запятую; 4) поставить в ответе запятую под запятой в данных дробях (Випенкин Н.Я. и др.
Математика 5- М., 2000).

Если алгоритм задан в виде формулы, правила, таблицы, определения, то программы нет. Ее предстоит создать решающему задачу. Рассмотрим в качестве примера определение решения системы неравенств с переменной как значение переменной, при котором каждое из неравенств системы обращается в верное числовое неравенство. Определение подразумевает следующие шаги решения системы неравенств: 1) решить каждое неравенство; 2) найти пересечение полученных множеств.

Алгоритмы можно разделить на алгоритмы распознавания и преобразования. Признаки делимости, рассмотренные ранее алгоритмы подведения под определение и под понятие являются примерами алгоритмов распознавания.
Алгоритмы по применению формул являются алгоритмом» преобразования.
Однако при применении конкретной формулы, например, квадрата суммы двух чисел, вначале происходит узнавание формулы, доказательство того, что выбор формулы сделан правильно, а затем производится собственно преобразование: актуализация формулы и использование ее по шагам. Описанная деятельность состоит из следующих шагов: 1) найти первый член двучлена; 2) найти второй член двучлена; 3) возвысить первый член двучлена в квадрат; 4) составить произведение первого и второго членов двучлена; 5) удвоить результат предыдущего шага; 6) возвысить второй член двучлена в квадрат; 7) результаты третьего, пятого и шестого шагов сложить.

Значительное число различных правил в школьных учебниках математики в последнее время сообщается учащимся в форме алгоритма с выделенной последовательностью шагов. Использование правила в этом случае представляет собой меньшую трудность для учащихся, чем использование правила при отсутствии выделенных шагов или если какие-то операции - шаги действия в предписании пропущены, только подразумеваются и должны быть восполнены учащимися самостоятельно.

Рассмотрим правило сложения чисел с разными знаками в следующей форме: чтобы сложить два числа с разными знаками, надо: 1) из большего модуля вычесть меньший; 2) поставить перед полученным числом знак того слагаемого, модуль которого больше.

Этот алгоритм требует от школьника доработки, т. к. в нем не обозначены шаги: найти модуль каждого числа; сравнить модули и выделить число с большим модулем; определить знак числа, имеющего больший модуль. Эти шаги отдельными учащимися легко выполняются, а для других их выделение представляет существенные трудности.

В отдельных случаях операции, входящие в состав действий, приведены в учебниках в описательной форме или показаны на примерах, и для осуществления действий учащимся требуется выделить операции - отдельные шаги действия самостоятельно, как, например, при составлении пропорций при использовании подобия треугольников.

Проблема составления алгоритмов по изученному материалу связана с рядом важнейших проблем обучения математике: применение теоретических знаний на практике и развитие алгоритмического мышления. Под алгоритмическим мышлением понимается особый аспект культуры мышления, характеризующийся умением составлять и использовать различные алгоритмы.

Составлению, выделению алгоритмов необходимо специально обучать.

Это может происходить с помощью проведения обобщений при решении нескольких аналогичных задач. Необходимо обучать чтению формул словами, необходимо обучать переходу от речевой, формы в аналитическую и обратно, необходимо обучать строить программы действий в тех случаях, когда материал в книге или в рассказе предъявлен в описательной форме. Это и будет означать обучение применению теоретических знаний на практике и развитие алгоритмического мышления. Необходимо также обучать разворачивать, дополнять алгоритмы, предъявленные в готовой форме.

При использовании готовых алгоритмов целесообразно пользоваться компактным методом. Метод состоит в том, что (алгоритм) правило произносится по частям, на которые оно разбито по смыслу, и каждая операция выполняется вслед за произнесением соответствующего текста (пример приведите самостоятельно). Тем самым обеспечивается сознательное усвоение соответствующего правила. Компактный метод противопоставляется раздельному, когда произнесение правила целиком и его применение следуют друг за другом.

Вторая рекомендация по использованию алгоритмов вытекает из положений теории деятельности. Она заключается в требовании проведения всех операций, содержащихся в алгоритме (правиле) во внешнем плане и в развернутой форме, т. е. в написании и проговаривании всех операций без пропусков.

Типовые (полуалгоритмические) задачи и методы их решения

Рассмотрим две задачи, которые можно решить с помощью одной и той же теоретической базы - с помощью векторов.

ЗАДАЧА 1. Доказать, что диагонали ромба перпендикулярны.

Пусть ABCD -
ромб. Для доказательства введем два неколлинеарных вектора: ВА
и ВС
и выразим векторы АС и В
D
, расположенные на диагоналях, через введенные:

Чтобы доказать перпендикулярность векторов АС
и BD, достаточно доказать равенство нулю их скалярного произведения.

Равенство нулю скалярного произведения двух ненулевых векторов говорит о том, что косинус угла между ними равен 0°, а значит, угол между векторами - прямой, т. е. прямые, на которых располагаются рассматриваемые векторы, перпендикулярны.

ЗАДАЧА 2. Доказать с помощью векторов свойство средней линии трапеции.

Пусть АВСО
- трапеция, точки Е
и F
-середины отрезка АВ
и CD
соответственно.

Введем векторы и выразим вектор EF
из двух многоугольников:

; .

Сложим почленно полученные равенства:

,

.

Последнее равенство можно интерпретировать следующим образом: т. к. векторы ВС
и AD
коллинеарны по определению трапеции, то и вектор EF
также коллинеарен им, т. к. является линейной комбинацией этих векторов, а значит, отрезок EF
параллелен основаниям трапеции. Т. к. векторы ВС
и AD
сонаправлены, то длина вектора равна сумме длин векторов ВС
и AD
и, следовательно, длина вектора EF
равна полусумме длин векторов ВС я
AD .
А значит, длина отрезка EF
соответственно равна полусумме длин отрезков ВС
и AD .

Что можно заметить на примере решения приведенных двух задач? При их решении можно выделить одинаковую схему - одинаковые шаги решения, а именно:

введение удобным образом векторов;

переформулирование условия и требования задачи на язык векторов;

решение вновь сформулированной задачи с помощью векторного аппарата (определений, законов действий и т. д.);

интерпретирование результатов, полученных на языке векторов, на обычный геометрический язык.

По выделенной схеме решается как первая, так и вторая задача. По этой же схеме с помощью векторного аппарата можно решить многие геометрические задачи. Перечисленные шаги образуют прием решения задач векторным методом.

Этот прием учитель может представить ученикам в готовом виде. Но большую познавательную ценность имеет работа по самостоятельному выделению учащимися под руководством учителя шагов приведенного приема. Некоторые методисты отрицательно относятся к решению типовых задач как к натаскиванию. Однако учащиеся, знакомые с приемом, умеют решить не одну конкретную задачу, а целый класс задач, к которым они подходят с более высоких позиций обобщения учебного материала. Материал лучше структурируется, повышаются его уровень системности, возможности учащихся при решении задач. Ученик, не владеющий наиболее распространенными типами задач, не сможет решить ни одной нестандартной задачи или будет делать это со значительно большим усилием, чем тот, у кого в запасе владение многими типами задач.

Четыре выделенных шага образуют прием по решению задач данного типа. Этот прием можно отнести к полуалгоритмическим приемам, т. к. знание его не обязательно приведет решающего к получению верного результата, но может существенно облегчить поиск. Алгоритмические предписания являются той базой, владение которой облегчает решение задач.

В настоящее время учителями и методистами разработано много готовых приемов решения задач, но осталось место и для творчества.

Как организовать работу по выделению приема решения задач и его применению? Подготовка к приему может быть организована задолго до явного введения самого приема. Учащиеся решают задачи, а учитель старается акцентировать их внимание на средствах решения, на последовательности одних и тех же шагов. Этот период можно назвать пропедевтическим, подготовительным в формировании приема. Следующий этап - этап явного введения приема (предписания) с помощью учащихся на основе сравнения процессов решения выделенных задач. Далее организуется работа по закреплению шагов предписания и применению всего приема.

Самостоятельно составленное учителем предписание требует предварительной проверки на решении нескольких задач и внесения в него при необходимости корректировки.

В качестве еще одного примера приведем предписание по решению задач с помощью составления уравнений.

1. Определи, сколько и какие объекты, процессы, ситуации рассматриваются в задаче.

2. Укажи величины, которые характеризуют каждый объект, каждый процесс, ситуацию.

3. Установи зависимости, существующие между выделенными величинами.

4. Укажи, какие из выделенных величин известны.

5. Укажи неизвестные величины,

6. Определи зависимости между неизвестными величинами.

7. Выбери одно из неизвестных за x
рациональным образом.

8. Вырази остальные неизвестные через х.

9. Выдели условие, оставшееся для составления уравнения.

10. Составь уравнение и реши его.

11. Сделай проверку и запиши ответ.

Рассмотрим применение предписания на конкретном примере.

ЗАДАЧА. Из пункта А
выехал велосипедист. Одновременно вслед за ним из пункта В,
отстоящего от А
на расстоянии 20 км, выехал мотоциклист. Скорость велосипедиста 12 км/ч, мотоциклиста 16 км/ч. На каком расстоянии от пункта А
мотоциклист догонит велосипедиста?

Ответ на первый вопрос предписания предполагает появление двух строк таблицы:

Участники

Велосипедист

Мотоциклист

Ответ на второй вопрос предписания обосновывает появление трех столбцов таблицы:

Участники	Скорость, км/ч	Время, ч	Расстояние, км
Велосипедист
Мотоциклист

При ответе на третий вопрос ученики могут в устной форме указать зависимости между выделенными величинами. В отдельных случаях возможна их письменная запись. При ответе на четвертый вопрос в таблицу вносятся два числовых значения скорости - 12 и 16 км/ч. Ответ на пятый вопрос предполагает расстановку знаков вопроса в таблице вместо всех остальных величин. Ответ на шестой вопрос дополняет таблицу двумя отношениями:

Участники	Скорость, км/ч	Время, ч	Расстояние, км
Велосипедист	12	?	? на 20 меньше
Мотоциклист	16	?	? =

Шестым шагом предписания заканчивается анализ условия задачи, заполнив таблицу, учащийся воспринял структуру задачи и выделил ее условия.

Ответы на вопросы 7-9 помогают ученику в построении второй таблицы, которая приводит его к составлению уравнения:

Участники.	Скорость, км/ч	Время, ч	Расстояние, км
Велосипедист	12	X	12х на 20 меньше
Мотоциклист	16	X	16х

Без пропедевтики приведенного приема, без специального обучения учащихся выделению процессов, величин, их характеризующих, установлению взаимосвязей между ними, составлению и уравниванию выражений введение приема нецелесообразно.

В заключение можно добавить, что подготовка учащихся к введению приведенного предписания, само введение и обучение пользоваться им могут осуществляться учителем на любом подходящем материале.

Попытайтесь самостоятельно построить стратегию обучения учащихся этому приему на разных этапах его формирования: на подготовительном этапе, на этапе введения в явном виде и на этапе закрепления.

Обучение соответствующим приемам - наиболее эффективный путь обучения решению задач различных типов.

Эвристические методы решения задач

Задачи можно разделить на стандартные и нестандартные. Нестандартная задача
– это задача, решение которой не является для решающего известной цепью известных действий. Для ее решения учащийся сам должен изобрести (составить, придумать) способ решения.

Как производится поиск решения новой, нестандартной задачи? Универсального ответа на этот вопрос нет. Однако в каждой задаче, как в клубке ниток, можно обнаружить ту ниточку, потянув за которую, можно распутать весь клубок. Такой ниточкой является основная идея решения, один из общих методов решения, которые принято называть эвристиками.
Эвристиками называются и отдельные методы решения задач, и учение об общих методах поиска решения задач. Эвристический метод-прием решения задачи не является приемом в полном смысле этого слова - системой определенных операций. Это, как уже сказано, основная идея решения задачи. Знание эвристик не дает гарантии того, что будет решена любая задача. Эвристики лишь помогают квалифицированно делать попытки поиска решения. При решении некоторых задач может быть использовано несколько эвристик. Учителю необходимо знание эвристик для того, чтобы помочь учащимся обнаружить их в собственной (учащихся) деятельности, разобраться в сущности методов и научиться ими пользоваться. Приведем примеры наиболее часто используемых эвристик и соответственно задач, которые решаются с их помощью.

Наиболее часто используемой эвристикой является метод восходящего анализа

- решение задачи с конца, от требования - к условию. Эта эвристика осознанно или неосознанно, в большей или в меньшей степени используется при решении любой задачи.

ЗАДАЧА. Доказать, что в прямоугольном треугольнике биссектриса угла делит пополам угол между медианой и высотой, проведенными к гипотенузе (см. рис.).

При использовании метода анализа постоянно отыскивается ответ на вопрос, что достаточно найти, доказать, чтобы ответить на вопрос. Чтобы доказать равенство углов ОВК
и КВМ,
достаточно доказать равенство углов АВМ
и СВО.
А так как углы МВА
и ВАМ
равны, то для доказательства равенства углов СВО
и МВА
достаточно доказать равенство углов СВО
и CAB.
А доказать равенство этих углов уже не составит труда.

Достаточно универсальной является и другая эвристика - переформулирование

. Суть этого эвристического приема заключается в том, что условия или требования, а возможно, то и другое одновременно, заменяются на новые, эквивалентные имеющимся, но позволяющие упростить поиск решения. В простейших случаях переформулировка - это замена термина его содержанием. Рассмотрим на примере эту эвристику.

ЗАДАЧА. Доказать, что середины оснований трапеции, точка пересечения диагоналей и продолжений боковых сторон лежат на одной прямой.

Оказывается, что поиск решения задачи облегчается, если задачу сформулировать иначе: доказать, что прямая, проходящая через точку пересечения диагоналей трапеции и точку пересечения продолжений боковых сторон, делит основания трапеции пополам. Задача при этом остается той же, но новая формулировка подсказывает определенный метод решения.

Иногда при поиске решения трудной задачи помогает аналогия с использованием методов решения уже решенной задачи. Например, предстоит решить следующую задачу.

ЗАДАЧА. Через некоторую точку, расположенную вне окружности, проведена к этой окружности секущая. Доказать, что произведение отрезков АВ
и АС
(см. рис.) есть величина постоянная для данной окружности и данной точки.

Если к этому моменту оказывается уже решенной задача: «Доказать, что произведение отрезков хорд, проходящих через данную точку внутри данной окружности, есть величина постоянная», то можно перенести метод ее решения на новую задачу. А именно, вначале целесообразно переформулировать требование: проведя через точку А
еще одну секущую, докажем, что АС·АВ =
AE·
AD.
Чтобы доказать это равенство, преобразуем его в пропорцию , которая наталкивает на поиск подобных треугольников с названными сторонами.

При решении ряда задач может помочь метод суперпозиции

-
решение задач в частных случаях. Причем рассматриваемые частные случаи должны полностью исчерпывать все возможные случаи. Например, требуется доказать неравенство: .

Найти общее решение данной задачи можно, но довольно трудно, а решить ее в трех случаях, когда а <
0, и а >
1, не представляет труда. Например, если а<
0, то выражение слева можно представить как , которое принимает лишь положительные значения. Если , то его же можно представить как , и тогда очевидно, что оно принимает положительные значения в рассматриваемом промежутке. Если а>
1, то выражение можно представить как . Рассмотренные три случая полностью исчерпывают все возможные значения параметра а
.

Метод суперпозиции не следует смешивать еще с одной эвристикой - рассмотрением частных случаев, которые не исчерпывают всех возможных случаев. Тогда вывод, полученный по индукции, требует доказательства.

Иногда для поиска идеи решения задачи полезно рассмотреть какой-нибудь крайний, предельный случай. Эта эвристика так и называется «предельный случай

». Рассмотрим задачу: доказать, что сумма расстояний от любой точки внутри правильного тетраэдра до его граней есть величина постоянная.

Чтобы доказать требование, желательно предварительно выяснить, что это за величина. Для этого и используется предельный случай. Возьмем в качестве произвольной точки одну из вершин тетраэдра. Тогда легко обнаружить искомую величину. Сумма расстояний от любой точки внутри тетраэдра до всех его граней равна высоте тетраэдра. С помощью предельного случая производится уточнение требования, его переформулировка, а для поиска пути доказательства могут быть привлечены другие эвристики.

Довольно часто при поиске решения задач может помочь еще одна эвристика - прием обобщения

, когда вместо имеющейся задачи решается другая, более общая по отношению к данной.

Например, требуется определить, какое число больше: 19971998 или 19981997.

Преобразование разности этих выражений к успеху не приводит. Но если выражения прологарифмировать: 1998 lg
1997 и 1997 lg
1998, то вместо исходных можно сравнивать выражения и , тогда оказывается, что сравнивать надо два значения функции , т. е. требуется решить вопрос, какой характер монотонности имеет функция, а это стандартная задача.

Очень важной эвристикой, используемой при решении большого числа задач, является выделение подзадач

, решение которых не составляет труда, внутри основной задачи. Тем самым упрощается структура основной задачи.

ЗАДАЧА. Из двух пунктов, расстояние между которыми 100 км, выехали одновременно навстречу друг другу два велосипедиста. Скорость одного из них была 15 км/ч, а другого-10 км/ч. Вместе с первым велосипедистом выбежала собака со скоростью 20 км/ч. Встретив второго велосипедиста, собака повернула обратно и побежала навстречу первому велосипедисту. Встретив первого велосипедиста, она снова повернула. Собака бегала между велосипедистами до тех пор, пока велосипедисты встретились. Сколько километров пробежала собака?

Если решение задачи начинать с рассмотрения движения собаки и второго велосипедиста, то перед решающим встает необходимость рассматривать последовательность встречных движений, что может оказаться очень непростым делом. А если внутри основной задачи выделить в качестве элементарной подзадачи движение велосипедистов навстречу друг другу, в которой требуется определить время до их встречи, то сразу вырисовывается и вторая элементарная подзадача - движение собаки, скорость и время которой известны, а маршрут движения - безразличен.

Прием выделения подзадач внутри основной задачи применяется при решении подавляющего большинства задач. Этот прием используется, в частности, когда решается любая задача на описанные и вписанные в сферу многогранники, когда требуется, например, доказать, что центр сферы, вписанной в правильную пирамиду, лежит на высоте пирамиды; что основание перпендикуляра, опущенного из любой точки высоты пирамиды на боковую грань, попадает на апофему боковой грани. Не зная, как решить задачу, решающий часто проводит рассуждения по схеме: «По данным задачи я могу найти то-то и то-то, а что это мне дает для решения основной задачи?»

При решении ряда задач может оказаться полезным метод

непрерывных величин

. При этом используется следующее положение: если некоторая величина меняется непрерывно в зависимости от некоторой другой величины и при этом при разных значениях второй величины значения первой окажутся больше и меньше некоторого числа С,
то это означает, что существует значение второй величины, при котором значение первой равно С.
Рассмотрим задачу.

ЗАДАЧА. На плоскости начерчен квадрат и не перекрывающийся с ним треугольник (см. рис.). Существует ли прямая, которая разделила бы одновременно каждую из этих фигур на две равновеликие части.

Заметим, во-первых, что любая прямая, проходящая через центр квадрата, разбивает его на две равновеликие части. При этом справедливо и обратное предложение. Следовательно, задачу можно переформулировать следующим образом: провести через точку О
прямую так, чтобы она разбивала треугольник на две равновеликие части. Вначале рассмотрим некоторую прямую l
, не пересекающую треугольник.

Затем начнем вращать эту прямую вокруг точки О.
Тогда оказывается, что при некотором положении прямой площадь «заметенной» части треугольника меньше , а в какой-то момент, при достаточном угле поворота прямой, эта прямая заметет площадь, большую . Так как величина заметенной площади меняется непрерывно (малому изменению значения угла поворота соответствует малое изменение значения заметенной площади), то найдется такое значение угла поворота прямой, при котором величина «заметенной» части станет равной .

Метод вспомогательных неизвестных

- эвристика, используемая как при решении алгебраических задач, так и при решении геометрических задач. Рассматриваемый метод имеет три модификации: когда при замене число переменных или уменьшается, или увеличивается, или остается неизменным. Цепи введения вспомогательных неизвестных при этом различные. Рассмотрим три задачи.

ЗАДАЧА 1 . Доказать, что при любых действительных, отличных от нуля х
и у,
справедливо неравенство:

, .

, .

И вместо исходного неравенства получаем: или .

Неравенство (*) выполняется для всех U
, кроме .

Однако , т.е. . Значит, исходное неравенство выполняется при всех допустимых значениях х
и у.

ЗАДАЧА 2. В качестве второго примера, когда при замене число переменных сохраняется, рассмотрим решение уравнения: .

Замена сводит исходное уравнение к достаточно хорошо известной форме: .

В качестве третьего примера рассмотрим стереометрическую задачу.

ЗАДАЧА 3. Около правильной треугольной пирамиды с плоским углом при вершине описана сфера. Найти отношение объема пирамиды к объему шара, ограниченного сферой.

В этой задаче требуется найти отношение величин. Объем выражается через значения каких-то линейных элементов, которые в задаче не заданы. Однако задача имеет решение, т. к. данный угол определяет всю задачную ситуацию с точностью до подобия.

Оказывается, что если какой-нибудь линейный элемент, например, сторону основания пирамиды, взять за неизвестное х
, то все остальные линейные величины можно выразить через х
и.
При нахождении искомого отношения задачи вновь введенная переменная х
сократится.

Ограничимся рассмотренными примерами эвристик как наиболее часто встречающихся при решении математических задач. Но не только математических. Методы анализа, переформулирования, рассмотрение частных и предельных случаев используются
при решении физических, технических и задач других областей знаний.

Надо ли знакомить учащихся с эвристиками специально? Решающие находят, изобретают эвристики и сами. Но для этого нужны значительные усилия и время. Учителю полезно обратить внимание учащихся на метод, с помощью которого удалось осуществить поиск решения трудной задачи. Это можно сделать после решения задачи с помощью вопросов типа: «Как удалось переформулировать требование (условие) задачи?»; «Какие подзадачи удалось выделить, облегчив решение основной?»; «Как при решении задачи была использована аналогия?» Так постепенно вместе с учителем учащиеся осознают многие из используемых ими приемов, что позволит в дальнейшем сознательно привлекать их к решению других задач. При этом поиск решения становится более эффективным. Владение эвристиками расширяет творческие возможности учащихся.

И еще одно замечание относительно эвристик. Как правило, в чистом виде единичные эвристики при решений задач не применяются. Имеет место использование некоторой совокупности эвристик. Ни одна задача не обходится без методов анализа, переформулирования, выделения известных подзадач.

В методике Р.Г. Хазанкина, известного учителя из Белорецка, обучение эвристикам можно усмотреть в его методике решения «ключевых» задач. Ключевыми он называет задачи раздела, при решении которых раскрываются основные математические идеи, используемые для решения большого класса задач. Уроки решения «ключевых» задач проводятся в форме лекции, после чего учащиеся пытаются использовать рассмотренные идеи при решении других задач раздела.

4. Организация обучения решению математических задач

Фронтальное решение задач
. Под фронтальным решением задач обычно понимают решение одной и той же задачи всеми учениками класса в одно и то же время. Организация фронтального решения задач может быть различной.

1) Устное фронтальное решение задач

наиболее распространено в IV-VII классах, несколько реже, хотя и находит применение, в старших классах средней школы. Это прежде всего выполняемые устно упражнения в вычислениях или тождественных преобразованиях и задачи-вопросы, истинность ответов на которые подтверждается устными доказательствами. В настоящее время учителя математики IV-VII классов почти на каждом уроке проводят "пятиминутки" устных упражнений. К сожалению, часто этим и ограничивается выполнение устных упражнений. А надо отметить, что одной из задач обучения математике является обучение быстрым устным вычислениям. Решения этой задачи надо добиваться на всех этапах обучения, поэтому там, где это возможно (а не только на "пятиминутках" устного счета), вычисления следует выполнять устно. Если ученики научатся устно выполнять вычисления и несложные преобразования, то на уроках математики, физики, химии освободится значительная часть времени, которое сейчас расходуется на нерациональное выполнение вычислений и выкладок.

При организации устных фронтальных упражнений следует учесть, что использование табличек, таблиц, кодоскопа и других средств представления учащимся устной задачи значительно экономит время устных упражнений и оживляет уроки математики.

Таблички изготавливает обычно учитель или отдельные ученики по его заданию. Например, таблички с заданиями для устных вычислений при изучении умножения дробных и целых чисел (удобные размеры табличек 300 х 150мм).

Таблицы для устных упражнений могут иметь различную форм и применяются неоднократно с различными заданиями.

Как таблички, так и таблицы могут быть изображены на пленке и спроецированы на экран или доску через кодоскоп. Изготовление табличек и таблиц - более трудоемкое дело, чем кодопозитивов, а результаты использования практически равноценны.

2) Письменное решение задач с записью на классной доске

. В практике обучения немало таких ситуаций, в которых удобнее, чтобы одну и ту же задачу решали все ученики класса одновременно с решением этой же задачи на доске. При этом задачу на доске может решать либо учитель, либо ученик по указанию учителя.

Наиболее часто такую организацию решения задач на уроках математики применяют: а) при решении первых после показа учителем задач по ознакомлению с новыми понятиями и методами; б) при решении задач, самостоятельно с которыми могут справиться не все ученики класса; в) при рассмотрении различных вариантов решения одной и той же задачи - для сравнения и выбора лучшего варианта; г) при разборе ошибок, допущенных несколькими учениками класса при самостоятельном решении задачи и т.д. Во всех этих случаях бывает полезно и коллективное решение (или коллективный разбор решения задач).

Рассмотрим подробнее, как можно провести сравнение различных вариантов решения задачи. Учитель может при фронтальном устном анализе условия задачи наметить вместе с учениками несколько вариантов решения задачи. Некоторые из них как нерациональные могут быть сразу отвергнуты. Другие же не отвергнутые варианты для лучшего рассмотрения, оценки и сравнения стоит записать на доске. В этих целях можно сразу вызвать двух-трех учеников к доске для одновременного решения задачи разными способами (если позволяют размеры доски). Надо только учесть, что руководство решением задачи в этом случае требует некоторого мастерства от учителя: необходимо правильно распределить свое внимание между учащимися, решающими задачу у доски, и остальными учениками класса. Нужно также предусмотреть, чтобы внимание учащихся класса, решающих задачу, не рассеивалось действиями учеников у доски. Можно варианты решения воспроизводить на доске поочередно, но это займет больше времени. Для ускорения работы учитель может сам быстро выполнить на доске необходимые записи некоторых вариантов решения. Возможно также использовать кодоскоп, с помощью которого можно воспроизводить заготовленные заранее записи других решений задачи.

3) Письменное самостоятельное решение задач.
Наиболее эффективной является такая организация решения математических задач, при которой ученики обучаются творчески думать, самостоятельно разбираться в различных вопросах теории и приложений математики. Самостоятельное решение учащимися задач на уроках математики имеет многие преимущества.

Во-первых, оно значительно повышает учебную активность учащихся, возбуждает их интерес к решению задач, стимулирует творческую инициативу. Таким образом, повышается эффективность урока. Самостоятельное решение задач развивает мыслительную деятельность учащихся, а в этом заключается одно из основных назначений задач и упражнений на уроках математики.

Во-вторых, не имея возможности копировать решение задачи с доски, ученик вынужден сам разбираться в решении задачи, а потому и лучше готовиться к урокам математики.

В-третьих, самостоятельное решение математических задач часто сокращает время, необходимое для опроса учащихся на уроках математики, так как оценивать успехи учащихся в некоторых случаях можно и по итогам самостоятельного решения задач.

В-четвертых, учитель получает возможность направлять индивидуальную работу учеников по решению задачи, предотвращать ошибки, указывать пути их исправления.

Допустимы различные формы организации самостоятельного решения задач учащимися.

Некоторые учителя так организуют самостоятельные работы по решению задач на уроках математики: учитель подбирает задачи; в процессе работы учитель помогает некоторым ученикам советом, как лучше их решить, другим он советует обратиться к учебнику, третьи справляются с работой без помощи учителя. Учитель все время наблюдает за работой учеников, отмечая, кому из учеников и в чем он помог. Затем самостоятельная работа проверяется и оценивается с учетом степени самостоятельности ученика. При такой организации самостоятельной работы осуществляется и обучение, и контроль знаний по изучаемому разделу математики. Чаще всего учитель заранее предопределяет цели самостоятельных работ по решению задач. Такие работы могут быть обучающими новым знаниям, умениям и навыкам, могут быть предназначены для закрепления изученного и тренировки в применении теоретических сведений, могут быть предложены с целью проверки подготовленности учащихся по изученным вопросам. На обучающих самостоятельных работах по решению математических задач учитель может оказывать помощь отдельным учащимся, а может предложить самостоятельное решение задачи после предварительного ее анализа и составления плана решения.

Существуют и такие формы самостоятельных обучающих работ по математике, при выполнении которых учащиеся самостоятельно изучают небольшой теоретический материал, разбирают образцы решения задач, предложенные учителем, самостоятельно решают аналогичные задачи.

Для лучшего проведения самостоятельных работ учащихся по решению математических задач полезно перед началом такой работы проводить инструктаж, в котором четко указать, что должны выполнить учащиеся в такой работе, каков порядок ее выполнения, сроки и пр. Желательно после проверки правильности самостоятельных решений проанализировать с учащимися результаты такой работы. Это возможно на следующих уроках или на консультациях.

4) Комментирование решения математических задач
. Комментирование решения задач заключается в следующем: все ученики самостоятельно решают одну и ту же задачу, а один из них последовательно поясняет (комментирует) решение. Некоторые учителя превращают комментирование в запись под диктовку: один ученик воспроизводит голосом все, что он записывает в тетрадь (без каких-либо пояснений), а все остальные поспешно записывают сказанное им. Ясно, что такое применение комментирования не приносит должной пользы.

Комментирование обозначает объяснение, толкование чего-нибудь. Именно так и следует понимать комментирование при решении математических задач. Ученик-комментатор объясняет, на каком основании он выполняет то или иное преобразование, проводит то или иное рассуждение, построение. При этом каждый шаг в решении задачи должен быть оправдан ссылкой на известные математические предложения. Вот пример комментирования: "Доказать, что сумма трех последовательных натуральных чисел не может быть простым числом.

Обозначим первое из этих чисел буквой n. Тогда два следующих за ним числа запишутся n+1, n+2, так как второе на 1, а третье на 2 больше первого числа. Запишем сумму этих трех чисел и преобразуем ее. Сначала раскрываем скобки, применяя сочетательный закон сложения. Затем приводим подобные члены. Вынося общий множитель (по распределительному закону), получаем результат. Полученное выражение есть произведение двух множителей 3 и n +1, а потому оно не может быть простым числом ни при каких натуральных значениях n."

Такое комментирование приносит явную пользу при решении задач. Учащиеся, даже недостаточно подготовленные по математике, услышав объяснение следующего этапа в задаче, постараются выполнить его самостоятельно. Правда, такое объяснение требует от учеников не только формального решения задачи, но, что очень важно, и понимания существа выполняемого преобразования, активной работы мысли. Но ведь этого и следует добиваться при решении задач.

Индивидуальное решение задач
.

Необходимость индивидуального подхода при организации обучения решению задач
. Фронтальное решение учебных математических задач не всегда приводит к желаемым результатам в обучении математике. При фронтальной работе все ученики класса решают одну и ту же задачу. Для одних учащихся эта задача может оказаться очень легкой, и они при решении такой задачи практически не почерпнут ничего нового. У других, наоборот, задача может вызвать серьезное затруднение. Поэтому необходим учет индивидуальных особенностей учащихся и в связи с этим индивидуальный подбор задач. Задачи следует подбирать и систематизировать так, чтобы, с одной стороны, учитывались возможности и способности ученика, с другой стороны, его способности развивались бы.

Задача учителя заключается, следовательно, в том, чтобы выяснить подготовку, возможности и способности к изучению математики каждого ученика класса и в соответствии с этим организовать решение математических задач. Важна индивидуализация учебных математических задач по силам и возможностям учащихся. Это позволяет овладеть необходимыми умениями и навыками слабым ученикам и в значительной степени совершенствоваться более сильным.

Индивидуализация самостоятельных работ учащихся по решению задач
. В условиях, когда все ученики самостоятельно решают одну и ту же задачу, учитель может учитывать индивидуальные особенности учащихся лишь при оказании им помощи в решении задачи, при проверке выполненной работы. При этом не полностью учитываются возможности учащихся. Для более полного учета способностей и математической подготовки учащихся, использования их возможностей необходимо предлагать для самостоятельного решения учащихся не одинаковые, а различные задачи с учетом индивидуальных особенностей ученика. Но поскольку в классе есть примерно равные по успехам в математике ученики, то можно подбирать задачи не для каждого ученика в отдельности (это было бы затруднительно для учителя), а для отдельных групп школьников класса. В этих целях полезно использовать издающиеся теперь "Дидактические материалы по алгебре", "Дидактические материалы по геометрии" для различных классов. При такой постановке обучения слабые ученики, справившись самостоятельно или при помощи учителя с простейшими задачами, обретают веру в свои силы. Сильные же учащиеся имеют возможность совершенствовать свои способности и познания в математике. Разумеется, подбор индивидуальных заданий преследует цель для каждой выбранной учителем группы учащихся составить систему задач. Эти группы не должны иметь постоянного состава: по мере овладения необходимыми знаниями учащиеся "переводятся" из группы для менее подготовленных в другую - для более подготовленных.

Индивидуализация самостоятельных работ учащихся по устранению пробелов в знаниях математики.
Исключительное значение приобретают самостоятельные работы учеников по устранению пробелов в знаниях математики. Такие пробелы могут быть выявлены с помощью проверочных и контрольных работ, а также при решении задач на уроке или дома. Ученикам, работающим над устранением пробелов в своих знаниях по математике, надо указать в тетради допущенные ошибки. При этом сильным ученикам достаточно подчеркнуть неверный результат, а ошибку такой ученик найдет сам. Одним ученикам полезно подчеркнуть допущенные ошибки, а некоторым, наиболее слабо подготовленным, исправить. В тетрадях указываются разделы учебника, которые ученик обязан восстановить в своей памяти, и выписываются .задачи (можно указать номера задач из задачников или учебников), которые надлежит ученику решить, чтобы восполнить имеющийся пробел в знаниях и умениях. Конечно, задачи подбираются с учетом причин, вызвавших ошибку. Дело в том, что одна и та же ошибка может быть допущена по различным причинам и устранять надо не ошибку, а причину, ее породившую. Такая организация решения задач по ликвидации пробелов в знаниях школьников приносит большую пользу, чем фронтальные работы над ошибками. При этом учитываются как индивидуальные особенности учащихся, так и характер изучаемого материала.

Домашнее решение задач учащимися
. Содержание задач и упражнений, предлагаемых для домашней работы учащихся, должно быть подготовлено предшествующей работой на уроке. Это не означает, что для домашнего решения должны предлагаться лишь задачи, аналогичные решенным в классе. Такие домашние задания мало помогают усвоению математики. Решая домашние задачи "как в классе", ученики в лучшем случае прибегают к аналогии, а одной аналогии для обучения решению задач недостаточно. При такой работе ученики, как правило, сначала решают задачи (выполняют письменное задание), а затем читают учебник по математике. Порядок же должен быть иной: сначала повторение по учебнику теоретических сведений, затем решение задач.

Домашнее задание имеет целью не только повторение изученного на уроке, но и дальнейшее совершенствование математических знаний, умений и навыков. С учетом этого оно и должно быть составлено. Учитель дает необходимые указания по решению домашних задач, однако не устраняет всех трудностей, которые должны преодолеть учащиеся в процессе решения домашних задач. Ученики, решая задачи самостоятельно дома, обязаны проявлять свою инициативу, смекалку и настойчивость, мобилизовать для решения задач свои знания. Домашние задания по решению задач целесообразно связывать с углублением и уточнением изученного, с открытием каких-то новых его сторон.

Поскольку ученики обычно имеют индивидуальные особенности, различную подготовку по математике, следует индивидуализировать домашние задания по решению математических задач. При этом надо учитывать многие факторы: ученики при решении домашних задач должны устранить пробелы в знаниях (у кого они имеются), закрепить приобретенные на уроке знания, совершенствовать их. Через индивидуальные домашние задания (параллельно с работой на уроке) можно выявить наклонности отдельных учащихся, воспитывать у них увлечение математикой. Посильные же задания для слабых и отстающих учащихся помогут им преодолеть многие трудности в обучении решению задач. Надо заметить, что ученики с особым желанием решают задачи, предложенные им в индивидуальном порядке. Такие задания можно заготовить на специальных карточках.

5. Системы упражнений и требования к ним

В методике преподавания математики существуют две различные точки зрения на упражнения. Одна из них понятие упражнения
рассматривает как синоним понятия задача
, и исходя из этого упражнения наделяются различными функциями: мотивационной, организации подготовки к изучению нового материала, усвоения, закрепления и повторения изученного.

Чтобы специально выделить этапы закрепления и применения знаний, выяснить особенности организации деятельности учащихся на этих этапах, рассмотрим упражнения в их традиционном смысле - как многократное выполнение сходных действий с целью овладения умениями и навыками. С точки зрения теории деятельности упражнение - это та задача, для решения которой имеется ориентировочная основа. Упражнение предназначено для усвоения способа действия, отдельных операций действия, доведения действий до свернутой формы - до операции. При таком понимании упражнение - частный случай задачи, используемый при закреплении и применении.

В школьном курсе математики закреплению подлежат определения понятий, теоремы, правила, предписания по выполнению определенных действий.

При закреплении определений необходимо предусмотреть упражнения на выделение существенных свойств понятий, на их запоминание, на установление взаимосвязей между существенными свойствами, на усвоение терминологии, на установление объема понятия, на узнавание понятия, на выделение «зоны поиска» понятия, на получение следствий из имеющихся свойств понятий, раскрытие взаимосвязей с другими понятиями.

При закреплении теорем упражнения способствуют анализу формулировки и ее усвоению, запоминанию, узнаванию, уяснению области применения теоремы, получению следствии из теорем, установлению взаимосвязей с различными теоремами.

При закреплении правил, предписаний отрабатываются отдельные шаги и действие целиком, выясняется область их применения, особые случаи их использования.

Умения и навыки создаются в процессе выполнения упражнений, но не всякая их система приводит к формированию соответствующих умений и навыков.

Вопрос о системах упражнений является объектом внимания методистов, психологов, учителей. Однако он еще не стал традиционным вопросом методики преподавания математики, таким, например, как методика решения задач, изучения понятий. Есть необходимость в специальном рассмотрении вопроса в силу следующего важного обстоятельства.

В ряде школьных учебных пособий системы упражнений страдают различными недостатками, очень часто учителю самому приходится отбирать упражнения из имеющейся системы. Учитель является главным лицом, предъявляющим систему упражнений. «Там, где начинается чуть-чуть, - заметил И.Е. Репин,- начинается искусство». Чтобы владеть этим «чуть-чуть», необходимо знать определенные закономерности. Укажем отдельные закономерности, которых полезно придерживаться при отборе и составлении системы упражнений и при их выполнении.

Принципы отбора и составления систем упражнений

Рассмотрим вначале реализацию при отборе и составлении системы упражнений одного из основных педагогических принципов -
принципа систематичности.
Анализируя процесс познания, исходя из этого принципа, можно выделить следующие этапы при изучении нового материала (понятий, теорем, правил): изучение понятия, теоремы, правила как отдельно взятого факта, изолированного от ранее изученного материала, как факта самого по себе; установление связей между вновь изученным фактом и ранее изученным материалом, включение нового в различные системы изученного; систематизация накопленного материала с учетом вновь изученного факта.

Соответственно этим этапам все упражнения можно разделить на три вида: упражнения на изучение отдельных фактов изолированно от ранее изученного; упражнения, связывающий новый факт с ранее изученным, позволяющие рассматривать новый факт как элемент других систем и, наконец, упражнения на систематизацию изученного материала. Остановимся кратко на каждом виде упражнений.

Когда можно считать понятие, теорему, правило усвоенными учеником? Это возможно, если ученик понимает каждое слово в формулировке, запоминает формулировку, узнает и применяет их в стандартных и нестандартных ситуациях, когда факт встроен в имеющуюся систему знаний и умений.

Первый вид упражнений
обеспечивает понимание и запоминание, а также узнавание и применение понятия, теоремы, правила в простейших случаях. Первый вид упражнений способствует рассмотрению объекта вне содержащей его системы. При этом объект подвергается всестороннему анализу. Эти упражнения не несут нагрузки в плане создания системы знаний. Упражнения этого вида, как правило, не требуют привлечения дополнительных сведений, кроме изученного факта. При отборе и составлении упражнений на этом этапе необходим детальный анализ формулировки определений, теорем, правил. Каждая составная их часть, каждое существенное свойство и отношения между ними находят свое отражение в упражнениях этого вида. Упражнения первого вида включают в себя отработку всех существенных сторон понятий, теорем, правил.

Например, при изучении понятия гомотетии упражнения первого вида могут выглядеть следующим образом:

1. Укажите, что означает тот факт, что гомотетия является преобразованием фигуры.

2. Обоснуйте, почему в равенстве .

3. Укажите порядок действий при построении точки, гомотетичной данной, с центром гомотетии 0
и коэффициентом к.

4. Постройте точки, в которые переходит данная точка при гомотетии с центром 0
и коэффициентом: а) 2; 6) 5; в) ; г) 1.

5. Укажите положение точки А,
если известен центр и коэффициент гомотетии и точка , в которую перешла точка А.

6. Найдите коэффициент гомотетии, если известно положение трех точек О,
X,
, где О -
центр гомотетии, X -
данная точка,
- ей гомотетичная.

Второй вид упражнений
предполагает связывание вновь изученного материала с ранее изученным. Происходит многократное взаимодействие различных систем знаний, развитие старых знаний под воздействием новых.

Одновременно этот вид упражнений является препятствием на пути забывания старого, что происходит достаточно интенсивно, это подтверждает график забывания информации

Отдельные авторы считают, что выходом из такого положения является включение упражнений на повторение, сходных по некоторым несущественным признакам с упражнениями на закрепление нового материала, но в существенной части отличных от них.

Например, при решении упражнений на умножение смешанных чисел одновременно выполняются упражнения на сложение смешанных чисел. Такие упражнения одновременно выполняют функцию контрпримеров при изучении нового, что позволяет концентрировать внимание решающих на существенном и формировать устойчивые умения.

Такой подход важен, но не менее важно целенаправленное непрерывное повторение, непосредственно связываемое с изучением нового. Оно актуально также вследствие дефицита времени на организацию специального повторения. Непрерывное повторение позволит организовать рассредоточенное повторение материала, которое, является более эффективным, чем концентрированное. При необходимости любое содержание из изученного ранее может быть повторено при решении задач на применение вновь изученного материала.

Например, в действующих пособиях по планиметрии изучается богатая по своему применению теорема о вписанном угле. Применение этой теоремы может быть значительно расширено за счет установления взаимосвязей названной теоремы с такими разделами, как, например, координаты, векторы и т. д. Приведем примеры таких задач.

ЗАДАЧА 1. Даны три точки А
(1;1), В
(4;I), С
(4;5). Доказать, что центр описанной около треугольника АВС
окружности лежит на одной из его сторон.

ЗАДАЧА 2. Найти углы, образованные радиусами АО, ВО
и ОС окружности, описанной около треугольника АВС
, если А
(0;3), В
(2;3), С
и т. д.

Аналогично можно связать с системой ранее изученного любое вновь изучаемое содержание.

Третий вид упражнений упражнения
на систематизацию материала, полученного при выполнении упражнений первого и второго видов. Это могут быть упражнения на классификацию понятий, на установление генетических взаимосвязей между понятиями.

Например, установить зависимость между понятиями «подобие», «движение», «преобразование фигуры» (провести стрелки от более общего понятия к менее общему).

Составление генеалогических деревьев для понятия предполагает связывание в систему нескольких понятий раздела. Например, для понятия «угол» родословная таблица может выглядеть следующим образом:

Упражнениями третьего вида могут быть упражнения: на установление взаимосвязей между теоремами, например, указать взаимосвязь между теоремами Пифагора и косинусов; на построение родословных теорем, выделение свойств и признаков понятия, на группировку задач, теорем по методам их решения, доказательства.

Возможна систематизация материала по различным основаниям: выделение всех известных свойств некоторого понятия, всех полученных признаков, различных инвариантов преобразований, выделение сходного и различного в определениях, теоремах, методах решения, проведение сравнения и обобщения. Например:

- выделить все известные свойства подобных треугольников:

- сформулировать все признаки подобных треугольников;

- перечислить преобразования фигур, которые сохраняют неподвижной хотя бы одну точку;

- указать различие в положении соответствующих при гомотетии точек, если к >
I, к
= I и к <
I;

- выделить общие свойства равностороннего треугольника и квадрата;

- сравнить свойства равных и подобных треугольников;

- сравнить признаки равных и подобных треугольников;

- привести примеры понятий, в определении которых используется понятие равных отрезков;

- привести возможные различные определения понятия квадрат и т. д.

Систематизации знаний, их гибкости способствует выполнение упражнений, направленных на выявление возможных различий в чем-то сходных ситуаций, требующих использования различных теоретических сведений. Пример такого упражнения: покажите, как следует провести плоскость сечения, чтобы в сечении куба этой плоскостью получить: 1) квадрат; 2) прямоугольник; 3) трапецию; 4) четырехугольник, не имеющий параллельных сторон; 5) равносторонний треугольник; 6) равнобедренный треугольник; 7) разносторонний треугольник; 8) прямоугольный треугольник.

Уровни систематизации материала при этом могут быть различными: локальная систематизация на уровне двух фактов, систематизация внутри одной темы, внутри нескольких тем, внутри всего предмета, между предметами.

Формы систематизации (уроки по обобщению и систематизации материала) описаны в методической литературе.

При отборе и выполнении системы упражнений важно соблюдение принципа последовательности.
Этот принцип лежит в основе составления программ, написания учебников. При составлении и подборе систем упражнений он проявляется в том, что упражнения располагаются в порядке возрастания сложности: от менее сложного к более сложному, от менее трудного к более трудному, от более известного к менее известному. При этом в предлагаемых упражнениях производится вариация несущественного. Выделим, например, что может и должно варьироваться при изучении формулы разности квадратов двух выражений: это и обозначения переменных и наличие различных коэффициентов в выражениях, состав каждого выражения, порядок написания компонента вычитания и т. д. При этом следует придерживаться традиционной рекомендации: при переходе от одного упражнения к другому добавлять шаги решения следует постепенно, по одному. «По одной трудности за раз», как говорил К.Д. Ушинский. Это необходимо для того, чтобы при выполнении упражнений не требовалось существенных обобщений, значительных скачков мысли, на которые способны далеко не все учащиеся. Система упражнений по упомянутому правилу может быть следующей: а);
б) х2 - у2;
в) х4 - у2;
г);
д)
; е)
; ж) ;
з) .

Перечисленные упражнения - это лишь представители видов, сама система содержит несколько упражнений каждого вида. При этом следует иметь в виду, что умение выполнить действие в стандартной ситуации не обеспечивает овладение этим действием в особенных случаях. Другими словами, без наличия упражнений на различные варианты широкого переноса нельзя обеспечить обобщенного умения учащихся. Ученику, не встречавшемуся с различными вариациями упражнений, приходится совершать акт творчества, на которое способен не каждый ученик.

Какие особые случаи могут иметь место при рассмотрении формулы разности квадратов двух выражений? Это применение формулы, когда одно из выражений или даже оба равны некоторому числу, в частности единице, когда слагаемое с минусом стоит на первом месте, когда одно или оба выражения являются двучленами или многочленами.

Значит, имеющийся набор упражнений следует дополнить упражнениями следующего вида:

100-с2; ; 812-92; ;
и т. д.

Далее рассмотрим реализацию педагогического принципа прочности
знаний при составлении систем упражнений. Принцип проявляется в наличии однотипных упражнений. По данным ряда психологов, чтобы у учащихся произошло самостоятельное обобщение, в некоторых случаях необходимо более ста однотипных упражнений. У сильных учащихся такое обобщение может происходить «с места», после решения единственного упражнения.

Не все учебники учитывают принцип прочности. В курсе алгебры седьмого класса при изучении формулы а2- в2
только в соответствующем разделе учебника приведено более сотни упражнений, а в пособии по геометрии А.В. Погорелова для закрепления, например, формул и -
ни одного.

Отсутствие простейших однотипных упражнений сказывается на результатах обучения слабых учащихся.

При подборе или составлении однотипных упражнений необходимо руководствоваться закономерностью появления неверных ассоциаций. Она состоит в том, что если в процессе обучения выполняются три условия: 1) учащийся выполняет задания одного типа; 2) некоторые несущественные особенности заданий неизменно повторяются; 3) учащийся может получить верный ответ и в том случае, когда не осознает эту особенность, то степень осознания этой особенности снижается.

Пример.

.

Ответ получен правильный. Ошибка не проявилась. При наличии сходных упражнений, например, и т. д. неверная ассоциация закрепляется. Благоприятствует образованию неверной ассоциации то обстоятельство, что действие ускоряется, укрупняется, контроль сознания под влиянием однотипных упражнений ослабевает. Упрочение ошибочной ассоциации начинается после трех однотипных упражнений.

Созданию неверных ассоциаций препятствует система упражнений, включающая контрпримеры
. Я.И. Груденов называет контрпримером любую задачу, любое упражнение, которое помогает выявить, а значит, устранить неверную ассоциацию. Такое использование термина «контрпример» отличается от принятого в логике. Это, если можно так выразиться, дидактический контрпример. В последнем случае таким контрпримером является система вида: .

Следовательно, каждое третье упражнение должно быть контрпримером, т. е. варьировать несущественные признаки системы упражнений.

В качестве подобного рода контрпримеров могут быть использованы различные взаимообратные упражнения. Еще И. П. Павлов доказал, что применение контрастных перемежающихся раздражителей вместо одного является рациональной основой обучения. Обратная задача
, упражнение должны решаться вслед за прямой, пока информация находится в активной форме, при этом особенно благоприятным моментом для вторичного включения сознания, т. е. для решения обратной задачи являются ближайшие 30-40 минут. Важным моментом является наличие в системе упражнений полного цикла взаимно обратных упражнений.

Создание такого цикла упражнений предполагает наличие нескольких этапов: 1) изменение форм действий на обратные при сохранении данных; 2) выполнение обратного действия с последующей проверкой с помощью прямого; 3) выполнение упражнений без всякого порядка, проверка осуществляется в отдельных случаях. Примерами обратных упражнений к заданию разложить выражение на множители будут задания на восстановление записи: , , .

Последние три упражнения качественно отличаются от исходного. Если при выполнении однотипных упражнений ученик быстро перестает проводить обосновывающие рассуждения, сокращает звенья рассуждений, то при выполнении обратных - наоборот. Выполнение обратных упражнений предполагает осуществление проверки каждой операции, постоянного контроля, а значит, способствует развитию самоконтроля.

Следовательно, одновременное изучение взаимообратных действий и выполнение соответствующих упражнений целесообразно.

Исходя из этой точки зрения, формулу разности квадратов двух выражений следует изучать совместно с умножением разности двух выражений на их сумму, а не друг за другом, как это имеет место в школьной практике. Можно одновременно рассматривать нахождение дроби от числа и числа по его дроби, прямую и обратную пропорциональность и многое другое. В этом, проявляет себя принцип укрупнения дидактических единиц П. М. Эрдниева, принятый на вооружение многими учителями.

При выполнении системы упражнений важно соблюдение педагогического принципа сознательности.

Рассмотрим некоторые наиболее важные психологические аспекты выполнения упражнений, влияющие на сознательность усвоения изучаемого материала.

В теории поэтапного формирования умственных действий, разработанной П.Я. Гальпериным и Н.Ф: Талызиной, доказывается необходимость выполнения действий на первичное закрепление определений, правил, теорем развернуто, т. е. без пропусков отдельных операций в материализованной и громкоречевой формах, которые должны предшествовать действиям в уме.

Чтобы помочь учащемуся сознательно усвоить материал, чтобы научить ученика, особенно не очень способного к математической деятельности, учителю необходимо представить себе то умственное действие, которому он хочет научить ученика в полном объеме, без пропусков каких-либо операций, т. к. пропуски отрицательно сказываются на сознательном восприятии умственных действий. Противоположностью полноты является свернутость действия, пропуск какой-либо умственной операции. Все выделенные операции при закреплении действия необходимо выполнять во внешнем плане, т. е. делая записи и в громкоречевой форме - комментируя записи. В качестве примера рассмотрим полную запись решения примера на вычитание смешанных чисел:

Некоторое время ученики выполняют развернутое действие, проговаривая все операции в обобщенном виде, например: «Представим каждое из смешанных чисел в виде суммы целой и дробной частей, найдем наименьший общий знаменатель дробей, приведем дроби к наименьшему общему знаменателю, сравним числители получившихся дробей и т. д.» Такая форма позволяет осознать все операции действия, выполнять их с пониманием.

При выполнении различных умственных действий полезно не только выделять отдельные шаги - операции действия, но и материализовать действие, т. е. составлять некоторую видимую схему действия. В качестве примера материализации умственного действия рассмотрим процесс решения задач на дроби (нахождения дроби от числа, числа по дроби, отношения двух чисел).

При решении задач этих типов ученик должен уметь распознать задачу, выяснить является ли она задачей на нахождение дроби от числа, числа по его дроби или на нахождения дроби-части, которую одно число составляет от другого, а затем выполнить соответствующие преобразования - операции.

Для решения этих задач может оказаться полезной материализованная основа действия, состоящая из трех составляющих:

Все число (именованные единицы)	Значение дроби (именованные единицы)	Дробь (отвлеченное число)

Тогда на одних и тех же числовых значениях можно рассмотреть зависимости между отдельными составляющими структуры, т. е. найти каждый из компонент действия, если известно два других. Получаем в общем виде зависимость: I=II:III; II=I·III; III=.

При необходимости решить конкретную задачу, например, найти от числа 60 кг, вначале выясняется, какие элементы структуры задачи нам известны: что такое 60 кг и что такое .

Получается запись:

I. Все число (и.е.)	П. Значение дроби (и.е.)	III. Дробь
60 кг	?

Далее можно воспользоваться полученной ранее зависимостью: II = I·III.
При выполнении упражнений в указанном разделе необходимо рассмотреть особые случаи, когда все число или значение дроби представлены правильной дробью и когда число в третьей графе превышает единицу.

Постепенно, с увеличением опыта, необходимость в материализованной опоре у учащихся отпадает, действие производится в громкоречевой форме, а затем и в форме внутренней речи, с ориентацией на ранее приведенную схему, но которой теперь перед глазами нет.

Согласно учению о поэтапном формировании умственных действий, контроль за их выполнением должен осуществляться со стороны учителя на этапах материализации и громкой речи до появления самоконтроля. Понятно, что в условиях классно-урочной системы пооперационный контроль со стороны учителя за действиями каждого ученика осуществить невозможно. Но возможна показательная корректировка отдельных ответов учащихся.

Использование идей теории поэтапного формирования умственных действий в школе дает ощутимые результаты, но в то же время эта теория требует специальных усилий по ее перенесению в условия работы со всем классом.

Представляется, что компактный метод использования формулировок правил, определений и теорем является одной из возможных модификаций использования теории поэтапного формирования умственных действий. Из опыта работы учителей выделены два метода применения определений, теорем, правил.

Первый из них - раздельный,
когда учащиеся несколько раз повторяют изученную формулировку и лишь затем отрабатывают ее в упражнениях. Этот метод сравнительно часто используется в школе, т. к. он прост в организационном отношении. Он оправдан, если изучаемые формулировки достаточно просты, такие как, например, правило умножения обыкновенных дробей или определение медианы треугольника.

Если же формулировка не совсем простая, учащиеся не успевают ее осознать и запомнить и выполняют упражнения без опоры на теорию. Если изучаемая формулировка достаточно сложная, то ее запоминание облегчается, если оно проходит одновременно с формированием умения по применению этой формулировки. Эта закономерность, заключающаяся в том, что понимание материала является важнейшим условием его запоминания, и используется в другом методе, названным компактным.

Суть компактного
метода заключается в том, что запоминание и умение использовать формулировку осуществляются одновременно. При этом необходимо учесть еще одну закономерность усвоения, что понимание затрудняется, если установка на полноту и точность запоминания появляется до того, как материал понят в целом. Например, бесполезно требовать от учащихся формулировок правила сложения двух дробей с разными знаменателями или теоремы о вписанном угле, если они не отработаны при выполнении соответствующих упражнений.

При этом предлагается следующая последовательность действий. Вначале учитель разбивает изучаемую формулировку на составные части. В определении выделяются существенные свойства, в теореме - отдельные части условия и заключения, а в правиле - отдельные шаги действия. Затем учитель показывает образец действия - читает формулировку по частям и одновременно выполняет упражнение. При этом непроизвольное запоминание, которое имеет место в условиях активных форм работы, оказывается более прочным, чем произвольное, опирающееся на пассивные формы работы.

ПРИМЕР. Допустим, учащиеся вместе с учителем вывели формулу квадрата суммы двух выражений. Полученная формулировка, представленная в учебном пособии, разбивается на составные части. Моментом материализации умственного действия при этом является проведение вертикальных черточек в тексте правила, осуществляющих разбиение: «Квадрат суммы двух выражений // равен квадрату первого выражения, // плюс удвоенное произведение первого и второго выражений //, плюс квадрат второго выражения».

Далее следует образец выполнения упражнения: учитель читает формулировку по частям и после прочтения каждой части выполняет соответствующую операцию. Например, выполняется упражнение (а + 2в)2.
Учитель читает первую часть правила: «Квадрат суммы двух выражений», указывает на соответствующие обозначения квадрата и суммы и отмечает, что в данном случае имеет место полученная формула и что первое выражение -это а,
а второе - 2в. Затем учитель читает дальше: «Равен квадрату первого выражения» и записывает промежуточный результат и т. д.

После этого ученик у доски выполняет другое упражнение аналогичным образом. Как можно видеть, такая работа позволяет одновременно запоминать формулировку и учиться ее применять. Компактный метод ориентирует учащихся при комментировании выполнения упражнений не на буквальное проговаривание записи, а на произнесение соответствующих формулировок по частям и реализацию каждой части формулировки в конкретном случае.

Итак, нами рассмотрен ряд требований, которые целесообразно предъявить к системе упражнений, исходя из общих педагогических принципов обучения. Эти требования не исчерпывают всего многообразия проблем, связанных с упражнениями, но позволяют планомерно и целенаправленно подходить к отбору и построению системы упражнений.