Самостоятельная работа как средство обучения решению уравнений в 5 - 9 классах

      в) Преобразование, противоположное замене переменных, т. е. переход от

системы вида к уравнению F (х, f (х))=0. 

Корни этого  уравнения и решения данной системы связаны так же, как при замене переменной. Это преобразование назовем подстановкой.

      На  основе подстановки в процессе обучения алгебре вводится стандартный метод  решения системы уравнений с  двумя неизвестными: в одном из уравнений одно из неизвестных выражается через другое, полученную при этом систему решают методом подстановки. Этот метод превращается в дальнейшем в курсе школьной алгебры в универсальный метод уменьшения количества неизвестных в системе.

      г) Укажем еще на преобразования, основанные на тождественно истинных формулах алгебры логики, имеющих вид равносильности или логического следования. Преобразования эти весьма многочисленны, но в практике школьного обучения используются редко. Приведем пример такого преобразования. При решении уравнения 2x+3|x|=l можно в соответствии с определением модуля рассмотреть случаи х ³ 0 или х<0, т. е. решить систему

В процессе решения  логическая структура этой системы  преобразуется к виду совокупности двух систем:

      или  

      Таким образом, происходит изменение логической структуры, осуществляемое по схеме A /(В/ С) —> (A /В)/(А /С}.

      Изучение  и использование преобразований уравнений и их систем, с одной  стороны, предполагают достаточно высокую  логическую культуру учащихся, а с  другой стороны, в процессе изучения и применения таких преобразований имеются широкие возможности для формирования логической культуры. Большое значение имеет выяснение вопросов, относящихся к характеризации производимых преобразований: являются ли они равносильными или логическим следованием, требуется ли рассмотрение нескольких случаев, нужна ли проверка? Сложности, которые приходится здесь преодолевать, связаны с тем, что далеко не всегда возможно привести характеризацию одного и того же преобразования однозначно: в некоторых случаях оно может оказаться, например, равносильным, в других равносильность будет нарушена.

      В итоге изучения материала линии  уравнений учащиеся должны не только овладеть применением алгоритмических  предписаний к решению конкретных заданий, но и научиться использовать логические средства для обоснования решений в случаях, когда это необходимо.

4. Логические обоснования при изучении уравнений.

      При изучении материала линии уравнений  значительное внимание уделяется вопросам обоснования процесса решения конкретных заданий. На начальных этапах изучения курса алгебры и в курсе математики предшествующих классов эти обоснования имеют эмпирический, индуктивный характер. По мере накопления опыта решения уравнений, систем различных классов все большую роль приобретают общие свойства преобразований. Наконец, достигнутый уровень владения различными способами решения позволяет выделить наиболее часто используемые преобразования (равносильность и логическое следование). Учебные пособия по алгебре имеют существенные различия в отношении описанных способов обоснования. Тем не менее выделяются все указанные направления, причем в общей для них последовательности. Кратко рассмотрим каждое из этих направлений.

      Эмпирическое  обоснование процесса решения. Таким способом описываются приемы решения первых изучаемых классов уравнений. В частности, это характерно для уравнений 1-й степени с одним неизвестным. Методика изучения этих уравнений состоит в предъявлении алгоритма решения таких уравнений и разборе нескольких типичных примеров.

      Указанный алгоритм формируется, естественно, далеко не сразу. Перед этим разбирается  несколько примеров, причем цель рассмотрения состоит в выделении в последовательности действий нужных для описания алгоритма  операций. Объяснения учителя могут быть такими: «Нужно решить уравнение 5x+4=3x+10. Постараемся все члены, содержащие неизвестное, собрать в одной части, а все члены, не содержащие неизвестное,— в другой части уравнения. Прибавим к обеим частям уравнения число (—4), данное уравнение примет вид 5х=3x+10—4. Теперь прибавим к обеим частям уравнения (—3х), получим уравнение 5х—3x=10—4. Приведем подобные члены в левой части уравнения, а в правой вычислим значение выражения; уравнение примет вид 2х=6. Разделим обе части уравнения на 2, получим х=3». Этот рассказ сопровождается последовательно возникающей на доске записью преобразований:

5х+4=3х+10

5х=3х+10—4

5х—3х=10—4

……………... 

      Анализируя  решение, учитель может прийти к  правилам решения уравнений 1-й степени  с одним неизвестным. Обратим  внимание на некоторые формальные пробелы этого изложения. Прежде всего, в таком рассказе не акцентируется внимание на том, что под действием преобразований уравнение преобразуется в некоторое новое уравнение. Ученики как бы имеют дело все время с тем же уравнением. Если бы упор делался непосредственно на переход от одного уравнения к другому, то это потребовало бы более внимательного анализа представлений, связанных с равносильностью, что как раз не характерно для первых этапов обучения алгебре.

      Далее, вопрос о том, все ли корни уравнения найдены, здесь не ставится. Если даже он и возникает по ходу обсуждения процесса решения, то ответ на него, как правило, не дается. Основную роль играют действия по переносу членов из одной части уравнения в другую, группировка подобных членов.

      Таким образом, вопросы обоснования решения  уравнения стоят на втором плане, а на первом — формирование прочных навыков преобразований. Отсюда можно сделать вывод: на этом этапе проверка найденного корня служит необходимой частью обоснования правильности решения.

      Дедуктивное обоснование процесса решения уравнений без явного использования понятия равносильности. Разобранное обоснование процесса решения не всегда может быть эффективно использовано при изучении других классов уравнений. Тем или иным способом к изучению материала линии уравнений нужно привлекать различные приемы дедуктивного обоснования. Это связано с возрастанием сложности предлагаемых заданий по сравнению с исходным классом (уравнения 1-й степени с одним неизвестным). При этом постоянно приходится опираться на свойства числовой системы и основные понятия теории уравнений (корень уравнения, множество корней уравнения, что значит «решить уравнение»).

      При наличии в курсе теоретико-множественных  понятий дедуктивное обоснование  решения уравнений проводится так: при переходе от рассмотрения уравнения ¦=g к уравнению ¦₁==g₁ обращается внимание на совпадение множеств корней этих уравнений и этот факт обосновывается при помощи свойств равенства числовых выражений. Например, с этой точки зрения переход от уравнения 3х+2у=5 к уравнению у=—1,5х+2,5 обосновывается с использованием свойства: если а=b—верное равенство, то а+с=b+с и ас=bс также верные равенства.

      При отсутствии теоретико-множественных  представлений тот же переход  производится тем же, по существу, способом, но с использованием конкретного решения одного из этих двух уравнений. Рассуждения при этом проводятся так: «Пусть (х₀, y₀) — решение первого уравнения, т. е. 3x₀+2y₀=5. Пользуясь свойствами числовых равенств, данное равенство можно записать в виде y₀= — 1,5х₀+2,5, значит, (х₀, y₀) — решение второго уравнения». Так же проверяется обратное заключение.

      Внешне  различие между двумя способами  обоснования (помимо того, что в первом используется термин «множество») проявляется  в том, что в первом из них пользуются свойствами равенств с переменными, а во втором — свойствами числовых равенств. Сложность обучения любому из этих способов примерно одинакова.

      Переход к дедуктивному обоснованию может  производиться на различном материале. Например это можно сделать при изучении линейного уравнения с двумя переменными, системы двух линейных уравнений с двумя неизвестными, линейного уравнения с одним неизвестным.

      Необходимо, однако, отметить, что, каким бы ни был  способ обоснования, он не является самоцелью в курсе школьной математики. Цель изучения обоснований состоит в обеспечении осознанности процесса решения. После того как она достигнута, дальнейшее использование уже обоснованного приема приводит к формированию навыка, которым учащиеся пользуются в дальнейшем, возвращаясь к обоснованию приема только изредка.

      Введение  для обоснования  решения уравнений  и их систем понятий  равносильности и  логического следования. Рассмотренные приемы обоснования опираются на связь линии уравнений и неравенств с числовой системой. Однако последовательное применение этих приемов затруднительно из-за громоздкости рассуждении. Поэтому на определенном этапе изучения содержания курса алгебры происходит выявление общелогической системы обоснований. Уже говорилось о том, что в эту систему входят понятия равносильности и логического следования.

      Обратимся к разобранному уравнению 5х+4=3x+10. С использованием равносильности его решение проводится так: «Поскольку перенос членов уравнения из одной части в другую с изменением знака — равносильное преобразование, то, осуществив его, приходим к уравнению, равносильному данному: 5х—3х=10—4. Упрощая выражения в левой и правой частях уравнения, получим 2х=6, откуда х=3».

      Отметим особенности приведенного решения  по сравнению с изложенным ранее. Прежде всего, оно более свернуто, предполагает намного более высокий уровень владения материалом курса алгебры. Поэтому применению такого способа решения уравнений и их систем должна предшествовать большая подготовительная работа. Объем предварительного материала зависит от общих методических установок, используемых в учебных пособиях. Например, в учебниках алгебры для VI—VIII классов под редакцией А. И. Маркушевича понятие о равносильности вводится спустя полтора года после начала изучения систематического курса алгебры. В других курсах оно вводится гораздо позже, в старших классах.

      В случае отсутствия понятий равносильности и логического следования описание процесса решения также становится постепенно все более сжатым. Отсутствие указанных терминов проявляется в том, что само описание решения не содержит элементов обоснования, которое в этих условиях произвести достаточно сложно. По этой причине в пособиях, где равносильность и логическое следование появляются поздно, сравнительно большое внимание уделяется формированию не общих приемов решения уравнений, а навыков решения уравнений тех или иных классов.

      Использование логической терминологии при описании решений позволяет параллельно  с нахождением корней получать также  и логическое обоснование.» Особенно велика роль логических понятий при итоговом обобщающем повторении курса алгебры и всего курса математики средней школы. Поскольку при этом необходимо выявить структуру крупных частей изученного материала, отсутствует возможность вновь пройти весь путь нахождения приемов решений различных классов уравнений, неравенств и их систем. Логические понятия позволяют не только быстро восстановить путь нахождения таких приемов, но и одновременно обосновать их корректность. Тем самым происходит развитие средств логического мышления учащихся. Учитывая это, на этапах обобщающего повторения целесообразно формулировать свойства равносильности и логического следования в общем виде и иллюстрировать их заданиями, относящимися к различным классам уравнений и их систем. 

§ 4. Обобщенные приемы решения уравнении с одной переменной в школьном курсе алгебры

Выделение приемов решения  уравнений

  Рассмотрим  закономерность формирования обобщенного  приема решения уравнений с одним  неизвестным алгебраическим способом. Она вытекает из следующего. Для того чтобы решить любое уравнение с одной переменной, учащийся должен знать: во-первых, правило, формулы или алгоритмы решения простейших уравнений данного вида и, во-вторых, правила выполнения тождественных и равносильных преобразований, с помощью которых данное уравнение можно привести к простейшим.

  Таким образом, решение каждого уравнения складывается из двух основных частей: 1) преобразования данного уравнения к простейшим; 2) решения простейших уравнений по известным правилам, формулам или алгоритмам. При этом если вторая часть решения является алгоритмической, то первая — в значительной степени (и тем большей, чем сложнее уравнение) — эвристической. Именно правильный выбор необходимых тождественных и равносильных преобразований, как и всякий поиск решения задачи, представляет наибольшую трудность для учащихся.

  Обучение  решению уравнений начинается с  простейших их видов, и программа  обусловливает постепенное накопление как их видов, так и «фонда»  тождественных и равносильных преобразований, с помощью которых можно привести произвольное уравнение к простейшим. В этом направлении следует строить и процесс формирования обобщенных приемов решения уравнений в школьном курсе алгебры.