[转载]小学数学思想方法的梳理（九）王永春（课程教材研究所）
2015-02-16 19:40阅读：
小学数学思想方法的梳理（九）
王永春（课程教材研究所）
十二、集合思想
1.集合的概念。
把指定的具有某种性质的事物看作一个整体，就是一个集合（简称集），其中每个事物叫做该集合的元素（简称元）。给定的集合，它的元素必须是确定的，即任何一个事物是否属于这个集合是明确的。如“学习成绩好的同学”不能构成一个集合，因为构成它的元素是不确定的；而“语文和数学的平均成绩在90分及以上的同学”就是一个集合。一个给定集合中的元素是互不相同的，即集合中的元素不重复出现。只要两个集合的元素完全相同，就说这两个集合相等。
集合的表示法一般用列举法和描述法。列举法就是把集合的元素一一列举出来，并用花括号“{}”括起来表示集合的方法。描述法就是在花括号内写出规定这个集合元素的特定性质来表示集合的方法。列举法的局限性在于当集合的元素过多或者有无限多个时，很难把所有的元素一一列举出来，这时描述法便体现出了优越性。此外，有时也可以用封闭的曲线（韦恩图）来直观地表示集合及集合间的关系，曲线的内部表示集合的所有元素。
一一对应是两个集合之间元素（这种元素不一定是数）的一对一的对应，也就是说集合A中的任一元素，在集合B中都有唯一的元素
b与之对应；并且在集合B中的任一元素b，在集合A中也有唯一的元素与之对应。数集之间可以建立一一对应，如正奇数集合和正偶数集合之间的元素可以建立一一对应。其他集合之间也可以建立一一对应，如五（1）班有25个男生，25个女生，如果把男生和女生各自看成一个集合，那么这两个集合之间可以建立一一对应；再如，中国、美国、俄罗斯、英国、法国、德国作为一个集合，北京、华盛顿、莫斯科、伦敦、巴黎、柏林作为一个集合，这两个集合之间也可以建立一一对应。
2.集合思想的重要意义。
集合理论是数学的理论基础，从集合论的角度研究数学，便于从整体和部分及二者的关系上研究数学各个领域的知识。如数系的扩展，从小学的自然数到整数，再到中学的有理数、无理数和实数，都可以从集合的角度来描述。有时用集合语言来表述有关概念更为简洁，如全体偶数的集合可表示为{x|x=2k，k∈Z}。集合沟通了代数（数）和几何之间的关系，如y=kx，既是正比例函数，又可以表示一条直线；也就是说在平面直角坐标系上，这条直线是由满足y=kx的有序实数对所有组成的点的集合。用集合图描述概念的分类及概念之间的关系，往往层次分明、直观清晰，如四边形的分类可以用韦恩图表示。
3.集合思想在具体应用。
集合思想在小学数学的很多内容中进行了渗透。在数的概念方面，如自然数可以从对等集合基数（元素的个数）的角度来理解，再如在一年级通过两组数量相等的实物建立一一对应，让学生理解“同样多”的概念，实际上就是两个对等集合的元素之间建立一一对应；数的运算也可以从集合的角度来理解，如加法可以理解为两个交集为空集的集合的并集，再如求两数相差多少，通过把代表两数的实物图或直观图一对一地比较，来帮助学生理解用减法计算的道理；实际上就是把代表两数的实物分别看作集合A、B，通过把A的所有元素与B的部分元素建立一一对应，然后转化为求B与其子集（与A等基）的差集的基数。此外，在小学数学中还经常用集合图表示概念之间的关系，如把所有三角形作为一个整体，看作一个集合，记为A；把锐角三角形、直角三角形和钝角三角形各自看作一个集合，分别记为B、C、D，这三个集合就是集合A的三个互不相交的子集，B、C、D的并集就是A。再如在学习公因数和公倍数时，都是通过把两个数各自的因数和倍数分别用集合图表示，再求两个集合的交集，直观地表示了公因数和公倍数的概念。
4.集合思想的教学。
集合思想在小学数学中广泛渗透，在教学中应注意以下几个问题。
第一，应正确理解有关概念。我们知道，两个数之间可以比较大小，但是两个集合之间无法直接比较大小，也就是说一般不说两个集合谁大谁小。如有两个集合A、B，当且仅当它们有完全相同的元素时，称A、B相等，记为A=B。如A={2,3,5,7}，B={x|x是小于10的素数}。集合之间可以有包含关系，如C={2,3,5,7,11}，则A是C的真子集。集合之间可以可以比较基数的大小，也就是比较元素的个数的多少。只要两个集合元素间能够建立一一对应的关系，那么就说两个集合的元素个数相等，就是基数相等，即等势或等基。如果A是C的真子集，就说A的基数小于C的基数。
对于有限集比较容易数出它的元素的个数，而对于无限集，又怎样比较它们元素个数的多少呢？如正整数集合与正偶数集合，它们的基数相等吗？我们知道，两个集合的元素，只要能够建立一一对应就基数相等。正整数集合与正偶数集合的元素之间可以建立如下的一一对应关系。
1
2
3
4
5
…
↓
↓ ↓
↓ ↓
2
4 6
8
10 …
因此，这两个集合的元素个数相等，也就是它们的基数相等。
案例1：乒乓球比赛有16人参加A组的小组赛，规定采取淘汰赛决出小组第一名参加决赛。一共要进行多少场比赛？
分析：淘汰赛一般的规则是每两个人分为一组比赛一场，胜者进入下一轮继续进行两人一组比赛；如果出现单数就有一人轮空，直接进入下一轮比赛。这样一直进行下去，直到决出第一名。按照这个思路解答，只需要把每一轮比赛的场数算出来，最后加起来就行。第一轮共有8场比赛，第二轮共有4场比赛，第三轮共有2场比赛，第四轮共有1场比赛；所以总共有15（8+4+2+1=15）场比赛。
以上思路层次清楚、容易理解，小学生一般都可以接受，但是如果参加小组比赛的人比较多，计算起来就比较麻烦。下面用一一对应的思想来分析：因为每次比赛淘汰一个人，有一场比赛就淘汰一个人，没有比赛就不淘汰人，要想淘汰一个人就必须有一场比赛，也就是说比赛的场数与被淘汰的人数是一一对应的。在小组参赛的16人中，最后只有一人得第一名，要淘汰15人，所以比赛的场数为15场。
第二，正确把握集合思想的教学要求。集合思想虽然在小学数学中广泛渗透，但是集合的知识并不是小学数学的必学内容；因而应注意把握好知识的难度和要求，尽量使用通俗易懂的语言渗透集合思想。集合除了可以表示概念系统及概念间的关系外，利用韦恩图进行集合的直观运算，可以解决一些分类计数的问题。
案例2：六（1）班举办文艺活动，演出歌舞节目的有9人，演出小品等节目的有12人，两类节目都参加的有5人。该班共有多少人参加这两类节目的演出？
分析：为了便于理解集合的运算原理，我们借助韦恩图来分析。左边的圈里表示演出歌舞节目的人，右边圈里表示演出小品等节目的人。两个圈相交的共有的部分有5人，表示这5人既参加了歌舞节目，又参加了小品等节目的演出。左边圈中没跟另一个圈相交的单独的部分由4人，表示这4人只参加了歌舞节目的演出。因此，参加歌舞节目演出的9人由两部分组成：一部分是只参加歌舞节目演出的4人，另一部分是既参加歌舞节目又参加小品等节目演出的5人。同样道理，参加小品等节目演出的12人由两部分组成：一部分是只参加小品等节目演出的7人，另一部分是既参加小品等节目又参加歌舞节目演出的5人。综合以上分析，可以得出：该班参加这两类节目演出的人数是4+5+7=16，或9+12－5=16。
第三，集合思想的教学要贯穿小学数学的始终。如上所述，集合思想在一年级学习之初，学生在学习人数和分类等知识中就已经有所接触，一直到高年级学习公因数和公倍数、三角形和四边形的分类、数的分类（正数、0、负数）等等，不同年级和不同知识领域都有所渗透。这里涉及了用集合语言概念及概念间的关系、集合的元素之间的对应关系、集合的运算等等。因此，集合思想的渗透不是一朝一夕的事情，而是坚持不懈的长期的过程。
十三、数形结合思想
1.数形结合思想的概念。
数形结合思想就是通过数和形之间的对应关系和相互转化来解决问题的思想方法。数学是研究实现世界的数量关系与空间形式的科学，数和形之间是既对立又统一的关系，在一定的条件下可以相互转化。这里的数是指数、代数式、方程、函数、数量关系式等，这里的形式是指几何图形和函数图象。在数学的发展史上，直角坐标系的出现给几何的研究带来了新的工具，直角坐标系与几何图形相结合，也就是把几何图形放在坐标平面上，使得几何图形上的每个点都可以用直角坐标系里的坐标（有序实数对）来表示，这样可以用代数的量化的运算的方法来研究图形的性质，堪称数形结合的完美体现。数形结合思想的核心应是代数与几何的对立统一和完美结合，就是要善于把握什么时候运用代数方法解决几何问题是最佳的、什么时候运用几何方法解决代数问题是最佳的。如解决不等式和函数问题有时用图象解决非常简捷，几何证明问题在初中时难点，到高中运用解析几何的代数方法有时比较简便。
2.数形结合思想的重要意义。
数形结合思想可以使抽象的数学问题直观化、使繁难的数学问题简捷化，使得原本需要通过抽象思维解决的问题，有时借助形象思维就能够解决，有利于抽象思维和形象思维的协调发展和优化解决问题的方法。数学家华罗庚曾说过：“数缺形时少直觉，形少数时难入微。”这句话深刻地揭示了数形之间的辩证关系以及数形结合的重要性。众所周知，小学生的逻辑思维能力还比较弱，在学习数学时必须面对数学的抽象性这一现实问题；教材的编排和课堂教学都在千方百计地使抽象的数学问题转化成学生易于理解的方式呈现，借助数形结合思想中的图形直观手段，可以提供非常好的教学方法和解决方案。如从数的认识、计算到比较复杂的实际问题，经常要借助图形来理解和分析，也就是说，在小学数学中，数离不开形。另外，几何知识的学习，很多时候只凭直接观察看不出什么规律和特点，这时就需要用数来表示，如一个角不是直角、两条边是否相等、周长和面积是多少等。换句话说，就是形也离不开数。因此，数形结合思想在小学数学中的意义尤为重大。
3.数形结合思想的具体应用。
数形结合思想在数学中应用大致分为两种情形：一是借助于数的精确性、程序性和可操作性来阐明形的某些属性，可称之为“以数解形”；二是借助形的几何直观性来阐明某些概念及数之间的关系，可称之为“以形助数”。数形结合思想在中学数学的应用主要体现在以下几个方面：（1）实数与数轴上的点的对应关系；（2）函数与图象的对应关系；（3）曲线与方程的对应关系；（4）与几何有关的知识，如三角函数、向量等；（5）概率统计的图形表示；（6）在数轴上表示不等式的解集；（7）数量关系式具有一定的几何意义
