小学数学教师应具备的逻辑素养
2021-07-27李祎李君
李祎 李君
摘 要 在近几年参加的小学数学教研活动中，经常发现由于教师逻辑知识缺失所导致的错误。逻辑素养在小学数学教师专业素养的建构中至关重要，小学数学教师应掌握关于数学概念、数学命题、数学推理、数学证明等逻辑知识，谨防在小学数学教学中出现各种逻辑性错误。
关键词 小学数学 教师专业素养 逻辑素养
在近几年参加的小学数学教研活动中，我们经常发现因教师专业素养不足所导致的各种错误，除不少错误与教师的学科知识素养有关外，还有一些错误与教师的逻辑素养有关，这不得不引起我们的警觉和重视。因此在小学数学教师专业素养的建构中，务必要重视有关数学概念、命题、推理、证明等形式逻辑知识的掌握，谨防在教学中出现各种逻辑性错误。
一、掌握有关数学概念的逻辑知识
1.科学把握数学概念的逻辑定义
在人类的认识过程中，经过抽象形成新概念，由此压缩和简化了语言，加快了思维速度和深度。一个概念引入之后，就要借助语言，将其加以明确、固定和传递，这就要给概念下定义。对数学概念下定义，其基本方式是“种差+属概念”，即把某一概念包含在它的属概念中，并揭示它与同一属概念下其他种概念之间的差别。比如以四边形为属概念，可以分别对平行四边形和梯形下定义。在对概念下定义时，不能循环定义，比如“用两直线垂直来定义直角，又用两直线成直角来定义垂直”，等等。需要注意的是，尽管“种差+属概念”是对数学概念下定义的基本方式，但对小学数学来说并非理想的定义方式，因为小学数学学习大多采用的是从特殊到一般的方式，因此许多数学概念无法严格按照“种差+属概念”的方式定义。比如在小学教材中先教长方形，后教平行四边形，无法以平行四边形来定义长方形。正因此，小学数学教材中的不少概念最初都没有严格定义，只是通过描述性方法来让学生认识数学概念的特征。
2.明确数学概念与定义的逻辑关系
数学概念不同于数学定义。数学概念是从数和形两方面揭示客观事物本质属性的思维产物，它反映了数学概念的内容;数学定义是对数学概念的语言表达，它是数学概念的外壳，反映了数学概念的形式。对同一个数学概念，可以有不同的定义方式。比如对平行四边形，既可以定义为“两组对边分别平行的四边形”，也可以定义为“一组对边平行且相等的四边形”，这主要取决于采用哪种定义，更容易凸显出对象的本质，或更容易被学生理解和接受。当然，这些定义之间是相互等价的。需要注意的是，由于概念的定义具有人为性，因此定义方式不当，便难以反映出概念的本质属性。比如，在小学把“角”定义为“具有公共端点的两条射线组成的图形”，这并未反映出角的本质，因为角的本质并非体现在可见的“图形”上，而是体现在不可见的“张口大小”上。
3.正确认识数学概念的逻辑分类
如果将一个概念的外延集，按照某一属性分成若干个子集，也就是将一个属概念划分为若干个种概念，这就是明确概念外延的方法——分类。被分的属概念称为划分的母项，分得的若干种概念称为划分的子项，所依据的属性称为划分的标准[1]。通过概念的分类，可以使有关的概念系统和完整，同时使被分类的概念的外延更清楚、深刻和具体。但对概念分类时应注意一些问题，比如每次分类只能依据一个标准、分类要不重不漏、不能越级进行分类等。
在小学数学教学中，经常有教师会问：菱形是平行四边形吗？正方形是长方形吗？平行四边形是梯形吗？圆是扇形吗？等等。这里就涉及到对概念的逻辑分类问题。概念的逻辑分类必须基于概念的定义。比如在教材中，将正方形定义为一种特殊的长方形，菱形定义为一种特殊的平行四边形，因此正方形也是长方形，菱形也是平行四边形，两者之间是包含关系。但平行四边形并不是用梯形作为属概念来定义的，平行四边形与梯形均是把四边形作为属概念来定义的，因此两者之间是并立关系，把平行四边形当作特殊梯形是不恰当的。至于圆是不是扇形，单从扇形定义无法判别的话，则通常采用约定的方式，即约定一类对象中的退化情形是否属于该类，这里并不涉及正确与否的科学性问题，仅仅是一种约定俗成的人为规定。因此对这类问题，必须具体问题具体分析，并无统一的确定答案。
二、掌握有关数学命题的逻辑知识
1.掌握命题四种形式之间的逻辑关系
为了研究数学命题的条件和结论的逻辑联系，常把一个命题的条件和结论换位，或变为它们的否定形式，这样就可以得到命题的四种形式，即原命题、逆命题、否命题和逆否命题。对互为逆否的两个命题，它们具有同真同假的性质，此特性称为逆否命题的等效原理。因此，原命题与逆否命题、逆命题和否命题具有同真同假的关系。在数学学习中，为了考察一个数学命题的真实性，可以转换为考察它的逆否命题的真实性。比如在某节课上，任课教师引导学生学习了对称图形的性质，即“如果两个点是对称图形的对称点，那么这两个点到对称轴的距离相等。”但在课堂练习环节，在判断哪些点为对称点时，学生認为“因为M和N到对称轴的距离相等，所以M和N是对称点”，教师进行了肯定，之后学生都据此进行判断。这里师生所犯的错误，即是利用了性质命题的逆命题进行判断，但在这里原命题与逆命题并不等价。
2.明晰命题条件和结论之间的逻辑关系
数学命题常常写成“若P则Q”的形式，其中“若P”部分叫做命题的条件，“则Q”部分叫做命题的结论。根据命题条件P对结论Q所起的作用，可以把命题的条件分为以下四种情况，即充分非必要条件、必要非充分条件、充分必要条件、既非充分又非必要条件。命题的条件和结论之间的逻辑关系，与该命题及其逆命题、否命题和逆否命题的真假，显然存在紧密联系。例如在上述案例中，“两个点对称”只是“距离相等”的充分非必要条件，若原命题的条件和结论满足这样的逻辑关系，则该原命题的逆命题一定不成立。
3.明确性质定理和判定定理之间的差异
性质定理是由概念或公理得到的定理，讨论某个概念的时候，就包含了它的所有性质，所以性质定理的主要功能是描述特征。断定定理是判断所讨论的某事物是否符合某个概念或公理的定理，所以判断定理的主要功能是判断结论。性质定理和判定定理具有互逆的特征，但两者并不一定是互逆的命题。概念本身既是判定定理也是性质定理，且这两个定理是互逆命题。比如平行线的概念，我们可以直接用它来判断两直线平行，也可以根据两直线平行知道它们位于同一平面内且没有交点。从命题的条件和结论的关系来看，性质定理阐述了一个数学研究对象所具有的重要性质，其作用是揭示这个研究对象的某个特征，性质定理给出了结论成立的必要条件;判定定理阐述了结论成立的依据，判定定理给出了结论成立的充分条件。区分一个定理是判定定理还是性质定理，关键是看该定理阐述了结论成立的依据，还是揭示了一个研究对象的某个特征，若定理阐述了结论成立的依据，则是判定定理，否则就是性质定理了。
在小学数学教学中，不清楚性质定理和判定定理的关系，教学就会变得盲目，甚至导致逻辑错误的发生。比如教学三角形的性质“任意三角形的两边之和大于第三边”时，有的教师通过让学生用小木棒来摆一摆，最后发现“若两个短的小木棒大于最长的小木棒，则可构成三角形”。这里就把三角形性质的学习，异化成了三角形判定的学习了。要学习三角形的性质，要先给出三角形，再根据生活经验，知道走直线比走折线要近，由此得出三角形的性质，其本质上依据的是数学公理“两点之间线段最短”。
三、掌握有关数学推理的逻辑知识
1.掌握逻辑推理的基本形式
推理是从一个或几个已知判断中得出一个新判断的思维形式。在推理过程中，所根据的已有判断叫做推理的前提，做出的新判断叫做推理的结论。数学推理主要有演绎推理、归纳推理和类比推理。演绎推理是由一般到特殊的推理形式。由于演绎推理的前提判断范围包含结论中的判断范围，所以只要前提是真的，推理合乎形式逻辑规律的推理形式，就一定能得到正确结论。归纳推理是由个别事物所作的判断，扩大为同类一般事物的判断的一种推理形式。按照前提判断范围的总和是否与结论判断范围一致， 归纳推理有完全归纳和不完全归纳两种形式。完全归纳可作为严格论证的方法;不完全归纳得到的结论具有或然性， 不能用于证明，只能做出假设或猜想。类比推理是根据两个对象的某些属性相同或相似，推出它们的其他属性也可能相同或相似的思维形式。类比推理是思维过程中由特殊到特殊的推理形式，由于条件和结论没有明确的必然联系，故得出的结论具有或然性，它也是一种不严格的推理方法。
比如在推导三角形面积公式时，有的教师直接从平行四边形出发进行推导，即画出一个平行四边形，连接对角线，将其一分为二，分割为两个一样的三角形，根据前面所学平行四边形面积公式，由此得出三角形面积公式。这样的教学思路是错误的。其原因在于，尽管平行四边形是任意画出来的，但一旦画出来后，它就是给定的，给定的平行四边形不能确保三角形的任意性，因此推导出的三角形面积公式就不具有任意性了。也就是说，不能用“特殊”代替“一般”，否则就违反了演绎推理的基本要求。在实际教学中，我们可以采用以上这种思路来突破教学难点，即通过对平行四边形的分割，启发学生想到用割补法把三角形转化为平行四边形，但三角形面积公式的推导必须从任意给定的三角形出发。
2.掌握形式逻辑的基本规律
数学的推理与证明，运用的是形式逻辑的思维，因此必须满足形式逻辑的基本规律。形式邏辑有四条基本规律，即同一律、矛盾律、排中律和充足理由律。同一律是指在同一思维过程中，使用的概念和判断必须保持同一性，不得中途变更，违反这条规则的常见错误是偷换概念或偷换论题。矛盾律是指人们在同一思维过程中，对两个反对或矛盾的判断不能同时承认它们都是真的，其中至少有一个是假的，比如a>b和a
比如在学习平行四边形时，有的教师先出示了生活中的平行四边形实例，接着让学生动手做出平行四边形，在此基础上抽象出平行四边形的特征。其实，学生不知道平行四边形的特征，便难以做出平行四边形;现在运用其特征做出平行四边形，再反其道探究其特征，这样的教学便有循环论证之嫌。
四、掌握有关数学证明的逻辑知识
1.按是否直接证明命题，数学证明分为直接证法和间接证法
所谓直接证法，指从命题的条件出发，根据已知的定义、公理、定理，直接推证结论的真实性。直接证法是数学中经常采用的方法，在证明过程中，通常要运用演绎、归纳、分析、综合等方法。所谓间接证法，指不是直接证明论题的真实性，而是转化为证明反论题不真;或者证明与论题等效的命题的真实性;或者在互逆命题等效的情况下，通过证明论题的逆命题的真实性，从而肯定论题的真实性。间接证法又可分为反证法和同一法。间接证法是论证数学结论的有力武器，体现了正难则逆、直难则曲、顺难则反的思想。间接证法中的反证法在小学数学中较为重要。尽管在小学数学中没有出现反证法的概念，但反证法思想在分析和解决问题时却经常要用到。比如在直角三角形ABC中，已知∠C是直角，那么要说明∠A一定是锐角，最简单的方法就是应用反证法思想。
2.按思维过程的顺序，数学证明分为综合法和分析法
在数学证明中，为了找到证明的途径，根据思考时推理序列的方向不同，数学证明的方法可以分为分析法和综合法。所谓分析法，就是从结论出发，逆溯其成立的条件，再就这些条件分析研究，看它的成立又需要什么条件，继续逐步逆溯，直至达到已知条件为止，简称“执果索因”。而综合法正好与之相反，它是从题设出发，以已确立的定义、公理、定理、公式、法则等为依据，逐步展开逻辑推理，直到获得所要证明的结论，简称“由因导果”。通常用分析法寻找解题思路，用综合法叙述解题过程。
在小学算术应用问题的解决中，离不开综合法和分析法的运用。简单的问题，往往直接应用综合法便可解决;复杂的问题，往往需要分析法和综合法的综合运用。分析法从要求解的结论出发，逐步寻找一系列的“须知”，思维具有目标性和方向性;综合法从已知条件出发，逐步推出一系列的“可知”，思维具有发散性和不确定性。当“须知”和“可知”相遇之后，便成功打通了一条解题通道。
3.按证明过程所采用推理形式，数学证明分为演绎法和归纳法
用演绎推理的方法进行证明称为演绎法，演绎法是从一般到特殊的推理形式，一般通过三段论的形式来实现。用归纳推理的方法进行证明称为归纳法，归纳法是由特殊到一般的推理形式。如前所述，归纳法按照概括对象的范围不同，分为完全归纳法和不完全归纳法两类。完全归纳法的理论依据是完全归纳推理，所证命题涉及的对象数目是有限的，可以作为数学证明的工具;不完全归纳法得到的结论是或然性的，不能作为数学中严格论证的工具。
比如在小学学习了乘法分配律之后，有学生提出有没有“除法分配律”的问题，教师据此引导学生展开探究。探究时学生列举了大量实例进行论证，发现除法对加法满足右分配律，这时学生采用的便是归纳的论证方法，但这并无法真正证明某个结论。当教师引导学生将分析论证过程一般化，即（a+b）÷c=（a+b）×=a×+b×=a÷c+b÷c，此时采用的便是演绎的论证方法。演绎法和归纳法只在说明某个结论成立时使用。要说明某个结论不成立，如除法对加法不满足左分配律，则只要举出一个反例进行否定即可。
参考文献
[1] 李祎.数学教学方法论[M].福州：福建教育出版社，2010：12.
[责任编辑：陈国庆]
