长方体的教材定义是“由6个长方形围成的立体图形”,表面简单,实则难懂。长方体的本原定义是来自《几何原本》与《九章算术》。通过长方形异面垂直平移,并将平移轨迹保留,形成长方体,这是长方体形成的本原。但这样的本原性问题,对于小学生来说,不仅难以理解,更难以解释。我们要做的是追寻这样的本原思想,并不是解释本原,而是经历本原。一张A4纸可以理解为一个面,100张A4纸放在一起就形成一个长方体(图—1)。这种动态的认识长方体,
有助于学生其后理解长方体的体积公式,并为柱体体积(底面积×高)的学习做好铺垫。
(图—1)
“柱体的体积=底面积×高”如何理解呢?根据柱体形成的本原,柱体是由圆移动留下的轨迹形成的图形,轨迹的长短用“高”来表示,通俗点说“底面积×高”就表示柱体中到底有多少个面。柱体的大小与底面大小有关,与柱体包含多少个底面有关。底面积表征底面大小,至于有多少个底面,数不过来,可以用高度来表征底面数量。
长方体的体积计算公式的本原可以从两个方面来分析。
从几何的角度看,人们有两种方式表征体积:一是用长、宽、高来表征体积;二是用长方体的一个面以及垂直于这个面的一条棱来表征体积。从第一种表征方式出发“长方体的体积=长×宽×高”;从第二种表征方式出发“长方体的体积=底面积×高”。为什么有了“长方体的体积=长×宽×高”还要有“长方体的体积=底面积×高”?这是几何体统一的需要,后者是更广泛的“柱体”的体积计算公式,不特指长方体。
从代数的角度看,在体积出现之前有了“立方数”,就是三个相同的数或量的积可表示为这个数或量的立方。随着几何与代数的结合,人们赋予体积一些代数性质,用立方数表示体积,于是有了“长×宽×高=体积”。古埃及人在四千年前得到的体积计算公式是“V=h/3(a²+ab+b²)”,和现在的计算公式虽然差距很大,但体积的计算结果却很相近。可以看出古埃及人使用长、宽、高表征体积,他们的体积计算突出的是一种“均衡”和“对称”,他们求出的长方体的体积其实是三个体积的平均数。这也从另一个角度说明金字塔的设计及相关计算是古埃及人的智慧。
在推导长方体的体积公式时有这样的纠结,“长×宽”求的是底面积还是一层体积单位的数量。如果从测量的角度来看,“长×宽”求的是一层体积单位的数量。如果从体的概念来看,“长×宽”求的是底面积。首先明确一个概念,什么是体,(《几何原本》)由面的概念可知体的概念,“体是面的均匀分布”。那么从这个角度来看“长×宽”,表示面积是肯定的。面是有边界无厚度的东西,多少个面压在一起也不会构成体。这似乎是个悖论,但这个悖论存在于成人,儿童并不认为这是个什么难懂的问题,因为“长×宽=底面积”,“等量传递”在这里帮助儿童理解了这个问题。他们也许只想到“体积=底面积×高”比“体积=长×宽×高”要省事一些。前面提到“纠结”,老师纠结于“面的叠加会是体吗?”我们到什么时候也不要忘记数学是抽象的科学,其思想是博大的,如果我们从“极限方法”与“不可分量方法”去考虑,就非常有道理了。我们能理解“化圆为方”、“ 化曲为直”,就应该能理解“化无为有”。想一想,我们在研究面的时候,你可曾向学生展示过“数学意义”上的面?我们在课堂上研究的大多数几何图形不就是在“化无为有”吗?
回到上面的话题,面积能表示小方块的数量吗?能,这就是数学的抽象性,是几何与代数的完美结合,每个面上都承载着一个“体”。对于学生来说他能明白吗?“过度讲解”就不会明白,古语讲“过犹不及”,对于二者的联系学生只需体验到“体积单位的数量与长、宽、高的乘积等值就可以”,计算长、宽、高的乘积就相当于求体积单位的数量。有些问题不必深究,到了第三学段,还要继续研究。数学是严密的,而且是一种无懈可击的严密。但是对于小学生来说,体验数学的严密性有个过程,在小学我们要把握严密性的“度”,不要为了严密而严密,我们的责任是带领学生探寻数学产生的本原,让学生在体验、经历的过程中喜欢数学。
在体积计算中涉及两个过程的体验,就是体积测量与体积表征的问题。我认为前者应该让学生详细体验,而后者可以通过“合情推理”的方式让学生建立“底面积×高”与体积之间的联系,通俗点讲,就是让学生感觉有道理即可。