初中数学体验教学的具体实施

来源 :教育研究与评论(中学教育教学) | 被引量 : 0次 | 上传用户:ciyoyo23
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  摘要:体验式教学符合人脑的功能特征:右脑(感性脑)决定了人可以靠经验、直觉去思考和判断;左脑(理性脑)决定了人可以靠证据、逻辑推理去思考和判断。从脑体并用、知行合一的特征出发,结合多年实践,在“明确的教学目标”“适切的教学内容”“主动的具身参与”等实施要件的基础上,形成初中数学体验教学的有效实施途径,即突出学生主体地位的“看、做、想、说”体验系统。
  关键词:数学体验;教学实施;体验系统
  一、初中数学体验教学的实施依据
  中共中央、国务院《关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》指出,要积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学。如何实施体验式教学?皮亚杰认为,知识来源于动作。杜威指出,一切理性思维都是以身体经验为基础的。布鲁纳认为,人类认知要经历从动作表征到图像表征再到符号表征的过程。这些理论的提出其实符合人脑的功能特征:右脑(感性脑)决定了人可以靠经验、直觉去思考和判断;左脑(理性脑)决定了人可以靠证据、逻辑推理去思考和判断。
  在波利亚、徐利治等国内外数学家和数学教育家看来,数学与物理、化学、生物等学科一样,既需要经验和直觉,也需要证据和逻辑推理。同时,数学有自身的学科特点,许多数学概念、定理和法则等都有孕育、生长和形成的动力、原因,学习者只有将内心世界与外部世界通过内省体验融为一体,才能获得其真知,悟出其真理。作为一种学习方式,数学体验不仅关注外部的感受、操作和探索,而且关注由此而引发的内隐认知、建构和领悟。
  二、初中数学体验教学的实施要件
  (一)明确的教学目标
  教学目标就是教学活动中所期待得到的学生学习结果。从体验教学的内容及其内部逻辑来看,初中数学体验教学的目标主要包括行为性目标、认知性目标和情感性目标。
  1.行为性目标:亲身经历看、听、做等活动,以具体、实际的动作作为支柱,借助形象、直观形成抽象的数学对象和数学猜想。
  2.认知性目标:亲身经历想、议、说等活动,以概念作为支柱,借助判断、推理的形式揭示事物的本质属性和内在规律,通过抽象、推理和建模获得问题解决的能力。
  3.情感性目标:在环境刺激和主体参与下,激发好奇心、求知欲和成就感、自信心,培养数学思维方式和理性精神,发展数学核心素养。
  (二)适切的教学内容
  目前,各版本初中数学教材中的“操作”“尝试”“思考”和“数学实验”等栏目,为数学体验教学提供了丰富的内容资源。初中数学体验教学应该依据课程标准,整合现行各版本教材,结合个人设计,重点针对那些学生认识和掌握有难度,但通过特定的体验却易于理解和领悟的教学内容。无论是理解知识的基础性内容,还是运用知识的拓展性内容,都要贴近学生的实际,有利于学生经历与探索。只有教学内容适切,才能便于实施,高效实施。
  (三)主动的具身参与
  “实践出真知”,说明真正的知识只有从实践中获得。试举两例:
  如图1所示,取1张A4纸,对折后撕掉其中的一半,对剩下的一半做同样的操作,如此依次进行下去,问:这样的操作能进行几次?对此,有人说与纸的厚度有关,有人说与纸的柔软度有关,还有人说可以操作10次以上。其实,如果没有亲历操作体验,那么很难得到正确结论。
  如图2所示,将两枚同样大小的硬币放在桌上,固定其中一枚,让另一枚沿着其边缘无滑动滚动一周,问:滚动的硬币自转了几圈?对此,许多人觉得,由于两枚硬币大小相等,滚动的硬币在固定的硬币上滚过的弧长等于固定的硬币的周长,因此滚动的硬币自转了1圈。其实,如果亲手操作一遍,便会发现实验结果与直觉猜想不一样。
  具身认知理论认为,在特定环境下的具身体验能造成强烈的心理刺激,有利于弄清数学问题和知识的来龙去脉,有利于养成数学的思维方式。在某种意义上,“体验”就是实践,就是具身。身体是刺激的感受器和行为的效应器,塑造了人们看待世界的方式,身体在活动中的感受、知觉为人们的思维和表达提供了最初的内容。人的心理感觉激活于生理体验,思维认知发端于身体感知,品格素养形成于具身领悟。
  三、初中数学体验教学的实施途径
  基于脑体并用、知行合一的特征,结合多年实践,我们认为,LDTS(Look、Do、Think、Say),即“看、做、想、说”体验系统是初中数学体验教学的有效实施途径。
  (一)在“看”中体验数学知识的发现和验证
  科学研究表明,大脑接受的感觉信息80%以上来自视觉,因此视觉信息的准确获取、正确加工(编码和解码)是大脑进行高效认知的基础。所以,“看”是初中数学体验教学最基本的实施途径。
  广义地理解,“看”是输入信息,包括阅读材料(主要是符号表征)。阅读材料既要聚焦,又要兼顾;既要看到表象,更要看到实质。因此,要按信息的主次梳理、分类和整合,合理忽略不相关的和不重要的,充分挖掘派生信息和隐含信息。例如:已知关于x的方程kx2-2x+1=0有實数根,求k的取值范围。对此,许多学生会有思维定式,直接用判别式Δ≥0求解,而未看出材料所蕴含的需要对k的值是否为0分类讨论的信息。
  聚焦数学体验教学,“看”主要是看操作的过程和结果(动作表征和图像表征),即直观的东西。“内行看门道,外行看热闹”,意即内行人看事情主要看本质,而外行人看事情只能看外表。看操作的过程和结果,要看懂各个环节和要素之间的顺序和关系,把实际操作抽象成数学变换,思考数学变换背后的数学原理及结论。
  (二)在“做”中体验数学知识的发现和验证
  “做”是“看”的基础(所“看”的东西通常是“做”出来的),“做”也是看的深入(在“做”的过程中,除了视觉,还会接受其他感觉信息,获得更为具身的体验)。数学体验教学,不仅要让学生“看”,而且要让学生“做”,从中更好地发现和验证数学对象和结论。   从目的性和方向性来看,操作有两个层次:一是随意操作,看具象和表象中的特征,结合自己的经验产生臆想;二是在数学思维的参与引导下操作,看直观抽象中的本质属性和内在规律,借助判断、推理的形式探索、猜想、验证、证明。此外,“做”既包括實物操作,也包括信息技术操作,甚至包括画图、演算等。
  例如,教学“圆周角的概念和性质”,可以设计和使用“圆周角体验器”——当然,也可以利用动态几何软件模拟。
  圆周角体验器如图7所示,由直轨道和圆轨道构成,两个轨道的中央都有可供铆钉运动的燕尾槽(直轨道外端密封,圆轨道在两个固定铆钉之间的优弧上),直轨道可以绕圆轨道的圆心自由转动;活动铆钉带动细弹簧,可以在两个轨道交叉处变轨,固定铆钉和圆轨道的圆心之间有细线连接。
  教学中,首先可以让学生随意操作。如下页图8所示,将细弹簧和活动铆钉构成的∠BAC的顶点A从圆心O出发,在直轨道上自由移动,在移动的过程中感受∠BAC的大小随点A的位置变化而变化的特征;还可以变轨,将∠BAC的顶点A在圆轨道上自由移动。在操作中产生臆想:∠BAC的大小可能与顶点A的位置有关,应该小于圆心角∠BOC。这一臆想不仅为圆周角“两要素”的概括提供了原生性指向,也为后续利用圆心角研究圆周角的大小提供了合理性暗示。自主操作中无意间的发现很重要。
  再如,教学“将军饮马问题”(比如:如图10所示,要在一条笔直的路边,即直线l上建一个燃气站,向l同侧的两个城镇A、B分别铺设管道输送燃气,试确定燃气站的位置,使得铺设管道的路线最短),可以引入皮筋张力模型和光线反射模型,引导学生操作实物——当然,也可以利用动态几何软件模拟。
  首先是随意操作。如下页图11所示,把一根皮筋的两端系在A、B两点(皮筋长度接近线段AB的长度),用弹簧秤挂钩钩住皮筋(可以使用少许润滑油,确保挂钩能在皮筋上流畅滑动,两侧皮筋对挂钩的拉力一致),将挂钩拖到直线l上,移动挂钩的位置,观察弹簧秤读数的变化,可以发现,当挂钩移动到A、B两点在直线l上的射影之间的某点C处时,弹簧秤的读数最小,说明此时折线ACB最短。或者,如图12所示,将一块平面境放在直线l处,让一束光线从点A射向直线l,调整入射的角度,观察反射光线何时经过点B,可以发现,当光线射向A、B两点在直线l上的射影之间的某点C处时,反射光线经过点B,说明此时折线ACB最短(在同一种介质中,光沿最短路线传播)。在上述操作中可以产生直觉猜想:使得路线ACB最短的点C位于A、B两点在直线l上的射影之间(并且离到直线l更近一些的点A的射影更近一些)的某处。
  其次是在数学思维的参与引导下操作。学生学过的数学中判断长度最短的重要结论是“两点之间线段最短”,但是这里的ACB始终是一条折线(两条线段),没有办法判断什么时候最短。怎么让ACB有可能变成一条线段?发现是点A、B在直线l的同侧导致ACB始终是一条折线,同时受到平面镜成像原理的启发,可以想到把点A、B放到直线l的异侧,并且保持它们到直线l上任意一点的距离不变。为此,不难想到作点A(或B)关于直线l的对称点A′(或B′),如图13所示。从而,可以进一步结合操作(这时最好利用动态几何软件,更加直接地看出长度的变化),得到解题结果:燃气站的位置为A′B与l的交点C处。
  (三)在“想”中体验数学知识的证明和生长
  “看”和“做”是感官从外部输入信息,而“想”则是大脑在内部处理信息。“想”是初中数学体验教学关键的实施途径。“看”和“做”的过程都离不开“想”,数学体验学习实际上是“看”或“做”和“想”相辅相成、相互交融的学习方式。除了与“看”或“做”结合在一起,理解“看”或“做”的内容,找到“看”或“做”的角度和方法,“想”最重要的功能是证明猜想和变式迁移(拓展应用)。
  例如,为了发展学生的空间观念,可以引导学生探究正方体截面的形状:用一个平面截正方体,截面的形状可能是什么?对此,可以引导学生用小刀切正方体橡皮,观察切面的形状;或在可密闭的全透明的正方体盒子中注水,观察水面的形状。在学生归纳发现切面或水面可能是三角形、四边形、五边形和六边形后,可以引导学生进一步发现:截面三角形是锐角三角形;截面四边形至少有一组对边平行,即可以是正方形、矩形、平行四边形、梯形;截面五边形有两组对边平行,截面六边形三组对边都平行。由此,可以引导学生思考如何证明这些结论。
  “想”完猜想的证明也就解决了最初的问题(证明是数学思维的理性精神最重要的体现),接着可以“想”问题的变式和经验的迁移:变式就是变更问题的非本质特征,而迁移就是运用解题的本质(不变)规律。这是因为数学知识总是相互联系形成结构的,数学问题总是相互关联生长变化的——正如波利亚所说的“好问题同某种蘑菇有些相像,它们都成堆地生长,找到一个以后,你应当在周围找找,很可能附近就有好几个”,而这样“想”可以充分发展学生的数学思维,提升思维的深刻性和灵活性等,还能及时评价之前数学体验学习的效果。
  上面的案例中,证明截面三角形是锐角三角形后,可以继续思考如下变式问题:如图15所示,在截去三棱锥“角块”S-ABC剩下的“正方体”上再截下一个三棱锥“角块”B-DEF,则截面△DEF还一定是锐角三角形吗?为什么?比较迁移之前的经验,结合利用动态几何软件的操作,可以发现:之前“角块”的顶点S处的三个面角都是直角,顶点S沿着一条棱移动后形成的截面三角形的内角都比面角小,因而都是锐角;现在“角块”的顶点B处的三个面角两个是钝角和一个是锐角,顶点B沿着一条棱移动后形成的截面三角形的内角虽然比面角小,但是可以很接近面角(考虑极端的情形),因此可以是钝角,当然也可以是直角或锐角,也就是说,截面△DEF可能是锐角三角形或直角三角形或钝角三角形。
  其实,前面的案例中,解决基本的(或者说经典的)“将军饮马问题”后,可以继续思考这样两个变式问题:如图16、图17所示,要在A、B两个城镇之间规划一个生态保护区,燃气管道不能穿过该区域,请分别确定燃气站的位置,设计铺设管道的路线,使之最短。   (四)在“说”中完成数学体验的升华和检验
  如果“看”和“做”是输入,“想”是处理,那么“說”就是输出。如果“看”“做”和“想”是自己搞懂,那么“说”就是让他人也懂。看似通过“看”“做”和“想”已经完成的数学体验学习其实需要通过“说”来升华和检验。因为“说”需要通过反省体悟和提炼组织,使得内容更加重点突出和条理清晰,从而更好理解。有些时候,我们以为自己想清楚了,但说出来的却不清楚,这就说明我们没有真正地想清楚,也就倒逼我们再去想,乃至看和做。所以,“学习金字塔”理论认为,“说”(“教别人”)是最好的学习方式。结合数学体验学习的过程,“说”的内容可以分为三类。
  一是经验性理解,也就是基于直观的“看”和“做”的理解。例如,对于a2-b2=(a+b)(a-b)的因式分解及其逆向变形的乘法公式,可以借助“从大正方形的角上割去一个小正方形,重新拼成一个矩形”的操作(如下页图18所示)来理解。学习了这一内容后,可以设计变式问题,让学生说一说自己的经验性理解。如何研究a3-b3的因式分解及其逆向变形的乘法公式?由a2、b2表示正方形的面积想到a3、b3表示正方体的体积,于是可以从大正方体的角上割去一个小正方体,然后类比“拼成矩形”的方法拼成一个柱体(如下页图19所示),从而得到a3-b3=(a-b)(a2+b2+ab)及其逆向变形。
  三是结构化理解,即基于数学知识之间联系的理解。例如,学习了“平行四边形”一章后,可以让学生回答以下问题:两组邻边分别相等的四边形叫作筝形(也可定义为:一条对角线垂直平分另一条的四边形叫作筝形),如何在如图20所示的文氏图中给筝形安个“家”?要正确安“家”,必须搞清楚筝形与其他对象的联系和差异。首先,筝形是四边形,所以“家”在“四边形”集合内。其次,筝形的对边可能相等,也可能不相等,若相等,则为菱形;若不相等,则不是平行四边形。所以,其“家”的一部分与“菱形”集合重合,而另一部分在“平行四边形”集合外。这样,我们就不难给筝形安“家”了:图21中的阴影部分。
  最后需要指出的是,LDTS只是一种探索性主张,具体的教学方法依教学内容及教学情境等因素的不同而变化;初中数学体验教学的探索无止境,根本宗旨是转变育人方式、提高育人水平。
  参考文献:
  [1] 吕林海.数学理解性学习与教学:文化的视角[M].北京:教育科学出版社,2013.
  *本文系江苏省教育科学“十三五”规划重点资助课题“初中数学体验校本课程的开发研究”(编号:Ra/2018/07)的阶段性研究成果。
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