【摘 要】研究者以2019年人教A版“函數(shù)y=Asin(ωx+φ)”為例,闡述對(duì)基于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)教學(xué)的理解與實(shí)踐,主張教學(xué)要基于學(xué)生已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)與組織,用好認(rèn)知起點(diǎn),激活思維,積累活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)。
【關(guān)鍵詞】學(xué)生經(jīng)驗(yàn);數(shù)學(xué)教學(xué);理解與實(shí)踐
【作者簡(jiǎn)介】丁益民,高級(jí)教師,全國(guó)新青年數(shù)學(xué)教師工作室創(chuàng)始人之一,主要研究方向?yàn)楦咧袛?shù)學(xué)教材教法研究。
【基金項(xiàng)目】江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“深度學(xué)習(xí)視域下高中數(shù)學(xué)單元教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”(C-c/2020/02/50);蘇州市“十三五”規(guī)劃課題“高中數(shù)學(xué)中觀教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”(192110555) 一般認(rèn)為,學(xué)生最有效的學(xué)習(xí)是在原有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的再建構(gòu)。奧蘇貝爾說(shuō):“如果我不得不將所有的教育心理學(xué)原理還原為一句話的話,我將會(huì)說(shuō),影響學(xué)習(xí)的最重要因素是學(xué)生已經(jīng)知道了什么,根據(jù)學(xué)生的原有知識(shí)狀況進(jìn)行教學(xué)。”[1]新課程改革關(guān)注學(xué)生發(fā)展,強(qiáng)調(diào)要以學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行教學(xué),真正突出學(xué)生的主體建構(gòu)?;趯W(xué)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué),這是學(xué)習(xí)建構(gòu)本質(zhì)的要求。在理念上,我們都認(rèn)同經(jīng)驗(yàn)的重要性,在設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)時(shí)也強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在已有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)。但在實(shí)際教學(xué)中,很多教師對(duì)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)并沒(méi)有給予足夠的重視,現(xiàn)實(shí)的課堂脫離學(xué)生實(shí)際的現(xiàn)象還非常普遍,這反映出很多教師對(duì)經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題缺少足夠的認(rèn)知。
一、基于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)涵闡述
數(shù)學(xué)教學(xué)是學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)交錯(cuò)遞進(jìn)中發(fā)展和深化數(shù)學(xué)思維和數(shù)學(xué)理解的過(guò)程。學(xué)生在數(shù)學(xué)活動(dòng)中獲得的經(jīng)驗(yàn),是具體數(shù)學(xué)內(nèi)容、活動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)三個(gè)基本因素相互作用下,產(chǎn)生動(dòng)作技能性經(jīng)驗(yàn)、情感體現(xiàn)性經(jīng)驗(yàn)與認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)等構(gòu)成的整體,我們可用數(shù)學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)直觀模型圖(如圖1)加以表征。學(xué)生的數(shù)學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)形式上就是由這三維坐標(biāo)構(gòu)成的元素“點(diǎn)”的集合體[2]。
從學(xué)生層面來(lái)看,在學(xué)習(xí)之初學(xué)生已有三種經(jīng)驗(yàn),即原有學(xué)習(xí)方法的經(jīng)驗(yàn)、已習(xí)得知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)和生活的經(jīng)驗(yàn)。每個(gè)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)都存在著差異,在學(xué)習(xí)方法上也會(huì)形成個(gè)性獨(dú)特的風(fēng)格,這些都將不斷地內(nèi)化為他們的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)體系,并且這些經(jīng)驗(yàn)在適當(dāng)?shù)那榫持锌梢约ぐl(fā)出來(lái)。學(xué)生每學(xué)習(xí)一個(gè)新知識(shí),都將為后續(xù)學(xué)習(xí)積累知識(shí)結(jié)構(gòu)上的經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)通過(guò)思維活動(dòng)、表征活動(dòng)、同化順應(yīng)活動(dòng)等形成新的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)(如圖2)。另外,學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)有三種情況:一是學(xué)生已具備的豐富經(jīng)驗(yàn),只需要教師加以點(diǎn)撥,就能幫助他們“喚醒”;二是學(xué)生有了一定的經(jīng)驗(yàn),但還不足以達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo),需要教師“加固”他們的經(jīng)驗(yàn);三是學(xué)生缺少相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn),需要教師提供新的經(jīng)驗(yàn)或?yàn)閷W(xué)生提供獲取新經(jīng)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。一般地,在不同背景下,學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)情況會(huì)有所不同,應(yīng)根據(jù)不同的目標(biāo)需求設(shè)計(jì)活動(dòng),并形成新的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。
從教師角度來(lái)看,分析學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)是教學(xué)設(shè)計(jì)的第一步,只有充分了解學(xué)生的經(jīng)驗(yàn),才能有針對(duì)性地安排教學(xué)活動(dòng)。在設(shè)計(jì)和組織教學(xué)時(shí),教師應(yīng)充分考慮學(xué)生已具備哪些經(jīng)驗(yàn),這些經(jīng)驗(yàn)處于何種狀態(tài)等,以便找到學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的“最近發(fā)展區(qū)”,讓新知的學(xué)習(xí)能更好地納入學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。因此,教師要以學(xué)生經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn),設(shè)計(jì)合理的活動(dòng),為學(xué)生提供更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、內(nèi)化、反思等。筆者以2019年人教A版高中數(shù)學(xué)必修第一冊(cè)“函數(shù)y=Asin(ωx+φ)”教學(xué)為例,對(duì)基于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)教學(xué)進(jìn)行研究。
二、教學(xué)設(shè)計(jì)
(一)對(duì)接經(jīng)驗(yàn),創(chuàng)設(shè)情境
情境1:蘇州金雞湖摩天輪。
提出問(wèn)題:摩天輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,每個(gè)座艙距離地面的高度與時(shí)間存在什么樣的函數(shù)關(guān)系?
情境2:如圖3,筒車是中國(guó)古代發(fā)明的一種灌溉工具,它省時(shí)、省力、環(huán)保、經(jīng)濟(jì),現(xiàn)代農(nóng)村還在大量使用。明朝科學(xué)家徐光啟在《農(nóng)政全書(shū)》用圖4描繪了人們利用筒車的圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行灌溉的工作原理。
設(shè)計(jì)意圖:教師運(yùn)用身邊的生活情境和數(shù)學(xué)史料,引導(dǎo)學(xué)生與已有的生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)接,進(jìn)入情境的表征活動(dòng)中,讓學(xué)生自然而然地產(chǎn)生認(rèn)知需求,在熟悉的情境中激發(fā)生活經(jīng)驗(yàn),產(chǎn)生認(rèn)知驅(qū)動(dòng)力。
(二)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),抽象模型
為了更好地研究問(wèn)題,教師將情境1和情境2中的問(wèn)題改編為以下數(shù)學(xué)問(wèn)題。
如圖5,假設(shè)筒車的直徑是10m,筒車距離水面最高的高度為8m,該筒車勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需3min。那么,你能用一個(gè)合適的函數(shù)模型來(lái)刻畫(huà)筒車上某一個(gè)盛水筒P距離水面高度H隨時(shí)間t(min)的關(guān)系嗎?
問(wèn)題1:如何研究這個(gè)問(wèn)題?
教師引導(dǎo)學(xué)生建立合適的直角坐標(biāo)系(如圖6),將實(shí)際問(wèn)題數(shù)學(xué)化。
活動(dòng):請(qǐng)根據(jù)數(shù)據(jù)寫(xiě)出問(wèn)題中的數(shù)學(xué)模型y=5sin(120t+φ)+3,其中φ表示剛開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的初始角,它與選取的初始位置有關(guān)。
問(wèn)題2:上述函數(shù)表達(dá)式為何不加絕對(duì)值?
該問(wèn)題的提出旨在讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到,這里的“高度”其實(shí)類似于之前他們學(xué)習(xí)正負(fù)數(shù)時(shí)的“海拔”一樣也有正負(fù)之分。
設(shè)計(jì)意圖:該教學(xué)環(huán)節(jié)是運(yùn)用已有的基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行新的建構(gòu)活動(dòng),即通過(guò)建立直角坐標(biāo)系將實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模活動(dòng),進(jìn)而抽象出函數(shù)模型,為學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。教師要喚醒學(xué)生大腦中已具備的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn),讓學(xué)生在已有經(jīng)驗(yàn)下進(jìn)行熟悉的認(rèn)知活動(dòng),這樣才可能讓學(xué)生進(jìn)行自主建構(gòu)。
(三)借鑒經(jīng)驗(yàn),啟發(fā)思考
將上述模型一般化后得到本節(jié)課要學(xué)習(xí)的函數(shù)模型:y=Asin(ωx+φ)。
問(wèn)題3:如何研究函數(shù)y=Asin(ωx+φ)中A,ω,φ對(duì)該函數(shù)圖象的影響?
問(wèn)題4:在之前的學(xué)習(xí)中,我們用怎樣的經(jīng)驗(yàn)來(lái)研究類似的問(wèn)題呢?
教師引導(dǎo)學(xué)生回憶初中研究的二次函數(shù)y=x2與y=a(x-h)2+k(a≠0)的關(guān)系,采用從特殊到一般和控制變量的方法進(jìn)行研究(如圖7)。
不妨先研究φ對(duì)圖象的影響。為了便于研究,我們可以取特殊的φ值(如φ=π6)進(jìn)行研究,研究路線如下(如圖8)。
問(wèn)題5:根據(jù)上面的探究,你能歸納出φ對(duì)函數(shù)y=sin(x+φ)圖象的影響的一般化結(jié)論嗎?
教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論研究后,用課件出示以下內(nèi)容。
一般地,當(dāng)動(dòng)點(diǎn)P的起始位置P0對(duì)應(yīng)的角為φ時(shí),對(duì)應(yīng)的函數(shù)為y=sin(x+φ)(φ≠0),將正弦曲線上所有的點(diǎn)向左(φ>0)或向右(φ<0)平移φ個(gè)長(zhǎng)度單位就得到y(tǒng)=sin(x+φ)的圖象。
設(shè)計(jì)意圖:借鑒之前學(xué)習(xí)二次函數(shù)的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)參數(shù)φ對(duì)y=sin(x+φ)(φ≠0)圖象的影響,讓學(xué)生經(jīng)歷從特殊到一般,再?gòu)囊话愕教厥獾乃季S過(guò)程。思維走向是從某個(gè)(些)點(diǎn)的變化到所有點(diǎn)的變化規(guī)律,再到整個(gè)圖象的變化規(guī)律,從而將特殊的φ對(duì)圖象的影響規(guī)律推廣到一般的φ對(duì)圖象影響的規(guī)律。這個(gè)過(guò)程既包含已有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的再運(yùn)用,又有新的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的再運(yùn)用,加強(qiáng)了認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)在大腦中的重構(gòu),使得活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)更加豐富。
(四)強(qiáng)化經(jīng)驗(yàn),形成新知
問(wèn)題6:你能借助上面探究的過(guò)程來(lái)研究ω(ω>0)對(duì)y=sin(ωx+φ)圖象的影響嗎?
問(wèn)題7:根據(jù)上面的探究,你能歸納出參數(shù)ω對(duì)函數(shù)y=sin(ωx+φ)圖象的影響的一般化結(jié)論嗎?
問(wèn)題8:你能用學(xué)得的經(jīng)驗(yàn)研究參數(shù)A對(duì)y=Asin(ωx+φ)圖象的影響嗎?
問(wèn)題9:根據(jù)上面的探究,你能歸納出參數(shù)A對(duì)函數(shù)y=Asin(ωx+φ)圖象的影響的一般化結(jié)論嗎?
問(wèn)題10:通過(guò)對(duì)這節(jié)課的學(xué)習(xí),談?wù)勎覀冇檬裁捶椒ㄑ芯亢瘮?shù)y=Asin(ωx+φ)的圖象?你學(xué)到了什么研究經(jīng)驗(yàn)?
課后探究:你還能重新選擇A,ω,φ的研究順序來(lái)探究它們對(duì)y=Asin(ωx+φ)圖象的影響嗎?
設(shè)計(jì)意圖:?jiǎn)栴}6~問(wèn)題9是相同經(jīng)驗(yàn)下的同構(gòu)認(rèn)知活動(dòng),是認(rèn)知的同化與順應(yīng)活動(dòng),而且這樣的過(guò)程還可以延展到課后進(jìn)一步探究,這對(duì)建構(gòu)學(xué)生完整、邏輯連貫的認(rèn)知過(guò)程非常有必要。
三、反思認(rèn)識(shí)
(一)找準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)起點(diǎn),整體把握內(nèi)容
數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)不是孤立存在的,任何新知都是基于舊知生成,找準(zhǔn)新知與舊知的關(guān)聯(lián)點(diǎn),讓學(xué)生在似曾相識(shí)中對(duì)舊知進(jìn)行回顧,對(duì)新知進(jìn)行建構(gòu),主動(dòng)實(shí)現(xiàn)舊知與新知的邏輯關(guān)聯(lián)。因此,準(zhǔn)確把握學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)起點(diǎn)是實(shí)施基于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)前提,教師應(yīng)努力找準(zhǔn)知識(shí)起點(diǎn),用好經(jīng)驗(yàn)起點(diǎn),激活學(xué)生思維。在本節(jié)課之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了正弦函數(shù)、余弦函數(shù)、正切函數(shù)等基本函數(shù)的概念、性質(zhì)及圖象等,這是本節(jié)課的知識(shí)起點(diǎn);學(xué)生已經(jīng)掌握了研究函數(shù)的“基本套路”(從現(xiàn)實(shí)生活中抽象出函數(shù)模型→對(duì)函數(shù)模型進(jìn)行定義→研究函數(shù)模型的性質(zhì)與圖象→應(yīng)用函數(shù)模型解決問(wèn)題),這是本節(jié)課的經(jīng)驗(yàn)起點(diǎn);也逐步感悟到認(rèn)識(shí)對(duì)象的過(guò)程都是從具體到復(fù)雜的過(guò)程(即從初等基本函數(shù)到復(fù)雜函數(shù)),這是本節(jié)課的思維起點(diǎn)。之前的認(rèn)知線路是以“刻畫(huà)周期性現(xiàn)象的函數(shù)模型”這一核心任務(wù)展開(kāi)的(如圖9)。[3]而且學(xué)生從初中到學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容之前,學(xué)會(huì)了用已學(xué)的初等基本函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)范式去研究更為復(fù)雜的函數(shù),然后又從復(fù)雜函數(shù)“退化”到簡(jiǎn)單函數(shù),這樣從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,再?gòu)膹?fù)雜到簡(jiǎn)單的雙向認(rèn)知過(guò)程是認(rèn)識(shí)函數(shù)主要的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)。
從這個(gè)角度看,基于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)體現(xiàn)了單元教學(xué)的特質(zhì),將單元中具有相同或相似活動(dòng)過(guò)程作為“經(jīng)驗(yàn)單元”不斷地重復(fù)激活,運(yùn)用相同或類似經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的認(rèn)知活動(dòng),讓單元知識(shí)在已有活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的指引下不斷地同化、調(diào)整、豐富或重構(gòu),最終形成穩(wěn)定牢固的知識(shí)結(jié)構(gòu)留在大腦中。這樣的認(rèn)知過(guò)程體現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)的整體性和單元教學(xué)的邏輯連貫性。
(二)實(shí)現(xiàn)承上啟下,促進(jìn)自主建構(gòu)
研究表明,學(xué)生是基于已有知識(shí)去建構(gòu)和理解新知識(shí)的,每一個(gè)新經(jīng)驗(yàn)都有過(guò)往經(jīng)驗(yàn)的成分,同時(shí)也會(huì)影響和改變后續(xù)經(jīng)驗(yàn)[4]。因此,在教學(xué)時(shí),教師既要考慮到此次活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的起點(diǎn)是什么,還要考慮到此次活動(dòng)為后續(xù)學(xué)習(xí)留下哪些有價(jià)值的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),這就是經(jīng)驗(yàn)的承上啟下。本節(jié)課中,在研究參數(shù)對(duì)圖象影響的探究方式上,借鑒研究函數(shù)y=a(x-h)2+k圖象的變化規(guī)律與y=x2圖象產(chǎn)生聯(lián)系的經(jīng)驗(yàn),自然遷移到將函數(shù)y=Asin(ωx+φ)的圖象與函數(shù)y=sinx的圖象產(chǎn)生同化與順應(yīng)。在具體研究參數(shù)對(duì)圖象的影響時(shí),既考慮到初中已學(xué)二次函數(shù)的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)[如參數(shù)a對(duì)y=a(x-h)2+k圖象開(kāi)口大小的影響],又考慮到當(dāng)前活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)后面學(xué)習(xí)其他參數(shù)時(shí)所起的思維示范作用。換言之,只要將參數(shù)φ這一探究活動(dòng)講到位,學(xué)生就可以在研究其他參數(shù)時(shí)進(jìn)行自主建構(gòu)。一般情形下,經(jīng)驗(yàn)具有一定的連續(xù)性和可復(fù)制性。在設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí),教師要運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的連續(xù)性和可復(fù)制性引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相似的建構(gòu)與理解,讓學(xué)生在一定思維范式的引領(lǐng)下進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的對(duì)接和思維的聯(lián)結(jié),實(shí)現(xiàn)自主建構(gòu)。
(三)重構(gòu)原有經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)認(rèn)知提升
如果在教學(xué)中不去關(guān)注學(xué)生的原有經(jīng)驗(yàn)(有些可能是不好的或不恰當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)),那么原有經(jīng)驗(yàn)和新知識(shí)的學(xué)習(xí)就可能發(fā)生沖突,對(duì)新知識(shí)的建構(gòu)就會(huì)形成阻礙。教師在教學(xué)中關(guān)注學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn),引導(dǎo)他們?nèi)ンw會(huì)和認(rèn)識(shí)原有經(jīng)驗(yàn)中出現(xiàn)偏差或錯(cuò)誤的原因,不僅能很好地建構(gòu)新知識(shí),而且還能使原有不完整或錯(cuò)誤的經(jīng)驗(yàn)成為促進(jìn)學(xué)習(xí)的積極因素。比如本節(jié)課在研究參數(shù)φ對(duì)圖象的影響時(shí),學(xué)生很可能受初中“左加右減”口訣的影響,這種口訣式的“經(jīng)驗(yàn)”是非理性的,也是膚淺和機(jī)械的。只有引導(dǎo)學(xué)生分析圖象變換的本質(zhì)才是可靠的,要讓他們知道是點(diǎn)的變化才引起圖象的變化,點(diǎn)的變換是圖象變換的關(guān)鍵,尋找到圖象變換前后的對(duì)應(yīng)點(diǎn),將認(rèn)知活動(dòng)的重心聚焦在變換前后對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系上。這樣的活動(dòng)自然成為后面認(rèn)識(shí)其他參數(shù)時(shí)的先行組織者。數(shù)學(xué)活動(dòng)中那些具體數(shù)學(xué)規(guī)律(如本節(jié)課中參數(shù)對(duì)函數(shù)影響的規(guī)律)的發(fā)現(xiàn)要么是被已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)所吸收(同化),要么就是引起已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的改造(順應(yīng)),產(chǎn)生新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[5]。學(xué)生學(xué)習(xí)新知的過(guò)程就是已經(jīng)獲得的經(jīng)驗(yàn)在新情境中進(jìn)行檢驗(yàn)和遷移的過(guò)程,學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生了同化和順應(yīng),逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)原有知識(shí)結(jié)構(gòu)的重新組織,即實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)的重構(gòu)。
總之,在實(shí)際教學(xué)中,教師要充分關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)前后邏輯連貫的數(shù)學(xué)活動(dòng),讓學(xué)生在活動(dòng)中進(jìn)行整體的認(rèn)知活動(dòng),以此促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)概念的深度理解,真正提升學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)。
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(責(zé)任編輯:陸順演)