程仕然 (江蘇省黃埭中學(xué) 215143)
《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(下稱《課標(biāo)》)強(qiáng)調(diào)“重視以學(xué)科大概念為核心,使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化,以主題為引領(lǐng),使課程內(nèi)容情境化,促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)”[1]4.那么,什么是學(xué)科大概念?如何在單元教學(xué)中體現(xiàn)學(xué)科大概念的核心作用?筆者查閱文獻(xiàn)資料,發(fā)現(xiàn)相關(guān)結(jié)論眾說(shuō)紛紜,且大多偏重理論研究,鮮有數(shù)學(xué)學(xué)科大概念的實(shí)踐研究.這說(shuō)明學(xué)科大概念有待深入研究,尤其是數(shù)學(xué)學(xué)科大概念視角下的教學(xué)實(shí)踐,更需要進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā).
“大概念”又可以稱為大觀念、核心觀念、大概念等.它是“能反映學(xué)科的本質(zhì),居于學(xué)科的中心地位,具有較為廣泛的適用性和解釋力的原理、思想和方法”[2].蘭德?tīng)枴げ闋査箤?shù)學(xué)學(xué)科大概念定義為對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)至關(guān)重要的觀念的陳述,是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的核心[3].我們這里所說(shuō)的數(shù)學(xué)學(xué)科大概念是指能反映數(shù)學(xué)學(xué)科的本質(zhì),居于學(xué)科的中心地位,具有較為廣泛的適用性和解釋力的原理、思想和方法.
林恩·埃里克森認(rèn)為,學(xué)科大概念指向?qū)W科中的核心概念,是基于事實(shí)基礎(chǔ)上抽象出來(lái)的深層次的、可遷移的概念[4].所以,通過(guò)上面相關(guān)論述的分析,我們可以把數(shù)學(xué)學(xué)科大概念的特征歸納為如下三點(diǎn):(1)能反映數(shù)學(xué)學(xué)科的主要觀點(diǎn)和思維方式,是學(xué)科結(jié)構(gòu)的骨架和主干部分;(2)能統(tǒng)領(lǐng)或包含大量的數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí),具有普遍性和廣泛的解釋力;(3)能提供對(duì)于理解數(shù)學(xué)知識(shí)、研究和解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的思想方法或關(guān)鍵工具,具備持久的可遷移應(yīng)用價(jià)值.
學(xué)科大概念視角下的單元教學(xué),需要我們從單元整體內(nèi)容著眼,根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求和教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn),以學(xué)科大概念為鏈貫穿不同的主題,統(tǒng)領(lǐng)單元教學(xué),以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)研究,有組織地探索一系列相關(guān)問(wèn)題,幫助學(xué)生自主搭建知識(shí)結(jié)構(gòu)框架,發(fā)展學(xué)生的思維鏈,建立系統(tǒng)的單元知識(shí)體系.
科學(xué)的單元學(xué)科大概念能夠承載知識(shí)點(diǎn)之間的鏈接,驅(qū)動(dòng)單元知識(shí)和概念的產(chǎn)生,能幫助學(xué)生了解單元知識(shí)的來(lái)龍去脈、理清邏輯關(guān)聯(lián)和明確課程學(xué)習(xí)的目的.從現(xiàn)有的研究成果來(lái)看,我們可以通過(guò)分析課程標(biāo)準(zhǔn)和教材,以學(xué)科大概念的三大特征為標(biāo)準(zhǔn),采用自上而下的辦法提取學(xué)科大概念[5].
案例1人教A版三角函數(shù)單元學(xué)科大概念的提?。?/p>
《課標(biāo)》提出借助單位圓建立一般三角函數(shù)的概念,體會(huì)引入弧度制的必要性;用幾何直觀和代數(shù)運(yùn)算的方法研究三角函數(shù)的性質(zhì),探索和研究三角函數(shù)之間的恒等關(guān)系,體會(huì)利用三角函數(shù)構(gòu)建刻畫(huà)事物周期變化的數(shù)學(xué)模型[1]21-22.
另外,通過(guò)對(duì)教材的梳理,我們發(fā)現(xiàn):三角函數(shù)單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容中單位圓模型共出現(xiàn)了19處,說(shuō)明單位圓模型在三角函數(shù)單元具有普遍性和廣泛的解釋力,能夠反映三角函數(shù)單元的主要觀點(diǎn)和思維方式,是骨架和主干部分;章節(jié)引言中提到自然界中各種周而復(fù)始的變化都可以抽象為點(diǎn)在圓上的圓周運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,利用單位圓這個(gè)數(shù)學(xué)模型建構(gòu)了三角函數(shù)的概念,在單位圓模型上通過(guò)幾何直觀研究三角函數(shù)圖象、誘導(dǎo)公式、恒等變形等性質(zhì),說(shuō)明單位圓是研究和解決三角函數(shù)問(wèn)題的關(guān)鍵工具;習(xí)題中拓展問(wèn)題的探究也用到了單位圓模型,說(shuō)明單位圓這個(gè)數(shù)學(xué)模型對(duì)于理解知識(shí)、探索新問(wèn)題具有持久的可遷移價(jià)值.
可見(jiàn),單位圓模型鏈接了本單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容,具有學(xué)科大概念的基本特征,是三角函數(shù)單元的學(xué)科大概念.
布魯納指出:無(wú)論教師教授哪類學(xué)科,一定要使學(xué)生理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu),有助于學(xué)生解決課堂內(nèi)外所遇到的各類問(wèn)題.掌握事物的基本結(jié)構(gòu),就是以允許許多別的東西與它有意義地聯(lián)系起來(lái)的方式去理解它,學(xué)習(xí)這種基本結(jié)構(gòu)就是學(xué)習(xí)事物之間是怎樣相互關(guān)聯(lián)起來(lái)的[6].因此,開(kāi)展學(xué)科大概念為統(tǒng)領(lǐng)的課堂教學(xué)需要我們理清單元學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的單元知識(shí)結(jié)構(gòu),幫助學(xué)生從整體上理解單元知識(shí),形成單元知識(shí)結(jié)構(gòu),有利于學(xué)生將學(xué)習(xí)到的數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行提取和遷移,即具有遷移價(jià)值.
案例2學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的三角函數(shù)單元知識(shí)結(jié)構(gòu).
通過(guò)案例1的研究,我們發(fā)現(xiàn):由單位圓模型相關(guān)的具體事實(shí)去研究或者發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的概念,在核心活動(dòng)中構(gòu)建相應(yīng)概念及相應(yīng)概念與其他概念的聯(lián)系,可以幫助學(xué)生形成由事實(shí)性實(shí)例支撐的概念性理解,進(jìn)而形成思維鏈,達(dá)到課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的目的.由此,依據(jù)林恩·埃里克森建立的“知識(shí)的結(jié)構(gòu)”模型,我們給出大概念統(tǒng)領(lǐng)下的三角函數(shù)單元知識(shí)結(jié)構(gòu)圖(圖1).
圖1 大概念統(tǒng)領(lǐng)下的三角函數(shù)單元知識(shí)結(jié)構(gòu)圖
單元教學(xué)連接著課程和課時(shí)教學(xué).學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的單元教學(xué)是在對(duì)單元教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)后,圍繞教學(xué)目標(biāo)達(dá)成,在學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下開(kāi)展課時(shí)小目標(biāo)教學(xué).課時(shí)小目標(biāo)在學(xué)科大概念的鏈接下落實(shí)單元教學(xué)目標(biāo),由學(xué)科大概念相關(guān)的具體事實(shí)去研究或者發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的概念,在核心活動(dòng)中構(gòu)建相應(yīng)概念,幫助學(xué)生形成由事實(shí)性實(shí)例支撐的概念性理解,進(jìn)而形成思維鏈,達(dá)到課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的目的.
案例3以學(xué)科大概念為鏈的三角函數(shù)單元教學(xué)實(shí)踐(片段).
由案例1和案例2的研究可知,單位圓模型是三角函數(shù)單元的學(xué)科大概念.單位圓是周而復(fù)始規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,能夠承載三角函數(shù)單元學(xué)習(xí)目標(biāo).我們可以通過(guò)對(duì)單位圓模型的研究架構(gòu)起三角函數(shù)單元的學(xué)科知識(shí).
鏈接1單位圓視角下的弧度制.
教師啟發(fā) 當(dāng)半徑r=1時(shí),角α就可以用弧長(zhǎng)l表示,實(shí)現(xiàn)了用實(shí)數(shù)來(lái)度量角的大?。?/p>
設(shè)計(jì)意圖讓學(xué)生積累活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),在單位圓模型中體驗(yàn)用實(shí)數(shù)表示角這個(gè)幾何圖形的可行性,實(shí)現(xiàn)角與實(shí)數(shù)的一一對(duì)應(yīng),為三角函數(shù)的一般定義埋下伏筆,體現(xiàn)了引入弧度制的必要性.
鏈接2構(gòu)建單位圓模型,建構(gòu)任意角三角函數(shù)概念.
核心活動(dòng) 自然界中各類周而復(fù)始的周期性變化抽象為單位圓上點(diǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)模型,在單位圓模型上建立一般三角函數(shù)的概念.
上述活動(dòng)與概念抽象過(guò)程如圖2所示.
圖2
設(shè)計(jì)意圖從幾何直觀出發(fā),把自然界中周而復(fù)始現(xiàn)象簡(jiǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng),構(gòu)建單位圓模型,從代數(shù)運(yùn)算角度理解動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)角的函數(shù)關(guān)系,建構(gòu)高中的三角函數(shù)一般定義,方便學(xué)生研究得出三角函數(shù)定義域、值域和函數(shù)值的符號(hào)規(guī)律,反映了三角函數(shù)的本質(zhì),明確學(xué)習(xí)三角函數(shù)的意義,為研究三角函數(shù)性質(zhì)做好鋪墊.
鏈接3研究同角三角函數(shù)關(guān)系.
核心活動(dòng) 聚焦三角函數(shù)定義,研究單位圓中同角三角函數(shù)的關(guān)系.
圖3
教師啟發(fā) 從定義出發(fā),數(shù)形結(jié)合研究得出的同角三角函數(shù)平方和關(guān)系和商的關(guān)系極具數(shù)學(xué)美,相關(guān)變形應(yīng)用廣泛.
設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)學(xué)生回歸定義研究問(wèn)題,以數(shù)形結(jié)合的方式分析問(wèn)題和解決問(wèn)題.發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)美,讓學(xué)生體驗(yàn)從幾何直觀到代數(shù)推演的樂(lè)趣,也為研究誘導(dǎo)公式做準(zhǔn)備.
鏈接4利用單位圓模型研究誘導(dǎo)公式.
學(xué)生研究 觀察,發(fā)現(xiàn):
教師啟發(fā) 上面這些單位圓上的對(duì)稱關(guān)系是具有一般性的,由對(duì)稱關(guān)系得到等量關(guān)系就是我們想要研究的誘導(dǎo)公式.
設(shè)計(jì)意圖對(duì)稱性是函數(shù)的重要性質(zhì),利用單位圓模型幾何直觀體驗(yàn)和感受三角函數(shù)的對(duì)稱性,讓學(xué)生在活動(dòng)和探究中得出三角函數(shù)誘導(dǎo)公式,為后期用單位圓模型證明三角恒等關(guān)系提供方法借鑒.
鏈接5借助單位圓實(shí)物模型,畫(huà)三角函數(shù)圖象,研究三角函數(shù)性質(zhì).
核心活動(dòng) 自制單位圓實(shí)物教具,利用單位圓實(shí)物模型精確畫(huà)出正弦函數(shù)圖象.
學(xué)生研究 (1)如何標(biāo)注坐標(biāo)軸上的單位?(2)如何標(biāo)出正弦函數(shù)圖象上任意點(diǎn)(x,sinx)?
教師啟發(fā) 單位圓上角所對(duì)的弧長(zhǎng)即為該角的弧度數(shù).(1)讓單位圓實(shí)物模型從原點(diǎn)出發(fā),向右在坐標(biāo)軸上滾半周即得到π長(zhǎng)度,滾動(dòng)一周即得到2π長(zhǎng)度,由此即可得到橫坐標(biāo)軸上點(diǎn)(π,0),(2π,0).(2)任意點(diǎn)(x,sinx)的橫坐標(biāo)可仿(1)滾動(dòng)得到,縱坐標(biāo)由滾動(dòng)前點(diǎn)的縱坐標(biāo)平移得到.(3)類比正弦函數(shù)圖象的作圖過(guò)程得到余弦函數(shù)、正切函數(shù)圖象.
設(shè)計(jì)意圖借助單位圓實(shí)物模型標(biāo)注三角函數(shù)的圖象坐標(biāo),重溫單位圓視角下的弧度制,加深三角函數(shù)的一般定義,即:三角函數(shù)是以角為變量、實(shí)數(shù)集對(duì)應(yīng)到實(shí)數(shù)集的函數(shù).
鏈接6基于單位圓的一般三角函數(shù)定義應(yīng)用一——證明兩角差的余弦公式.
核心活動(dòng) 證明兩個(gè)角差的余弦公式cos(α-β)=cosαcosβ+sinαsinβ(*).
學(xué)生研究 圖4(1)中角α,β的終邊分別與單位圓交于點(diǎn)A(cosα,sinα),B(cosβ,sinβ).當(dāng)α≠β+2kπ,k∈Z時(shí),有AB2=(cosα-cosβ)2+(sinα-sinβ)2=2-2(cosαcosβ+sinαsinβ).在原圖中繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸,讓x軸非負(fù)半軸與OB重合,如圖4(2),則點(diǎn)A和點(diǎn)B的坐標(biāo)分別變?yōu)?1,0),(cos(α-β),sin(α-β)).此時(shí),AB2=[cos(α-β)-1]2+sin2(α-β)=2-2cos(α-β),所以有2-2cos(α-β)=2-2(cosαcosβ+sinαsinβ),從而得到等式(*).
圖4
當(dāng)α=β+2kπ,k∈Z時(shí),上式也成立.我們得到如下結(jié)論:α,β是任意角,則有等式(*)成立.
教師啟發(fā) 繞圓心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,單位圓上兩定點(diǎn)間距離不變,借助兩點(diǎn)間距離證明公式.
設(shè)計(jì)意圖基于單位圓的一般三角函數(shù)定義,可發(fā)現(xiàn)等式(*)右邊各角在圓上相應(yīng)點(diǎn)A(cosα,sinα),B(cosβ,sinβ)間的距離AB2=2-2(cosαcosβ+sinαsinβ),旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸后,點(diǎn)A坐標(biāo)(cos(α-β),sin(α-β))與角α-β建立了直接關(guān)系.旋轉(zhuǎn)前后點(diǎn)A,B在單位圓上的相對(duì)位置未變,因而距離不變,從而達(dá)到證明等式的目的.單位圓模型為學(xué)生從幾何直觀觀察順利遷移到代數(shù)推理證明架起一座橋梁,在問(wèn)題解決中提升了學(xué)生的學(xué)科關(guān)鍵能力,在知識(shí)的應(yīng)用中形成高階思維.
鏈接7基于單位圓的一般三角函數(shù)定義應(yīng)用二——證明三角函數(shù)的恒等變換公式.
圖5
設(shè)計(jì)意圖此題為課本習(xí)題,類比鏈接6,借助單位圓的幾何直觀證明三角恒等式的思想方法,通過(guò)直觀想象、邏輯推理、數(shù)學(xué)運(yùn)算證明和差化積公式,既是深化單位圓大概念,又是對(duì)本單元所學(xué)內(nèi)容以及學(xué)生素養(yǎng)收獲的考查.
學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下實(shí)施單元教學(xué),需要我們關(guān)注數(shù)學(xué)本質(zhì),以課程標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則,以基本事實(shí)為導(dǎo)引,選擇合適的路徑提取承載單元教學(xué)任務(wù)的學(xué)科大概念,從促進(jìn)教學(xué)和學(xué)生的理解、有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)等教學(xué)實(shí)踐意義的角度去架構(gòu)單元知識(shí)框架,以學(xué)科大概念為鏈,實(shí)行單元整體教學(xué)設(shè)計(jì).
通過(guò)解讀《課標(biāo)》和梳理分析教材,以學(xué)科大概念的三個(gè)特征為標(biāo)準(zhǔn)確定單元大概念,規(guī)劃出單元教學(xué)設(shè)計(jì)思路.立足大概念的基本特征,從學(xué)科的視角理解大概念,分析概念核心及其相關(guān)概念構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)體系,形成單元教學(xué)主題.
發(fā)揮單元學(xué)科大概念在單元學(xué)習(xí)中的統(tǒng)領(lǐng)作用,將課堂教學(xué)聚焦于知識(shí)的銜接、概念的來(lái)源與形成、數(shù)學(xué)文化的滲透、數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)等環(huán)節(jié),將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成單元知識(shí)問(wèn)題鏈,以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)研究,在核心活動(dòng)中探索和構(gòu)建單元知識(shí)網(wǎng)絡(luò),體驗(yàn)大概念的統(tǒng)領(lǐng)作用.加強(qiáng)單元內(nèi)容的縱橫聯(lián)系,幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)功能優(yōu)良、遷移能力強(qiáng)的數(shù)學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu),體會(huì)數(shù)學(xué)的思維方式,引領(lǐng)和輻射其他相關(guān)概念的學(xué)習(xí),提高對(duì)數(shù)學(xué)的整體認(rèn)識(shí).
圍繞單元學(xué)科大概念,立足學(xué)生的認(rèn)知水平設(shè)置本單元中問(wèn)題探究活動(dòng),重視知識(shí)生成的過(guò)程展示,環(huán)環(huán)相扣地安排鏈接問(wèn)題,促進(jìn)知識(shí)與技能的內(nèi)化;步步深入地推動(dòng)單元核心活動(dòng),提升學(xué)生分析和解決新問(wèn)題的能力,促進(jìn)交流與反思的深化;層層深入地理解和應(yīng)用單元學(xué)科大概念,培養(yǎng)學(xué)生的思辨與綜合應(yīng)用能力,促進(jìn)思維與表達(dá)的固化.
基于學(xué)科大概念進(jìn)行整體單元教學(xué)設(shè)計(jì),沿著大概念主線分步實(shí)施完成鏈接部分的課堂教學(xué),在教學(xué)過(guò)程中不斷強(qiáng)化學(xué)科大概念,讓分散的單元知識(shí)在大概念的統(tǒng)領(lǐng)下形成一個(gè)有機(jī)的整體,為學(xué)生逐步搭建起以學(xué)科大概念為核心的結(jié)構(gòu)化的課程內(nèi)容.
弗賴登塔爾認(rèn)為:“‘再創(chuàng)造’是整個(gè)數(shù)學(xué)教育的原則.”[7]所以說(shuō),數(shù)學(xué)課堂教學(xué)就是在問(wèn)題與核心活動(dòng)中引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)與技能的產(chǎn)生與發(fā)展,構(gòu)建數(shù)學(xué)知識(shí)體系.如本文案例中以單位圓模型這個(gè)學(xué)科大概念為鏈統(tǒng)領(lǐng)三角函數(shù)單元教學(xué),從章首語(yǔ)中“周而復(fù)始問(wèn)題”簡(jiǎn)化抽象為單位圓模型開(kāi)始,利用單位圓模型建立起一般三角函數(shù)的概念,利用單位圓幾何直觀研究三角函數(shù)圖象、性質(zhì)、誘導(dǎo)公式,探究三角恒等變換,鏈接了概念的建構(gòu)、概念的解構(gòu)、概念的鞏固、概念的拓展、概念的應(yīng)用和評(píng)價(jià)等教學(xué)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)了單元結(jié)構(gòu)化的目的,更大程度上體現(xiàn)了單位圓這個(gè)簡(jiǎn)單而美麗的數(shù)學(xué)模型把現(xiàn)實(shí)世界中的各類循環(huán)往復(fù)問(wèn)題,轉(zhuǎn)化抽象為“數(shù)”的一類函數(shù)來(lái)研究,這就是數(shù)學(xué)的智慧!
數(shù)學(xué)學(xué)科大概念是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的頂層觀念和思想,對(duì)明確數(shù)學(xué)概念核心、建構(gòu)數(shù)學(xué)知識(shí)體系、解決數(shù)學(xué)問(wèn)題、評(píng)價(jià)教學(xué)活動(dòng)都具有重要的導(dǎo)向作用.它有利于幫助學(xué)生理解學(xué)科知識(shí)背后的更為本質(zhì)的思想和方法,有利于學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)化,幫助學(xué)生形成解決具體問(wèn)題的思路方法,促進(jìn)數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)化.
在教學(xué)實(shí)踐中,以學(xué)科大概念為鏈的單元教學(xué)設(shè)計(jì),用學(xué)科大概念鏈接單元知識(shí),問(wèn)題驅(qū)動(dòng)核心任務(wù)研究,讓學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)實(shí)踐化、系統(tǒng)化、深度化,形成單元知識(shí)結(jié)構(gòu)體系和概念的生長(zhǎng)鏈,促進(jìn)概念理解和知識(shí)遷移運(yùn)用,發(fā)展了學(xué)生的思維鏈,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神,提升了學(xué)生的學(xué)科關(guān)鍵能力,落實(shí)了數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),達(dá)到從知識(shí)傳授到能力培養(yǎng)再到價(jià)值塑造的“立德樹(shù)人”目的.