董林偉 石樹偉
(1.江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室 210013;2.江蘇省揚州市廣陵區(qū)教師發(fā)展中心 225006)
在20世紀初,數(shù)學(xué)的研究和教育存在著一種脫離社會文化的孤立主義傾向,人們錯誤地認為數(shù)學(xué)只是少數(shù)天才腦子里想象出來的“自由創(chuàng)造物”,數(shù)學(xué)的發(fā)展無須社會文化的推動,其真理性無須實踐的檢驗.這種傾向一直影響著今天的中國數(shù)學(xué)教育:數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容過度的形式化,重結(jié)果輕過程;數(shù)學(xué)教學(xué)方式過度的離身性,傾向身心二元論,忽視操作和體驗;數(shù)學(xué)教學(xué)目標過度的應(yīng)試化,重解題能力的提升,輕數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培育.初中生處于具體形象思維向抽象邏輯思維過渡的階段,上述傾向?qū)е鲁踔猩窇謹?shù)學(xué),不愿意學(xué)習(xí)數(shù)學(xué),初中數(shù)學(xué)難教、難學(xué).
數(shù)學(xué)實驗是學(xué)生通過動手動腦,以“做”為支架的數(shù)學(xué)教與學(xué)的活動方式,是在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生運用有關(guān)工具,通過實際操作,在認知與非認知因素參與下進行的一種發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)結(jié)論、理解數(shù)學(xué)知識、驗證數(shù)學(xué)結(jié)論的數(shù)學(xué)活動[1],數(shù)學(xué)實驗工具的開發(fā)是開展數(shù)學(xué)實驗的關(guān)鍵和瓶頸.數(shù)學(xué)實驗工具可以改變學(xué)生學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)知識形態(tài),改善學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)方式,促進學(xué)生素養(yǎng)的全面發(fā)展,克服上述數(shù)學(xué)教育的孤立主義傾向,是助力初中生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的應(yīng)然選擇.
《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標準(2011年版)》指出“課程內(nèi)容的選擇要貼近學(xué)生的實際,有利于學(xué)生體驗與理解、思考與探索.課程內(nèi)容的組織要處理好過程與結(jié)果的關(guān)系,直觀與抽象的關(guān)系,直接經(jīng)驗與間接經(jīng)驗的關(guān)系”[2].知識形態(tài)有兩種:感性知識和理性知識,數(shù)學(xué)實驗工具的開發(fā)應(yīng)用,目的就是讓數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)符合初中生的年齡和心理特征,化理性知識為感性知識,從而讓學(xué)生感到數(shù)學(xué)可親可近,產(chǎn)生想學(xué)數(shù)學(xué)的欲望.
從小學(xué)進入初中后,學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績開始逐步出現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象,部分學(xué)生在知識掌握上出現(xiàn)嚴重脫節(jié),甚至失去數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的信心.這是因為數(shù)學(xué)學(xué)科的抽象性強,學(xué)好這一學(xué)科需要學(xué)習(xí)者具備一定的直接經(jīng)驗的基礎(chǔ).小學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生生活非常接近,小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)重視利用豐富的教學(xué)具幫助學(xué)生開展數(shù)學(xué)學(xué)習(xí),進入初中后隨著學(xué)習(xí)內(nèi)容的抽象程度越來越高,現(xiàn)成的可以直接利用的工具越來越少,部分學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中難以理解抽象的數(shù)學(xué)概念和原理,數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)產(chǎn)生困難.
學(xué)生在校學(xué)習(xí)的知識多是間接經(jīng)驗,但間接經(jīng)驗的掌握必須以學(xué)生自身的直接經(jīng)驗為支撐,數(shù)學(xué)知識更需要化抽象為直觀.針對初中生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)兩極分化的難題,新課程強調(diào)數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容,注意使學(xué)生在獲得間接經(jīng)驗的同時也能夠有機會獲得直接經(jīng)驗,而直接經(jīng)驗的獲得則依賴于學(xué)生的操作實驗等外在活動,數(shù)學(xué)實驗工具則能夠為學(xué)生提供操作探索的素材,從而將抽象的數(shù)學(xué)知識轉(zhuǎn)化為形象直觀的數(shù)學(xué)知識,為間接經(jīng)驗的獲取提供直接經(jīng)驗.基于初中生的年齡特點和思維特征,當(dāng)前為初中生開發(fā)更多的數(shù)學(xué)實驗工具就成為一項非常迫切的需求.
著名數(shù)學(xué)教育家弗賴登塔爾曾經(jīng)這樣描述數(shù)學(xué)的呈現(xiàn)方式,“沒有一種數(shù)學(xué)的思想,以它被發(fā)現(xiàn)時的那個樣子公開發(fā)表出來.一旦問題解決了,呈現(xiàn)的程序便顛倒過來,使得火熱的思考變成冰冷的美麗.”張奠宙教授曾將數(shù)學(xué)知識的形態(tài)分為學(xué)術(shù)形態(tài)和教育形態(tài),許多書本上呈現(xiàn)的數(shù)學(xué)知識便是邏輯嚴密的學(xué)術(shù)形態(tài),呈現(xiàn)出冰冷的美麗,讓學(xué)生望而生畏.現(xiàn)在的任務(wù)就是把它們重新顛倒過來,使它們以學(xué)生容易接受的教育形態(tài)呈現(xiàn)出來,即將冰冷的美麗變成火熱的思考.
借助工具讓學(xué)生動手操作、動腦思考,自主探索數(shù)學(xué)知識,從而經(jīng)歷知識的形成過程[3],這樣的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí),學(xué)生掌握的知識便是教育形態(tài)的知識,它變結(jié)果性知識為過程性知識,其中既有事實性知識,更有策略性知識,既掌握了基礎(chǔ)知識和基本技能,更獲得了基本思想和基本活動經(jīng)驗.
人們的數(shù)學(xué)觀的演變經(jīng)歷了由靜態(tài)的、絕對主義數(shù)學(xué)觀到動態(tài)的、可誤主義數(shù)學(xué)觀的發(fā)展過程.所謂動態(tài)的數(shù)學(xué)觀,是把數(shù)學(xué)看作處于動態(tài)發(fā)展過程中的知識,因而一定包含錯誤、嘗試、改正和改進的過程.動態(tài)的數(shù)學(xué)觀認為數(shù)學(xué)不是絕對真理的堆積,數(shù)學(xué)是在證偽與證實的交替中,螺旋向前發(fā)展的[1].數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)是由不確定知識到確定知識的漸進過程.
數(shù)學(xué)實驗工具為學(xué)生通過動手動腦“做”數(shù)學(xué)來進行數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)活動提供了可能.借助工具的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)體現(xiàn)了結(jié)果性知識與過程性知識的統(tǒng)一,學(xué)生在教師的引導(dǎo)下,親身經(jīng)歷一個概念、規(guī)則的形成過程,通過動作思維和邏輯思維感悟知識發(fā)生過程、理解知識結(jié)果;借助工具的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)體現(xiàn)了操作與思維的統(tǒng)一,學(xué)生從可視化的數(shù)學(xué)內(nèi)容入手,通過動手操作、動腦思考,逐步對直觀的知識進行抽象、推理,最后獲得數(shù)學(xué)結(jié)論;借助工具的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)體現(xiàn)了實驗與論證的統(tǒng)一,學(xué)生先通過動手操作獲得數(shù)學(xué)猜想,再通過嚴謹?shù)难堇[推理對猜想進行論證;借助工具的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)體現(xiàn)了證偽與證實的統(tǒng)一,在探尋結(jié)論的過程中,證偽起著非常重要的作用,在確定結(jié)論的時候,證實又發(fā)揮著決定性的作用.
課程改革倡導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式應(yīng)由被動接受式學(xué)習(xí)向主動探究式學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變,強調(diào)“學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)是一個生動活潑的、主動的和富有個性的過程.認真聽講、積極思考、動手實踐、自主探索、合作交流等都是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的重要方式.學(xué)生應(yīng)當(dāng)有足夠的時間和空間經(jīng)歷觀察、實驗、猜測、計算、推理、驗證等活動過程”[2].借助實驗工具動手操作、動腦思考,在“做數(shù)學(xué)”的過程中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué),符合學(xué)生的認知規(guī)律,改善了學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)方式,有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)好數(shù)學(xué)的信心.
皮亞杰的發(fā)生認識論認為,認識的心理發(fā)生既不是來自先天的遺傳,也不是來自后天的環(huán)境,而是來自主體的行動.無獨有偶,美國學(xué)者、學(xué)習(xí)專家愛德加·戴爾提出了著名的學(xué)習(xí)金字塔理論,以量化的形式直觀顯示知識學(xué)習(xí)的規(guī)律:知識再現(xiàn)呈現(xiàn)金字塔型規(guī)律,講授、閱讀、視聽結(jié)合、演示、小組討論、實驗操作、快速應(yīng)用并向他人講授這七種學(xué)習(xí)方式中,兩周后知識的保持率依次遞增,即講授法的知識再現(xiàn)效果最差,而實驗操作和快速應(yīng)用并向他人講授的效果最好[1].這七種學(xué)習(xí)方式逐步從個人學(xué)習(xí)、被動學(xué)習(xí)向團隊學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化,學(xué)習(xí)者的主體參與性越來越強.
借助工具實驗操作的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí),學(xué)生既動腦又動手,手腦并用,內(nèi)外互動,這里不是教師將知識直接展現(xiàn)給學(xué)生,讓學(xué)生無條件地接受,而是讓學(xué)生在“做數(shù)學(xué)”的過程中主動探究發(fā)現(xiàn)知識[3].學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)變被動接受為主動探究,因為是學(xué)生主動學(xué)習(xí)得來的知識,學(xué)生理解透徹、印象深刻,學(xué)習(xí)效果好,從而促進學(xué)習(xí)效率的提高.
學(xué)生在成長發(fā)展的過程中,表現(xiàn)出各不相同的個體差異.認知方式上,既有適應(yīng)數(shù)學(xué)傳統(tǒng)的思辨學(xué)習(xí)方式的場獨立型,也有弱于思辨學(xué)習(xí)方式的場依存型;智力類型上,美國教育心理學(xué)家加德納提出的多元智力理論認為,人的智力由數(shù)理邏輯智力、空間智力、語言智力、音樂智力、身體動覺智力、人際關(guān)系智力、自我調(diào)節(jié)智力、觀察自然智力等因素構(gòu)成,傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)主要局限于數(shù)理邏輯智力、空間智力、語言智力三個方面,忽視了身體動覺智力對學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的至關(guān)重要的作用;感知覺類型上,學(xué)生接受信息的方式主要有視覺型、聽覺型、動覺型以及各種不同的組合,在主要依靠視聽的前提下,不同的人對不同的感覺器官和感知通道有不同的偏愛,傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)方式下動覺型學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)潛力不能得到充分發(fā)揮;性別差異上,通常表現(xiàn)為男生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)優(yōu)于女生,這與男女生的生理和心理上的性別特征有關(guān)[1].
美國當(dāng)代教育家布盧姆曾指出“教育應(yīng)是選擇適合兒童的教育,而不是選擇適合教育的兒童.”學(xué)生的個體差異是客觀存在的,數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)致力于實現(xiàn)義務(wù)教育階段的培養(yǎng)目標,面向全體學(xué)生,適應(yīng)學(xué)生個性發(fā)展的需要,使得人人都能獲得良好的數(shù)學(xué)教育,不同的人在數(shù)學(xué)上得到不同的發(fā)展.傳統(tǒng)的教學(xué)方式強調(diào)步調(diào)一致的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí),不能照顧各種不同認知方式、智力類型、感知覺類型和性別的學(xué)生.而數(shù)學(xué)實驗工具的使用,則為場依存型學(xué)生提供了必要的外界環(huán)境刺激,能充分發(fā)揮身體動覺智力對學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的作用,能充分調(diào)動各種感官滿足動覺型學(xué)生的學(xué)習(xí)需要,也順應(yīng)女生在感知、思維、記憶和解決問題上的特殊性,注重感性形象、細節(jié)把握,彌補她們在理性思維、整體認知、動手操作等方面的不足,使她們在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中能與男生并駕齊驅(qū).借助工具讓學(xué)生動手操作、動腦思考,在“做數(shù)學(xué)”的過程中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué),滿足了各種不同類型學(xué)生的需要,使學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)成為可能.
傳統(tǒng)認知理論堅持身心二元論的立場和觀點,認為學(xué)習(xí)過程僅是在大腦內(nèi)進行的,有人稱這種學(xué)習(xí)為“脖子以上的學(xué)習(xí)”或“離身”思辨型學(xué)習(xí).隨著研究的深入,心理學(xué)家們正日益關(guān)注人的身體運動參與其中的“具身認知”的研究,認為人的身體在認知的過程中起到了非常關(guān)鍵的作用,認知是包括大腦在內(nèi)的身體的認知,認知是通過身體的體驗及其行為活動方式而形成.換句話說,身體運動參與的認知和情感活動,決定其活動的性質(zhì)和成效,如人在忘情吟詩時就會出現(xiàn)渾然不覺地隨詩歌韻律而搖頭晃腦[4].
傳統(tǒng)的身心二元論主導(dǎo)下的教學(xué)方式是將純粹理性的知識傳授給學(xué)生,只啟動了學(xué)生的大腦,人們往往將知識視作一種客觀存在,且不依賴學(xué)習(xí)主體的不同而接受效果不同,知識是客觀的(不以人的意志為轉(zhuǎn)移)、確定的(不會變化或比較穩(wěn)定)、間接的(是別人發(fā)現(xiàn)或發(fā)明出來的,自己不參與原初創(chuàng)造)、現(xiàn)成的(由別人準備好的)[4].借助工具的實驗操作性學(xué)習(xí)從具身體驗性出發(fā),在信息的輸出輸入和存儲過程中,突出并延長體驗環(huán)節(jié),通過學(xué)習(xí)者的感受、覺知及“做中學(xué)”等不同的方式,將傳統(tǒng)的視聽課堂轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮餍缘捏w驗過程,將“脖子以上的學(xué)習(xí)”發(fā)展遷移為全身心融合的學(xué)習(xí).因此,借助工具讓學(xué)生身體運動參與其中的實驗操作性學(xué)習(xí)發(fā)揮其獨特的心理功能,提高了數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)成效.
人的大腦分左右兩半球,左半球主要側(cè)重于邏輯推理和語言表達,右半球主要側(cè)重于空間和形象思維,腦科學(xué)研究表明,右腦功能的開發(fā)和利用,對協(xié)調(diào)整個大腦、促進思維的廣度和靈活性有非常大的幫助[1].傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)方式過于偏重邏輯、系統(tǒng)、抽象和理性,較多地使用大腦的左半球,有人稱之為“半腦”學(xué)習(xí),導(dǎo)致右腦功能較強的“右腦人”難以在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)上有突出表現(xiàn),數(shù)學(xué)成績相對較差.借助工具通過觸覺、空間知覺、歸納、類比等直覺思維和具體形象思維及動作記憶等認知活動,能使大腦右半球功能充分發(fā)揮,將右半球的直覺與左半球的理性有效融合,激活全腦思維.
人的大腦皮層負責(zé)高級的認知和情緒情感活動,它由額葉、頂葉、枕葉和顳葉四個區(qū)域組成,分別有著不同的功能:顳葉以聽覺功能為主,枕葉以視覺功能為主,頂葉以身體感覺功能為主,額葉以軀體運動功能為主,除上述感覺區(qū)和運動區(qū)以外,還有起聯(lián)絡(luò)、綜合作用的皮層聯(lián)合區(qū)[1].傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)較多地利用了枕葉和顳葉的視聽功能,借助工具讓學(xué)生實驗操作,則充分發(fā)揮了頂葉與額葉的驅(qū)體感覺與驅(qū)體運動功能,實驗操作過程中多感官的協(xié)同作用又使皮層聯(lián)合區(qū)的功能得到喚醒與激發(fā).這就使大腦皮層各個部位各個區(qū)域的功能充分發(fā)揮,從而大大提高學(xué)習(xí)的成效.
我國數(shù)學(xué)教育目標有一個演變的過程,建國后五六十年代是追求雙基,八九十年代是培養(yǎng)能力,新世紀初課標實驗稿提出三維目標,課標修訂后提出四基四能,現(xiàn)在是核心素養(yǎng).這些目標之間并非后者否定前者,而是后者對前者的繼承和發(fā)展.借助數(shù)學(xué)實驗工具幫助學(xué)生開展數(shù)學(xué)學(xué)習(xí),一直以來都是促進數(shù)學(xué)教育目標達成的有效手段,在當(dāng)前關(guān)注學(xué)生核心素養(yǎng)培育的背景下仍然有助于充分挖掘數(shù)學(xué)教育的育人功能,促進學(xué)生素養(yǎng)的全面發(fā)展.
利用數(shù)學(xué)實驗工具開展數(shù)學(xué)學(xué)習(xí),為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了熟悉的現(xiàn)實情境或數(shù)學(xué)情境、科學(xué)情境,為學(xué)生提供了發(fā)現(xiàn)和提出問題、分析和解決問題的機會,有利于學(xué)生充分感悟到數(shù)學(xué)來源于生活又服務(wù)于生活,充分領(lǐng)略到數(shù)學(xué)的科學(xué)價值、應(yīng)用價值和文化價值,增強學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的動力和學(xué)好數(shù)學(xué)的信心.非智力因素是學(xué)習(xí)的動力源,激活動力才是有效的學(xué)習(xí),數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)以實驗工具為載體,集多種感覺器官為一體,其顯著效能是能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動內(nèi)在動機,由此引發(fā)智力參與,同時獲得成功之后的成就感又能使興趣得以持續(xù),產(chǎn)生一種學(xué)習(xí)上的“動車效應(yīng)”[1],有利于改變學(xué)生數(shù)學(xué)難學(xué)的負面印象,增強繼續(xù)學(xué)好數(shù)學(xué)的信念.
1996年,聯(lián)合國教科文組織21世紀委員會提出了學(xué)習(xí)的“四大支柱”即“四個學(xué)會”,其中之一是學(xué)會共處,即學(xué)會共同生活,學(xué)會與他人共同工作.世界經(jīng)合組織及美國、歐盟都提出了自己的學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)框架,它們都共同強調(diào)了“能在異質(zhì)社會團體中互動”的素養(yǎng),要求學(xué)生學(xué)會與他人合作.學(xué)生在開發(fā)數(shù)學(xué)實驗工具的過程中有時需要與社會、企業(yè)打交道,向?qū)<?、老師請教,與同學(xué)合作,在使用數(shù)學(xué)實驗工具進行探究學(xué)習(xí)的過程中與老師、同學(xué)合作交流更是必不可少.因此,開發(fā)應(yīng)用數(shù)學(xué)實驗工具有利于學(xué)生合作意識和能力的培養(yǎng),增強對合作交流重要性的認識.
利用數(shù)學(xué)實驗工具開展實驗操作,是一個動手操作與動腦思考緊密結(jié)合、證偽與證實和諧統(tǒng)一、主動探究與意志努力相互促進的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程,有利于培養(yǎng)學(xué)生的理性思維能力、批判質(zhì)疑的意識和勇于探究的精神,從而促進科學(xué)精神素養(yǎng)的培育;有利于培養(yǎng)學(xué)生樂學(xué)善學(xué)、勤于反思的優(yōu)良學(xué)習(xí)品格和現(xiàn)代公民必須具備的信息意識,從而促進學(xué)會學(xué)習(xí)素養(yǎng)的培育;有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐意識、問題解決能力和技術(shù)運用水平,從而促進實踐創(chuàng)新素養(yǎng)的培育.
利用數(shù)學(xué)實驗工具幫助學(xué)生開展數(shù)學(xué)學(xué)習(xí),讓抽象的數(shù)學(xué)知識變得形象直觀,內(nèi)隱的數(shù)學(xué)思維變得可視化,枯燥的技能訓(xùn)練變得有趣、有意義,有利于基礎(chǔ)知識、基本技能目標的達成,特別是難點知識、重要技能的掌握;借助數(shù)學(xué)實驗工具的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)不是結(jié)果性知識的直接灌輸,而是一個讓學(xué)生動手操作、動腦思考的主動學(xué)習(xí)的過程,在此過程中學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)和提出問題、分析和解決問題,為學(xué)生感悟基本思想、積累基本活動經(jīng)驗提供了時空和機會.利用數(shù)學(xué)實驗工具幫助學(xué)生開展數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)有利于“四基四能”目標的全面實現(xiàn),而“四基四能”則是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)關(guān)鍵能力的沃土,是發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)關(guān)鍵能力的有效載體.
利用數(shù)學(xué)實驗工具動手操作、動腦思考的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程,為數(shù)學(xué)關(guān)鍵能力的培養(yǎng)提供了必要的現(xiàn)實情境或數(shù)學(xué)情境、科學(xué)情境,提供了發(fā)現(xiàn)和提出問題、分析和解決問題的機會,學(xué)生得以從生活經(jīng)驗和已有的知識背景出發(fā),通過實驗操作等手段,從直觀、想象到發(fā)現(xiàn)、猜想,最后得到驗證,從感性到理性掌握數(shù)學(xué)概念和命題,使學(xué)生親歷數(shù)學(xué)知識的建構(gòu)過程,從而有利于學(xué)生數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理、數(shù)學(xué)建模等關(guān)鍵能力的提升.