薛紅霞
(山西省教育科學(xué)研究院 030009)
本輪課改以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向.《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”)在凝練數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上,更新了學(xué)科內(nèi)容,“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).”在“教學(xué)建議”中,課標(biāo)指出:教師要以數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向,抓住函數(shù)、幾何與代數(shù)、概率與統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)建模活動(dòng)與數(shù)學(xué)探究活動(dòng)等內(nèi)容主線,明晰數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在內(nèi)容體系形成中表現(xiàn)出的連續(xù)性和階段性,引導(dǎo)學(xué)生從整體上把握課程,實(shí)現(xiàn)學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展.新教材的實(shí)施過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn),在落實(shí)課標(biāo)的這些理念和要求上,單元教學(xué)具有強(qiáng)大作用.
單元教學(xué)區(qū)別于知識(shí)點(diǎn)教學(xué),它選擇比知識(shí)點(diǎn)更上位的“核心知識(shí)”,挖掘知識(shí)蘊(yùn)含的學(xué)科視角、數(shù)學(xué)思想和方法,在“一般觀念”的統(tǒng)領(lǐng)下設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng).單元教學(xué)旨在促進(jìn)學(xué)生開(kāi)展持續(xù)、深刻的探究活動(dòng),在習(xí)得知識(shí)、熟練技能的過(guò)程中,領(lǐng)悟數(shù)學(xué)基本思想,積累數(shù)學(xué)基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),提升發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題的能力,使數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)在獲得“四基”、發(fā)展“四能”的過(guò)程中.單元教學(xué)的實(shí)施并不苛求集中在一個(gè)時(shí)段內(nèi)完成,可以通過(guò)“單元設(shè)計(jì)——課時(shí)教學(xué)”的方式完成,這種方式與當(dāng)下普遍采用的課時(shí)教學(xué)銜接,容易被廣大教師接受并實(shí)踐.
基于上述思考,本文探討如何通過(guò)單元教學(xué)設(shè)計(jì),撬動(dòng)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)中形成的固有思維,形成核心素養(yǎng)落實(shí)于課堂教學(xué)的策略與方法.
教學(xué)設(shè)計(jì)由教師的知識(shí)觀主導(dǎo).在人民教育出版社普通高中教科書(shū)數(shù)學(xué)(A版)教師教學(xué)用書(shū)中寫(xiě)到:“教科書(shū)除了介紹……基本知識(shí),還特別注意指引學(xué)生‘如何研究一類數(shù)學(xué)對(duì)象’,即引入一個(gè)新的數(shù)學(xué)對(duì)象后,需要研究些什么,研究方法是什么等等”[1:15],即在教材編寫(xiě)中“貫穿研究一個(gè)數(shù)學(xué)對(duì)象的基本套路……”[2:30],這些都是“……研究中的‘一般觀念’”[3:160].站在“一般觀念”的視角審視數(shù)學(xué)知識(shí),超越碎片化的知識(shí)觀,追求數(shù)學(xué)的整體性,自然生成的就是單元教學(xué)設(shè)計(jì).
明確統(tǒng)領(lǐng)一個(gè)單元的“一般觀念”是做好單元教學(xué)設(shè)計(jì)的前提.從實(shí)踐的角度出發(fā),一個(gè)可行的方法是從具體單元的知識(shí)內(nèi)容出發(fā),對(duì)研究同類對(duì)象或問(wèn)題中的數(shù)學(xué)思想和方法的共性進(jìn)行歸納,從而獲得研究此類對(duì)象或問(wèn)題的一般觀念.其路徑如圖1所示.
以“直線與平面垂直”為例,可以按照如圖2所示的路徑追溯“一般觀念”:
第一層,以教科書(shū)為依據(jù),列舉單元內(nèi)容,得到概念、判定、性質(zhì)等;
第二、三層,是依據(jù)知識(shí)的共性將之分類整理,逐級(jí)抽象;
第四層,抽象得到研究幾何圖形思路的“一般觀念”,即“研究視角”:“研究圖形的位置關(guān)系,就是對(duì)它們的組成元素之間位置關(guān)系的研究”[2:157].
按照這個(gè)“一般觀念”,研究直線與平面垂直的判定,就是要研究直線與平面內(nèi)直線的位置關(guān)系;已知直線與平面垂直的性質(zhì),是轉(zhuǎn)化為研究直線、平面內(nèi)的直線,以及與相關(guān)直線、平面之間的位置關(guān)系,比如與已知直線平行或垂直的直線、平面,與已知平面平行或垂直的直線、平面等.直線與平面所成的角是轉(zhuǎn)化為直線與平面內(nèi)某條特殊直線所成的角.
換一個(gè)角度審視第一層,如果只看具體知識(shí),它們是孤立零散的,這是課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)采用的知識(shí)觀.在“一般觀念”指導(dǎo)下研究位置關(guān)系,則要強(qiáng)調(diào)研究的“基本套路”:實(shí)例→定義→性質(zhì)→判定→應(yīng)用.對(duì)于一個(gè)具體的研究對(duì)象,比如“直線與平面垂直”,這個(gè)“套路”可以具體化為:實(shí)例→直線與平面垂直的定義、表示、唯一性(過(guò)一點(diǎn)垂直于已知平面的直線有且只有一條)→應(yīng)用(點(diǎn)到平面的距離)→判定定理→應(yīng)用(直線與平面相交的刻畫(huà):直線與平面成的角)→性質(zhì)定理→應(yīng)用(直線到平面的距離,兩個(gè)平行平面間的距離),如圖2所示.
圖2
事實(shí)上,尋找“一般觀念”還有一個(gè)捷徑,即在教科書(shū)和教師用書(shū)中尋找,這是教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與教育教學(xué)理論相結(jié)合,高效快捷地理解教材的過(guò)程.
明確“一般觀念”為教學(xué)設(shè)計(jì)指明了方向,并構(gòu)建了教科書(shū)與教學(xué)之間的橋梁.“一般觀念”不僅在單元教學(xué)中起統(tǒng)領(lǐng)作用,而且可以轉(zhuǎn)化為教學(xué)過(guò)程中的具體問(wèn)題,從而直接推動(dòng)教師的教和學(xué)生的學(xué).下面我們依據(jù)圖2,給出“直線與平面垂直”的教學(xué)設(shè)計(jì).
(1)以“一般觀念”為指導(dǎo)構(gòu)建先行組織者
學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“空間直線、平面的平行”,擁有一定的研究幾何圖形位置關(guān)系的經(jīng)驗(yàn).通過(guò)問(wèn)題1,引導(dǎo)學(xué)生歸納已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),構(gòu)建本單元的學(xué)習(xí)路徑,形成先行組織者.
問(wèn)題1在日常生活中,我們對(duì)直線與平面垂直有很多感性認(rèn)識(shí).比如,旗桿與地面的位置關(guān)系(圖3),大橋的橋柱與水面的位置關(guān)系,相鄰墻面交線與地面的位置關(guān)系等,都給我們以直線與平面垂直的形象.接下來(lái)我們就以這些日常經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)展開(kāi)“直線與平面垂直”的研究.
圖3
類比直線、平面平行的研究,對(duì)于直線與平面垂直,你認(rèn)為要研究哪些內(nèi)容?按怎樣的程序展開(kāi)研究?研究思路是什么?
簡(jiǎn)答:
研究?jī)?nèi)容是直線與平面垂直的定義、判定、性質(zhì)等.
研究的程序是基于情境,抽象出定義,再利用定義、基本事實(shí)等,借助實(shí)物、模型等進(jìn)行直觀,歸納、猜想判定定理、性質(zhì)定理,再用適當(dāng)方法進(jìn)行證明.
研究思路是“空間問(wèn)題平面化”,這里是將直線與平面的垂直關(guān)系轉(zhuǎn)化為直線與平面內(nèi)直線的垂直關(guān)系進(jìn)行研究.
該問(wèn)題是依據(jù)圖2中第一層和第四層的“一般觀念”設(shè)計(jì)的.由第一層可以確定研究?jī)?nèi)容,由第四層的“一般觀念”確定研究視角,由此可以給出本單元的課時(shí)劃分:第一課時(shí)研究直線與平面垂直的定義、判定,及其相關(guān)知識(shí)和應(yīng)用.第二課時(shí)研究直線與平面垂直的性質(zhì),及其相關(guān)知識(shí)和應(yīng)用.
(2)以“一般觀念”為指導(dǎo)探索定義、定理
圍繞本單元研究?jī)?nèi)容:直線與平面垂直的定義、判定和性質(zhì),依據(jù)問(wèn)題1總結(jié)的“研究思路”,設(shè)計(jì)如下問(wèn)題.
問(wèn)題2如圖4,在陽(yáng)光下觀察直立于地面的旗桿AB及它在地面的影子BC.隨著時(shí)間的變化,影子BC的位置在不斷地變化,旗桿所在直線AB與其影子BC所在直線是否保持垂直?
圖4
問(wèn)題3根據(jù)定義可以進(jìn)行判斷,但無(wú)法驗(yàn)證一條直線與一個(gè)平面內(nèi)的所有直線都垂直.那么,有沒(méi)有可行的方法?如圖5,準(zhǔn)備一塊三角形的紙片ABC,過(guò)△ABC的頂點(diǎn)A翻折紙片,得到折痕AD,將翻折后的紙片豎起放置在桌面上(BD,DC與桌面接觸).
圖5
(1)折痕AD與桌面垂直嗎?
(2)如何翻折才能使折痕AD與桌面垂直?為什么?
問(wèn)題4上一節(jié)課的課后作業(yè)讓大家梳理直線與平面平行、平面與平面平行的性質(zhì)的學(xué)習(xí)過(guò)程,并歸納“性質(zhì)”所研究的問(wèn)題,然后通過(guò)類比,提出直線與平面垂直的性質(zhì)所要研究的問(wèn)題,猜想性質(zhì)定理并嘗試證明猜想.哪位同學(xué)來(lái)說(shuō)一說(shuō)直線與平面垂直的性質(zhì)所要研究的問(wèn)題是什么?
問(wèn)題2和問(wèn)題3中創(chuàng)設(shè)了生活情境,是依據(jù)數(shù)學(xué)教育心理學(xué),先給出典型例證,再分析實(shí)例的基礎(chǔ)上,抽象概括出定義或猜想,這是依據(jù)“一般觀念”確定的研究程序,是在落實(shí)問(wèn)題1.
這3個(gè)問(wèn)題中隱含了圖2中第四層的“一般觀念”,即“研究視角”.分別是:?jiǎn)栴}2中將旗桿與地面的位置關(guān)系問(wèn)題轉(zhuǎn)化為旗桿與它在地面上影子的位置關(guān)系問(wèn)題.問(wèn)題3中為了探索當(dāng)紙片豎立時(shí)折痕何時(shí)與桌面垂直,轉(zhuǎn)化為折痕與底邊的位置關(guān)系問(wèn)題.問(wèn)題4是第二課時(shí)的第一個(gè)問(wèn)題,在“一般觀念”指導(dǎo)下,讓學(xué)生先梳理,再探索已知線面垂直能推出哪些結(jié)論.
通過(guò)問(wèn)題4,引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到可以研究與已知直線、平面相關(guān)的直線和平面的位置關(guān)系,提出如下猜想,然后再通過(guò)推理論證,逐一檢驗(yàn)真?zhèn)危?/p>
已知直線a⊥平面α,直線b不在平面α中,β是和α不重合的平面.
(1)當(dāng)b∥a時(shí),b⊥α;
(2)當(dāng)b∥α?xí)r,b⊥a;
(3)當(dāng)b⊥a時(shí),b∥α;
(4)當(dāng)b⊥α?xí)r,b∥a;
(5)當(dāng)β⊥a時(shí),β∥α;
(6)當(dāng)β∥a時(shí),β⊥α;
(7)當(dāng)β∥α?xí)r,β⊥a;
(8)當(dāng)β⊥α?xí)r,β∥a;等等.
教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生確實(shí)可以在“一般觀念”指導(dǎo)下,獨(dú)立提出上述猜想。所以“一般觀念”在提升學(xué)生的“四能”中可以發(fā)揮非常積極的作用.
(3)通過(guò)“一般觀念”促進(jìn)學(xué)生課后自主探索
第一課時(shí)的課后作業(yè)可以有鞏固性作業(yè),還可以布置探索性作業(yè),比如可以布置如下作業(yè):
根據(jù)問(wèn)題1,接下來(lái)我們要研究直線與平面垂直的性質(zhì).請(qǐng)你梳理直線與平面平行、平面與平面平行的性質(zhì)的學(xué)習(xí)過(guò)程,并歸納“性質(zhì)”所研究的問(wèn)題,類比提出直線與平面垂直的性質(zhì)所要研究的問(wèn)題,猜想性質(zhì)定理并嘗試證明猜想.
該作業(yè)體現(xiàn)了本單元用到的兩個(gè)“一般觀念”,即問(wèn)題1得到的研究?jī)?nèi)容和研究思路.
站在更大的單元的角度審視,本單元結(jié)束后還可以布置作業(yè):
關(guān)于位置關(guān)系,目前還剩兩個(gè)平面垂直沒(méi)有研究,你能類比本單元的研究過(guò)程,對(duì)兩個(gè)平面垂直的問(wèn)題進(jìn)行研究嗎?請(qǐng)你試一試,并寫(xiě)出你的研究報(bào)告.
如上結(jié)合案例感受了“一般觀念”在做單元教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)的重要作用,接下來(lái)要梳理清楚其內(nèi)涵和外延,為做好單元教學(xué)設(shè)計(jì)奠定認(rèn)知基礎(chǔ).
章建躍認(rèn)為[4]“所謂一般觀念,是對(duì)內(nèi)容及其反映的數(shù)學(xué)思想和方法的進(jìn)一步提煉和概括,是對(duì)數(shù)學(xué)對(duì)象的定義方式、幾何性質(zhì)指什么、代數(shù)性質(zhì)指什么、函數(shù)性質(zhì)指什么、概率性質(zhì)指什么等問(wèn)題的一般性回答,是研究數(shù)學(xué)對(duì)象的方法論,對(duì)學(xué)生學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)的方式對(duì)事物進(jìn)行觀察、思考、分析以及發(fā)現(xiàn)和提出數(shù)學(xué)問(wèn)題等都具有指路明燈的作用.顯然,能自覺(jué)地運(yùn)用一般觀念指導(dǎo)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與探究活動(dòng),是學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的標(biāo)志,是從‘知其然’到‘知其所以然’再到‘何由以知其所以然’的過(guò)程,也是理性思維得到良好發(fā)展的表現(xiàn).”以此為指導(dǎo),我們可以從學(xué)習(xí)對(duì)象、學(xué)生心理、知識(shí)發(fā)生發(fā)展過(guò)程等角度對(duì)“一般觀念”作更具體的闡釋.
相近的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)對(duì)象,有相似的知識(shí)結(jié)構(gòu),通過(guò)類比可以確定要研究的具體內(nèi)容,即發(fā)揮“研究套路”的作用.
“直線與平面垂直”和“直線與平面平行”類似,因此可以類比“直線與平面平行”,確定“直線與平面垂直”的“研究套路”,即問(wèn)題1中得到的研究?jī)?nèi)容:定義→判定→性質(zhì)→應(yīng)用.
向上追溯,可以得到“立體幾何”關(guān)于直線、平面位置關(guān)系的研究套路(如圖6):
圖6
圖6中部分內(nèi)容在平面幾何中已經(jīng)研究過(guò),由此可見(jiàn)“研究套路”的重要性,它凸顯了數(shù)學(xué)知識(shí)的整體性、聯(lián)系性.學(xué)生已經(jīng)擁有豐富的關(guān)于空間中直線、平面位置關(guān)系的研究經(jīng)驗(yàn),教學(xué)設(shè)計(jì)要利用它在幾何體系中進(jìn)行,這是做單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).
“一般觀念”具有層級(jí)性,對(duì)應(yīng)的單元可以有不同的容量,即單元的大小具有相對(duì)性.比如,可以將“直線與平面垂直”設(shè)計(jì)為一個(gè)單元,還可以將“空間直線、平面的垂直”設(shè)計(jì)為一個(gè)單元.教師根據(jù)自己的駕馭能力和學(xué)生的自我調(diào)控能力、自主學(xué)習(xí)能力等選擇適宜的單元容量即可.
繼續(xù)向上追溯,可以得到“立體幾何”的“研究套路”.它是對(duì)立體幾何研究的指導(dǎo),有了這個(gè)“套路”,才能明晰立體幾何的整體研究規(guī)劃.
不同數(shù)學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)心理學(xué)路徑不同.比如數(shù)學(xué)概念學(xué)習(xí)的路徑是:豐富典型例證——觀察比較分析——抽象本質(zhì)特征——習(xí)得定義——辨析理解概念——應(yīng)用掌握概念.學(xué)習(xí)直線與平面垂直的定義,問(wèn)題2提供了典型例證之一,緊接其后還有變式例證,通過(guò)對(duì)例證的觀察比較分析,抽象出共同特征,進(jìn)而得到定義,再進(jìn)行辨析、應(yīng)用.
在“直線與平面垂直”中,判定定理獲得的心理學(xué)路徑與定義形成的路徑基本一致:豐富典型例證——觀察比較分析——抽象本質(zhì)特征——獲得猜想——論證反駁——獲得定理——辨析理解定理——應(yīng)用掌握定理.獲得性質(zhì)定理的路徑稍有差異:提出問(wèn)題——獲得猜想——論證反駁——獲得定理——辨析理解定理——應(yīng)用掌握定理.
這些“研究路徑”在“直線與平面垂直”的教學(xué)設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)的具體問(wèn)題,此處不予贅述.
不同的課型,如概念課、定理課、規(guī)則課、習(xí)題課、復(fù)習(xí)課,策略課等,其心理學(xué)路徑不盡相同,對(duì)應(yīng)的“研究路徑”也有差異,但它們又可以統(tǒng)一.章建躍博士曾經(jīng)提出一個(gè)較上位的具有普適性的方法[5,6],如圖7:
圖7
立體幾何的研究方法總體而言是從整體到局部,從宏觀到微觀,從定性到定量,但每一部分的研究思路又有差異,如圖8所示.圖中第二至四層概述了立體幾何的研究?jī)?nèi)容.第一層給出了不同內(nèi)容對(duì)應(yīng)的“研究思路”,前述問(wèn)題2至4就是據(jù)此設(shè)計(jì)的.單元設(shè)計(jì)時(shí),可以依據(jù)第一層給出的“一般觀念”進(jìn)行.
圖8
不同數(shù)學(xué)主題,因?yàn)檠芯繉?duì)象的類型不同,所以研究?jī)?nèi)容會(huì)有不同,但依然能找到相同的“研究思路”.比如,關(guān)于性質(zhì)的研究,立體幾何主要研究圖形的組成元素的相互關(guān)系,代數(shù)主要研究“運(yùn)算中的不變性就是性質(zhì)”,函數(shù)主要研究“變化中的不變性、規(guī)律性”等等。可以發(fā)現(xiàn),從“一般觀念”層面看,性質(zhì)的表現(xiàn)方式具有本質(zhì)的一致.認(rèn)識(shí)到知識(shí)背后的“一般觀念”,就由關(guān)注差異、拆分內(nèi)容,轉(zhuǎn)向關(guān)注聯(lián)系,注重整體,就能跳出課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì),走向單元教學(xué)設(shè)計(jì).
“一般觀念”有層級(jí)之分,可以選擇不同抽象度,或不同容量的“一般觀念”做單元教學(xué)設(shè)計(jì),從可行性的角度有如下建議.
如上關(guān)于性質(zhì)研究的闡述中看到,不同數(shù)學(xué)主題呈現(xiàn)出一致的本質(zhì),但是以“變化中的不變性就是性質(zhì),變化中的規(guī)律性也是性質(zhì)”這個(gè)“一般觀念”為指導(dǎo),跨越不同主題設(shè)計(jì)單元教學(xué),在學(xué)習(xí)新內(nèi)容階段是比較困難的.在復(fù)習(xí)階段,作為一種策略課的設(shè)計(jì)基礎(chǔ),尚可考慮.作為高中階段教學(xué)的指導(dǎo)思想之一是必要的.
可行的做法是根據(jù)“研究套路”確定研究?jī)?nèi)容,選擇恰當(dāng)容量的內(nèi)容做設(shè)計(jì),實(shí)施單元教學(xué).比如“空間直線、平面的垂直”,可以設(shè)計(jì)為三個(gè)單元:“直線與直線垂直”“直線與平面垂直”“平面與平面垂直”.如果學(xué)生自我調(diào)控能力和自主學(xué)習(xí)能力達(dá)到了所需水平,并且在學(xué)習(xí)“空間直線、平面的平行”時(shí)已經(jīng)培養(yǎng)起學(xué)生應(yīng)用“一般觀念”的意識(shí)和能力,也可以將“空間直線、平面的垂直”設(shè)計(jì)為一個(gè)比較大的單元.
以內(nèi)容為依據(jù)做單元教學(xué)設(shè)計(jì),一定要兼顧其他兩個(gè)“一般觀念”,切忌做成內(nèi)容的拼盤.
以“研究套路”為指導(dǎo)做單元教學(xué)設(shè)計(jì)是直觀易見(jiàn)的,以“研究路徑”“研究思路”或“研究方法”為指導(dǎo)做單元教學(xué)設(shè)計(jì)則是隱性的串聯(lián).開(kāi)普勒說(shuō):“我珍視類比勝過(guò)任何別的東西,它是我最可信賴的老師,它能揭示自然界的秘密.”“研究路徑”“研究思路”或“研究方法”就是生成類比的不竭動(dòng)力.如上問(wèn)題1、問(wèn)題4就是讓學(xué)生進(jìn)行類比,激活其已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)新的研究對(duì)象做出規(guī)劃或者猜想.因此要通過(guò)類比、對(duì)比,讓單元教學(xué)展現(xiàn)數(shù)學(xué)知識(shí)邏輯的連貫性,思想的一致性,并且延綿發(fā)展,自然生成.
“一般觀念”一方面指導(dǎo)單元設(shè)計(jì)的整體布局.如上問(wèn)題1是對(duì)整個(gè)單元的整體規(guī)劃,問(wèn)題4則是承上啟下,落實(shí)、延續(xù)規(guī)劃.另一方面帶來(lái)單元教學(xué)細(xì)節(jié)的變革,如前所述案例中的兩個(gè)作業(yè).單元教學(xué)讓作業(yè)的變革成為必然,變革作業(yè)又使得單元不因課時(shí)而割裂,學(xué)生不因單元結(jié)束而停止思考,反而成為有機(jī)聯(lián)系的整體,自覺(jué)推進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)程.