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        兼顧多元表征的APOS數(shù)學(xué)概念教學(xué)探究

        2023-03-21 00:40:40楊興武慧虹錢(qián)淑渠
        關(guān)鍵詞:APOS理論多元表征概念教學(xué)

        楊興 武慧虹 錢(qián)淑渠

        【摘 要】文章在分析多元表征理論和APOS理論內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,尋找其相容性和互補(bǔ)性,建立兼顧多元表征的APOS循環(huán)模型來(lái)刻畫(huà)概念學(xué)習(xí)的心理過(guò)程。兼顧多元表征的APOS數(shù)學(xué)概念教學(xué)包括一個(gè)前提“分析概念的表征系統(tǒng)”和四個(gè)環(huán)節(jié)“創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、抽象概念程序、凝練數(shù)學(xué)對(duì)象、完善概念意象”。

        【關(guān)鍵詞】APOS理論;多元表征;概念教學(xué);數(shù)學(xué)概念意象

        新的數(shù)學(xué)方法和概念,常常比解決數(shù)學(xué)問(wèn)題更重要。新授課的概念教學(xué)是數(shù)學(xué)教育研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。美國(guó)學(xué)者杜賓斯基提出APOS理論,認(rèn)為數(shù)學(xué)概念的學(xué)習(xí)要經(jīng)歷活動(dòng)(Actions)、程序(Processes)、對(duì)象(Objects)、圖式(Schemas)四個(gè)階段。該理論刻畫(huà)了學(xué)生學(xué)習(xí)概念的心理過(guò)程和概念建構(gòu)的層次性而被廣泛運(yùn)用于數(shù)學(xué)概念教學(xué)中[1]。由于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)背景的差異,不同學(xué)生對(duì)同一概念有不同表征,有些學(xué)生喜歡言語(yǔ)性材料的學(xué)習(xí),有些學(xué)生則喜歡空間性材料的學(xué)習(xí)[2]。數(shù)學(xué)概念的學(xué)習(xí)應(yīng)是多元化的,但基于APOS概念教學(xué)的現(xiàn)有研究中,很少關(guān)注概念的多元表征。Font等人指出數(shù)學(xué)教育界的一個(gè)特點(diǎn)是理論觀點(diǎn)的多樣性,我們需要找到理論之間的聯(lián)系,以便找出是否具有潛在結(jié)構(gòu)能聯(lián)系各理論[3]。近年來(lái)已有學(xué)者以APOS理論、多元表征理論與變式教學(xué)理論為基礎(chǔ),嘗試探尋三者的共同特征與聯(lián)系,將三者“凝聚”于數(shù)學(xué)概念教學(xué)設(shè)計(jì)之中[4]。研究發(fā)現(xiàn),多元表征理論與APOS理論之間存在一定聯(lián)系與區(qū)別,將兩種理論取長(zhǎng)補(bǔ)短,并進(jìn)行適切融合,既能提升教學(xué)的效果,也有利于教育理論的發(fā)展。因此,各取兩種理論所長(zhǎng),兼顧多元表征,改進(jìn)基于APOS理論的數(shù)學(xué)概念教學(xué)過(guò)程,能促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)概念的學(xué)習(xí)。

        一、多元表征理論與APOS理論的相容性和互補(bǔ)性

        (一)兩種理論的相容性

        兩種理論的相容性指的是兩者沒(méi)有矛盾沖突的地方,并且在某些方面存在一致性,可以相互協(xié)調(diào),融合發(fā)展。本文所指的“相容性”體現(xiàn)在都強(qiáng)調(diào)概念意象的形成。Tall和Vinner最早將概念定義和概念意象進(jìn)行區(qū)分并用來(lái)描述學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)概念的理解[5]。事實(shí)上,我們?cè)诶斫夂蛻?yīng)用概念時(shí),往往用的是概念意象而不是概念定義,例如,當(dāng)談到矩形的概念時(shí),我們首先想到的不是“一個(gè)角為直角的平行四邊形是矩形”,而是在頭腦里浮現(xiàn)一個(gè)四個(gè)角是直角的四邊形。簡(jiǎn)言之,相對(duì)于概念定義而言,概念意象是一個(gè)更加具體、隨意且靈活的綜合心理表征,數(shù)學(xué)概念教學(xué)的目標(biāo)不只是對(duì)數(shù)學(xué)概念定義的簡(jiǎn)單記憶和運(yùn)用,更要幫助學(xué)生建構(gòu)屬于學(xué)生自己的數(shù)學(xué)概念意象。

        多元表征理論下的概念教學(xué)就是基于學(xué)生已有的概念意象呈現(xiàn)不同的概念表征形式,通過(guò)表征間的轉(zhuǎn)換,從不同角度豐富對(duì)概念的理解,建立新的概念意象。例如上文提到的矩形概念,不僅是讓學(xué)生掌握矩形的各種標(biāo)準(zhǔn)定義,還要在頭腦里形成矩形的圖象、符號(hào)化表征。而APOS理論指出了學(xué)生建構(gòu)概念圖式的層次,從多元表征的角度可以把圖式理解為一個(gè)包含了數(shù)學(xué)概念的操作、情境、圖象、符號(hào)、定義等多元表征的系統(tǒng)。換言之,概念圖式可以理解為概念意象,概念圖式的建立依賴(lài)于概念表征之間的相互轉(zhuǎn)換。由此可見(jiàn),兩種理論對(duì)數(shù)學(xué)概念教學(xué)的目標(biāo)是一致的,都強(qiáng)調(diào)建立數(shù)學(xué)概念意象,教師可以結(jié)合兩種理論來(lái)分析數(shù)學(xué)概念的教與學(xué)。

        (二)兩種理論的互補(bǔ)性

        一方面,APOS理論既指明了概念學(xué)習(xí)的層次,即由淺入深,由具體到抽象,從動(dòng)態(tài)到靜態(tài),也突出了概念學(xué)習(xí)的最終結(jié)果,即建立概念意象,著眼于整個(gè)概念教學(xué)過(guò)程,側(cè)重概念建構(gòu)的中觀層面。Borji等人認(rèn)為APOS理論與其他認(rèn)知理論一樣,它僅限于對(duì)構(gòu)成該理論的心理結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)和描述,這些似乎不能充分說(shuō)明所研究的現(xiàn)象[6]。由于學(xué)生認(rèn)知風(fēng)格的差異性,不同學(xué)生在每個(gè)階段的概念表征方式不同,而APOS缺乏對(duì)概念表征微觀層面的關(guān)注,從而導(dǎo)致基于APOS理論的概念教學(xué)效果各異。另一方面,多元表征理論強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)概念意象的操作、圖象、情境、語(yǔ)言、符號(hào)等具體表征之間的轉(zhuǎn)換,著眼于概念教學(xué)的局部操作,側(cè)重概念建構(gòu)的微觀層面,但對(duì)概念學(xué)習(xí)過(guò)程的整體性關(guān)注不夠,也沒(méi)有體現(xiàn)各表征轉(zhuǎn)換的層次性和循序漸進(jìn)性。

        可見(jiàn),微觀層面的多元表征理論與中觀層面的APOS理論相輔相成。在學(xué)習(xí)概念的多元表征時(shí),教師可以借助APOS理論明晰學(xué)生的心理結(jié)構(gòu),從而設(shè)計(jì)合理的數(shù)學(xué)表征。在運(yùn)用APOS理論設(shè)計(jì)概念教學(xué)時(shí),兼顧概念的多元表征,有利于不同認(rèn)知風(fēng)格的學(xué)生提升學(xué)習(xí)效果,此外,多元表征間的轉(zhuǎn)換也能促進(jìn)圖式的完善。因此,著眼于概念教學(xué)局部的多元表征理論需要整體性的引導(dǎo),著眼于概念教學(xué)整體的APOS理論也需要局部性的支撐,整合多元表征理論和APOS理論的概念教學(xué)是符合部分和整體的辯證關(guān)系。

        二、兼顧多元表征的APOS循環(huán)模型

        眾所周知,教育教學(xué)活動(dòng)應(yīng)考慮學(xué)生的心理過(guò)程,既然多元表征理論與APOS理論存在一定相容性和互補(bǔ)性,都強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)概念意象的建構(gòu),尊重學(xué)生概念表征的差異,那么在兼顧多元表征的APOS數(shù)學(xué)概念教學(xué)中,概念學(xué)習(xí)的心理過(guò)程是怎樣的呢?筆者在APOS循環(huán)的基礎(chǔ)上,結(jié)合多元表征理論設(shè)計(jì)了兼顧多元表征的APOS循環(huán)模型(如圖1)。該模型刻畫(huà)了學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)概念時(shí)腦海里涉及的心理結(jié)構(gòu)和心理機(jī)制,以及多元表征對(duì)形成相應(yīng)心理結(jié)構(gòu)的作用。

        首先,由“活動(dòng)—程序—對(duì)象”組成的APOS循環(huán)揭示了概念建構(gòu)的層次,是學(xué)生在學(xué)習(xí)概念時(shí)的思維主線;其次,概念的多元外在表征促進(jìn)外在操作活動(dòng)內(nèi)化為心理操作程序,再通過(guò)多元內(nèi)在表征的精簡(jiǎn)進(jìn)一步“壓縮”為一個(gè)數(shù)學(xué)對(duì)象,初步獲得數(shù)學(xué)概念(定義);再次,多元表征間的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了“活動(dòng)—程序—對(duì)象”的真正循環(huán),包括正向和反向的;最后,在生成概念的基礎(chǔ)上,形成概念的表征系統(tǒng),并通過(guò)不同表征間的轉(zhuǎn)換建構(gòu)起圖式,即概念意象。

        三、兼顧多元表征的APOS數(shù)學(xué)概念教學(xué)設(shè)計(jì)

        不同于概念定義的一成不變,概念意象處在不斷地變化、發(fā)展和完善的過(guò)程中,不可能通過(guò)一兩次的教學(xué)就能幫助學(xué)生建立概念意象。因此,借鑒喻平教授提出的概念域和概念系[7],完善概念意象的教學(xué)至少還包括兩個(gè)方面:一是掌握這個(gè)概念所有的等價(jià)定義并建立它們之間的聯(lián)結(jié);二是建立這個(gè)概念與相關(guān)概念之間的聯(lián)結(jié)。這個(gè)過(guò)程可以在“圖式”階段實(shí)施,也可以作為后續(xù)完善概念意象的教學(xué)。

        因此,兼顧多元表征的APOS數(shù)學(xué)概念教學(xué)是以“分析數(shù)學(xué)概念的表征系統(tǒng)”為前提,將該表征系統(tǒng)與兼顧多元表征的APOS循環(huán)適切融合,以完善數(shù)學(xué)概念意象為目標(biāo),以教師呈現(xiàn)概念的多元表征形式和學(xué)生掌握概念的多元表征為落腳點(diǎn),形成以“創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境—抽象概念程序—凝練數(shù)學(xué)對(duì)象—完善概念意象”為單元的循環(huán)過(guò)程,如圖2所示。

        (一)分析概念的表征系統(tǒng)

        在教學(xué)設(shè)計(jì)之前,教師可結(jié)合學(xué)生已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)學(xué)概念的特征,分析概念的表征系統(tǒng),包括內(nèi)在表征和外在表征。圖3是橢圓三種定義構(gòu)成的橢圓概念的表征系統(tǒng),以第一定義引入為例展開(kāi)教學(xué)。

        (二)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

        根據(jù)概念表征系統(tǒng)的外在表征創(chuàng)設(shè)數(shù)學(xué)問(wèn)題情境,呈現(xiàn)數(shù)學(xué)概念的外在表征形式,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、操作,初步建立新概念與已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)結(jié),形成對(duì)數(shù)學(xué)概念的感性認(rèn)識(shí)。

        情境1:太陽(yáng)光下球的影子、行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡、用一個(gè)不垂直于圓錐的平面截圓錐……這些是什么圖形/軌跡/曲線?

        情境2:讓學(xué)生用細(xì)繩和鉛筆畫(huà)橢圓(過(guò)程略)。畫(huà)出的軌跡是什么曲線?在這一過(guò)程中,移動(dòng)的筆尖(動(dòng)點(diǎn))滿足的幾何條件是什么?

        情境3:教師用幾何畫(huà)板或GeoGebra軟件演示形成橢圓的動(dòng)畫(huà),注意引導(dǎo)學(xué)生觀察變與不變的量。你有什么發(fā)現(xiàn)?當(dāng)動(dòng)點(diǎn)滿足什么條件時(shí),它的軌跡是橢圓?

        【設(shè)計(jì)意圖】以上三種情境涉及橢圓的圖形表征和操作表征,需要學(xué)生在直觀感知橢圓形狀的基礎(chǔ)上,動(dòng)手繪制橢圓,借助動(dòng)畫(huà)演示觀察橢圓,形成對(duì)橢圓概念的感性認(rèn)識(shí)。

        (三)抽象概念程序

        教師組織學(xué)生通過(guò)自主思考、合作探究等方式,從活動(dòng)情境中反思數(shù)學(xué)概念的形成過(guò)程,抽象出數(shù)學(xué)概念的形成程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)活動(dòng)的內(nèi)化,將數(shù)學(xué)概念的外在表征轉(zhuǎn)換為內(nèi)在表征。

        師:橢圓上的點(diǎn)滿足的幾何條件是什么?小組討論交流。

        生:橢圓上的點(diǎn)到兩定點(diǎn)的距離之和為常數(shù)。

        師:你能用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)出這一數(shù)量關(guān)系嗎?請(qǐng)寫(xiě)出你的表達(dá)式并與你的同桌進(jìn)行交流,你有什么發(fā)現(xiàn)?

        生:[MF1]+[MF2=2a]([a>c])。

        (在實(shí)際教學(xué)中,學(xué)生的表達(dá)式可能各不相同,需要教師糾正、統(tǒng)一。)

        【設(shè)計(jì)意圖】教師組織學(xué)生進(jìn)行討論和探究,思考橢圓的形成過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生概括出橢圓上點(diǎn)的幾何性質(zhì),從而抽象出橢圓定義的自然語(yǔ)言表征,再用符號(hào)進(jìn)行表示,從而得到橢圓定義的符號(hào)化表征,將橢圓形成的外部活動(dòng)內(nèi)化為抽象的代數(shù)程序。

        (四)凝練數(shù)學(xué)對(duì)象

        教師讓學(xué)生用數(shù)學(xué)符號(hào)語(yǔ)言翻譯數(shù)學(xué)概念的形成程序,并進(jìn)行運(yùn)算和化簡(jiǎn),從而將數(shù)學(xué)概念的內(nèi)在表征精簡(jiǎn)為一個(gè)更簡(jiǎn)潔、更具有知識(shí)結(jié)構(gòu)的符號(hào)化心理對(duì)象。例如教師可引導(dǎo)學(xué)生比較、討論各自推導(dǎo)的方程形式,從而解決以下問(wèn)題:(1)怎樣建系?(2)如何運(yùn)算、化簡(jiǎn)?(3)焦點(diǎn)在y軸上的標(biāo)準(zhǔn)方程怎樣推導(dǎo)?它們有何聯(lián)系?

        【設(shè)計(jì)意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)橢圓的對(duì)稱(chēng)性建立合適的直角坐標(biāo)系,將橢圓定義的符號(hào)化表征[MF1]+[MF2=2a]([a>c])翻譯為代數(shù)表達(dá)式[(x+a)2+y2]+[(x-a)2+y2=2a],進(jìn)而化簡(jiǎn)得到橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程,建立橢圓的幾何特征與數(shù)量關(guān)系的有機(jī)聯(lián)系。

        (五)完善概念意象

        該教學(xué)環(huán)節(jié)主要有兩個(gè)方面:一是教師可以設(shè)計(jì)變式訓(xùn)練、概念辨析等環(huán)節(jié),幫助學(xué)生鞏固、應(yīng)用所學(xué)概念,建立這個(gè)概念與相關(guān)概念之間的聯(lián)結(jié);二是根據(jù)概念的等價(jià)定義創(chuàng)設(shè)新的教學(xué)情境,從不同角度得到同一個(gè)概念,從而完善學(xué)生的概念域和概念系。

        例如,橢圓第三定義的教學(xué)有兩個(gè)角度。一是從一個(gè)特殊軌跡來(lái)尋找它的方程。

        設(shè)A,B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(-5,0),(5,0),直線AM,BM相交于點(diǎn)M,且它們的斜率之積是-[49],求點(diǎn)M的軌跡。

        二是從橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程出發(fā)來(lái)研究軌跡。

        將橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程[x2a2+y2b2]=1(a[>]b[>0])進(jìn)行適當(dāng)變形得到[yx+a·yx-a=-b2a2](x[≠±a])。你能解釋這個(gè)表達(dá)式的幾何意義嗎?

        【設(shè)計(jì)意圖】經(jīng)過(guò)前面三個(gè)階段,學(xué)生已建立起與橢圓第一定義相關(guān)的概念表征。接下來(lái)需要進(jìn)一步完善概念意象,掌握形成橢圓的各種方式,理解各種橢圓定義之間的區(qū)別和聯(lián)系,靈活選擇條件求出橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程。

        四、結(jié)語(yǔ)

        以橢圓為例,基于橢圓的三種定義建立概念表征系統(tǒng),根據(jù)第一定義創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,抽象出橢圓定義的符號(hào)化表征,進(jìn)而凝練橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程,最后通過(guò)變式訓(xùn)練、概念辨析和等價(jià)定義完善橢圓的概念意象。當(dāng)然,橢圓概念意象的完善不僅限于此,還需要把握橢圓概念與其他相關(guān)概念之間的關(guān)系,比如橢圓與圓有何關(guān)系?如何通過(guò)圓上動(dòng)點(diǎn)得到橢圓的軌跡?探究類(lèi)似問(wèn)題亦可作為完善橢圓概念的途徑。

        近年來(lái),數(shù)學(xué)教育理論不斷推陳出新,單元教學(xué)、深度學(xué)習(xí)、項(xiàng)目合作學(xué)習(xí)等教育改革,都在努力踐行素質(zhì)教育理念,希望實(shí)現(xiàn)減負(fù)增效提質(zhì)。但沒(méi)有一種理論可以涵蓋所有的教學(xué)情境,每一種教育理論都有其優(yōu)勢(shì)與獨(dú)到之處。因此,兼顧多元表征的APOS數(shù)學(xué)概念教學(xué)不在于提供一整套教學(xué)模式,而在于讓大家關(guān)注多元表征與APOS相輔相成,即根據(jù)數(shù)學(xué)概念表征的差異和數(shù)學(xué)概念學(xué)習(xí)的心理過(guò)程,設(shè)計(jì)滿足學(xué)生不同認(rèn)知風(fēng)格的教學(xué)過(guò)程,提供所有學(xué)生參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。只有不斷挖掘各教育理論之間的聯(lián)系,才能讓我們的教學(xué)游刃有余,學(xué)生的學(xué)習(xí)如魚(yú)得水。

        參考文獻(xiàn):

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        (責(zé)任編輯:陸順演)

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