指向数学大概念的问题设计

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  摘要:指向数学大概念理解或感悟的教学应该是问题驱动式的,这样的教学具有学习评价伴随性的特征。大概念是更加抽象、上位的概念,因此,需要更加开放、综合的问题来教学和评价。而大概念又是在具体知识、技能基础上的抽象概括,因此,开放、综合的问题也要能够细化、分解。在实践中,提取数学大概念后,主要通过多元化的方式设计(选取)指向数学大概念理解或感悟的问题,具体包括:开放探源,设计单元或课时基本问题;综合应用,设计单元探究问题;步步为营,设计课时引导性问题;目标分解,设计课时诊断性问题;以生为本,捕捉课堂生成性问题。
  关键词:数学大概念;问题设计;大概念教学;大概念评价
  卡尔·波普尔认为:“知识的增长永远始于问题,终于问题——越来越深化的问题,越来越能启发大量新问题的问题。”学习的过程本质上是解决问题的过程,也是学习如何解决问题的过程。无论是教师提出问题,还是学生发现问题,问题都是促使学生学习进程发生和发展的不竭动力。问题有启发性,学生能在解决问题的过程中不断理解知识的本质,明确思考的逻辑。问题还有导向性,能够引导学生有目的地组织有效的方法策略,利于学生建构学习内容之间的联结。
  《普通高中数学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“课标”)在“教学建议”中指出:“基于数学学科核心素养的教学活动应该把握数学的本质,创设合适的教学情境、提出合适的数学问题,引发学生思考与交流,形成和发展数学学科核心素养。”数学核心素养是抽象概括出来的、比较上位的、具有广泛联系整合作用的、能够广泛迁移应用的数学概念和观点,是一种数学大概念。因此,指向数学大概念理解或感悟的教学,也应该是问题驱动式的,或者说是启发引导式、探究发现式的。这样的教学具有学习评价伴随性的特征:教师提出的问题,既促进学生的学习,又起到评价学生学习情况的作用。也就是说,教学和评价很大程度上是一体的。
  大概念是更加抽象、上位的概念,需要更加开放、综合的问题来教学和评价。而大概念又是在具体知识、技能基础上的抽象概括,开放、综合的问题也要能够细化、分解。此外,大概念贯穿于多个内容,因此,还需要持续性教学和评价。在实践中,提取数学大概念后,我们主要通过以下方式设计(选取)指向数学大概念理解或感悟的问题。值得注意的是,这些问题有时是交叉的,就像连续光谱一样不好区分。
  一、开放探源,设计单元或课时基本问题
  基本问题是指在学科或课程中处于核心位置、能促进学生深入思考和探究、能激發知识的联系和迁移的总结性问题或单元(多个相关联的内容所形成的整体)的主题性问题。威金斯和麦克泰格将基本问题比作大概念教学的航标:“最好的问题是指向和突出大概念的。它们就像一条过道,通过它们,学习者可以探索内容中或许仍未被理解的关键概念、主题、理论、问题,在借助启发性问题主动探索内容的过程中加深自己的理解。”在他们的单元整体设计模板中,基本问题和大概念是相配套的。珀金斯则直接称基本问题为“大问题”。
  如果说传统的问题倾向于“闭合性”,也就是对固定答案的寻求,那么,基本问题恰恰相反,倾向于“开放性”。因此,基本问题能引发与大概念相关的持续性思考,不断激活具体经验,达成深度理解。比如,语法是怎么产生的?为什么会有语法?汉语的语法和英语的语法有什么区别?数学是发明,还是发现?某个数学概念为什么这么定义?由此定义能够得到什么?……有时,基本问题甚至会带有一些“挑衅性”,通过连续的追问打破学生原有的观点,引导学生深入思考,建立复杂的认知结构。此外,基本问题也可以是一个话题(主题),主要是引导学生往“大处”想。
  基本问题具有本源性与整合性,是单元教学的“魂”,往往会在单元教学开始时提出,牵引学生进行单元学习。单元教学结束时,可再让学生根据本单元的学习回答基本问题。原来谜底在这儿!原来基本问题的答案是它!这些应该是学生学完一个单元后的体会。如果没有这样的感觉,那就说明教师的教学有待改进。
  例如,《函数》单元教学,基本问题可以是:你如何理解函数是描述两个变量之间关系最基本的数学语言(工具),或者函数是一个量随另一个量变化而变化的模型?什么是函数的性质?如何研究函数的性质?为什么要研究函数的性质?函数发展历史是怎样的?你怎么看待函数?……还可以在学生学完函数的概念和表示、函数的性质、幂函数、指数函数、对数函数、三角函数等内容后,让他们再回答这些问题。
  又如,《概率》单元教学,可以提出这样的基本问题:现有5个签,其中2个签有奖,5个同学先后来抽签,每人抽一个,那么中奖机会均等吗?这个问题学生熟悉,答案在给定条件下不唯一,能引起学生的争论,直指大概念“随机性”“事件的关系与运算”。教学样本空间、随机性、事件的关系与运算等内容时,都可以用。
  此外,大概念的层级性决定了基本问题的层级性。例如,《三角函数》一章中基本问题和大概念存在对应关系(如表1所示)。
  二、综合应用,设计单元探究问题
  基本问题和探究问题都具有复杂性。但是,相对而言,基本问题偏向本源,因开放思辨而比较“虚”——答案不确定;探究问题偏向应用,因综合实践而比较“实”——完成比较难。因此,基本问题可以用于单元教学的开头和结尾,而探究问题主要用于单元教学的结尾。课标附录2中给出的“教学与评价案例”大多是比较典型的探究问题。这些探究问题通常是对课时学习内容的综合应用,可以促进学生的深度学习,让学生持续理解大概念。
  例如,《统计》单元教学后,教师让学生分组选择一个感兴趣的问题,给出一份完整的统计分析案例。比如,对人们线上、线下生活消费数额与年龄的关系,刹车距离与车速的关系,学校近三年男生和女生平均身高、体重情况(学校医务室有数据可用)等,利用统计的方法进行分析,然后作出合理的决策。课外,学生尝试探究;课上,师生交流遇到的问题。在完成这个探究问题(任务)的过程中,学生学会把调查到的社会现象数据化,设计调查问卷,抽样调查,分析整理数据,分析变量之间的相关性分析。   再如,“指数函数”(《基本初等函数Ⅰ》单元)以及“极限”(《导数》单元)教学后,教师让学生在知道复利计算公式[y=a(1+r)x,x∈N*],以及本息和随存款期数呈指数型增长的基础上,研究相同的本金和存款总时间、总利率下不同复利分期带来的不同本息和(分期的利率等于总利率除以期数)。进而引导学生发现:随着复利分期的增加,本息和也在增加,但是增加得越来越缓慢,并且好像趋向一个常数。然后,教师让学生做一个极端的假设,即本金为1,总利率为100%,研究本息和随复利分期的变化趋势;并让学生借助计算器或计算机完成计算,引导他们发现:当n趋向于+∞,(1+1/n)n趋向于定值2.71828…。由此,介绍自然对数底数的由来,同时让学生感悟“在一定的局限条件下,凡事多有极限,不会无限增长,不会‘永动’”的大概念。
  三、步步为营,设计课时引导性问题
  学生对基本问题的思考很难一步到位,而且常会觉得无从下手。对此,在具体的课时教学中,教师要准确把握教学内容,精准分析学情,设计层层递进的引导性问题(串),启发学生抽丝剥茧,有逻辑地思考,不断理解与感悟、逐步揭示数学大概念。
  例如,面面平行的性质定理研究的是两个平面平行的条件下,直线与平面、直线与直线的位置关系的不变性,思想方法是从一般到特殊。这是个大概念。对此,在课时教学中,提出如下引导性问题串:
  问题:类比线面平行的研究,我们研究面面平行的性质定理,首先要弄清楚:面面平行的性质定理研究的是面面平行的条件下,谁与谁的位置关系的规律性或不变性?
  追问1:先看两个平面平行时,一个平面内的任一条直线与另一个平面的位置关系。如图1,已知α∥β,lCα ,判断l与β的位置关系。
  追问2:再看两个平面平行时,分别在两个平面内的两条直线的位置关系。如图2,已知α∥β,lCα,mCβ ,判断l与m的位置关系。
  追问3:平面β内与l平行的直线有多少条?
  追问4:如何在平面β内找出一条与l平行的直线?
  追问5:类比线面平行性质定理的发现,在平面β内取一点P,过点P如何作直线l的平行线?
  追问6:任作一个平面与α、β相交于两条直线,这两条直线是否平行?
  整个研究过程贯彻数学大概念“从一般到特殊、从整体到局部的方法”。对于追问4,在学生想不到过l作平面γ与平面β相交,从而找到直线m的情況下,追问5可以为学生建构面面平行的性质定理搭建“脚手架”:当学生看到直线与直线外一点时,容易联系线面平行的性质定理,作平面γ与平面β相交。
  四、目标分解,设计课时诊断性问题
  引导性问题既可以用于教学,也可以用于评价。诊断性问题主要用于评价(即课堂检测,也可以看作是教学的一部分,因为还是服务于教学的),可以采用定性与定量(如口头访谈与书面测试)相结合的方式,实现了解学生的学习情况(对大概念的理解或感悟),指导教师精准教学(以学定教、因材施教),提高教学效率的目的。具体设计诊断性问题时,要特别注意依据抽象、上位的教学目标进行细化分解,从而提升评价的有效性和可行性。
  例如,课标对“函数的单调性”的学习要求是:“借助函数图像,会用符号语言表达函数的单调性、最大值、最小值,理解它们的作用和实际意义。”仅依据此,很难编写诊断性问题。
  对此,初步细化分解时,可以聚焦大概念,考虑到底想要学生掌握什么,用自己的话稍加详细地转述。仔细分析上述目标要求,从知识结果上看,是要学生理解单调性的定义,会用定义证明函数的单调性,会用单调性解决一些数学问题;从方法过程上看,是让学生掌握抽象概括的方法和运算求解的技能。但是,这时还是较难编写具体的诊断性问题。
  对此,进一步细化分解时,就要考虑操作性,如怎么才算理解函数的单调性、怎么才算简单应用函数的单调性,将目标要求变成一个个外显的、有层次的操作行为。比如,可以通过具体化行为动词和核心概念,以及适当添加行为条件,把“理解函数的单调性”由浅到深地分解为:(1)能从学过的函数中举出具有单调性的例子;(2)能用自己的话概括描述函数单调性的含义;(3)能对照函数图像求出函数的单调区间;(4)能在教师的启发下抽象出函数单调性的符号表示,结合具体问题体会到函数单调性定义的要点;(5)能用定义证明一些简单函数的单调性。
  其中,第1个目标和第2个目标本身就可以当作诊断性问题。对于第3个目标,教材和课后练习中都有相关的题目可以作为诊断性问题。对于第5个目标,教材中有相关的例题可以作为诊断性问题。第4个目标中,对概念要点的理解很关键:学生自己常常认识不到;而且有时,教师给学生写出“几点注意”,学生也不理解为什么。因此,教师要设计好诊断性问题,让学生在问题情境中认识单调性定义的要点。具体地,可以设计如表2所示的诊断性问题。
  五、以生为本,捕捉课堂生成性问题
  课堂是一个充满生机和活力的地方,学生经常提出一些我们始料未及的问题。这些问题是学生的疑点,有时也是我们进行数学大概念教学和评价的契机。
  例如,学习“平面向量基本定理”时,学生提问:“基底是什么?”对此,教师反问:“对于‘基底’,大家如何理解?生活中有没有类似的例子?”在学生的沉默思考中,教师提示:“同学们学过绘画吗?”一些学生恍然大悟:“底色,三基色!”顺势,教师解释:“五彩缤纷的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生,同样,绝大多数单色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。这是色度学最基本的原理,即‘三基色原理’。三种基色是相互独立的,任何一种基色都不能由其他两种基色合成。基底{e1,e2}就是平面向量中的基色。”进而,教师引导学生从数学到其他领域展开关于“基底”的联想:
  平面坐标系内一点P由两个坐标(x,y)决定;等差数列{an}由公差和首项决定;圆由圆心和半径决定……   汉字复杂多样,但是基本笔画只有几种;音乐美丽动听,但是基本音调只有几个……
  小到个人,大到国家,都有自己的基底。一个人的基底就是这个人的德、智、体、美、劳;一个国家的基底可以从政治体制、经济实力、军事力量、外交政策、科技水平这几个角度反映出来,更能从国民的一言一行中反映出来。
  基底思想是一个大概念,体现简化和转化的意识。对学生疑问的反馈,既能帮助学生深度理解概念,也能对学生进行思想品德教育。
  再如,指数函数应用的复利计算问题:“有些银行存款是按照复利的方式计算利息的,即把前一期的利息与本金加在一起作为本金,再计算下一期的利息。假设最开始的本金为a元,每期的利率为r,存x期后本息和为f(x)元。至少要经过多少期,本息和才能不小于本金的2倍?”求解的最后,教师指出:银行业经常使用“70原则”,因为ln 2≈0.69315,并且当r比较小时ln(1+r)≈r,所以大约要经过70/100r期(假设年利率为5%,则为14年),本息和才能倍增。这时,学生提问:为什么当r比较小时ln(1+r)≈r?这是解决实际问题经常使用的近似方法,并且对学生理解对数函数、幂函数之间的关系以及对数函数的运算这些大概念很有帮助。因此,教师从函数图像平移到函数y=ln(1+x)在原点处的切线是y=x进行分析,让学生看到近似的合理性。
  参考文献:
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  *本文系北京市教育科学规划2021年度一般课题“大概念和学习进阶视角下高中数学单元教学实施策略研究”(编号:CDDB21315)的阶段性研究成果。
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