劉春艷
(北京教育學(xué)院 100120)
《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”)實施建議中提到教師“不僅關(guān)注每一節(jié)的教學(xué)目標(biāo),更要關(guān)注主題、單元的教學(xué)目標(biāo),明晰這些目標(biāo)對實現(xiàn)數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的貢獻(xiàn)”. 課程標(biāo)準(zhǔn)還提出要“整體把握教學(xué)內(nèi)容,促進(jìn)數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)連續(xù)性和階段性發(fā)展”. 相比課時教學(xué)設(shè)計,單元教學(xué)設(shè)計可以使教師有更充足的時間和空間根據(jù)實際情況調(diào)整教學(xué)的節(jié)奏,因此,單元教學(xué)設(shè)計在中小學(xué)教學(xué)中受到廣泛重視.
在數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中,單元教學(xué)設(shè)計中的“單元”大多以數(shù)學(xué)學(xué)科框架體系內(nèi)的學(xué)習(xí)內(nèi)容來組織. 在單元教學(xué)的具體操作過程中,“單元”的范圍不局限于教材中的“單元”,常見的“單元”類型有:以數(shù)學(xué)知識為主線的單元;以數(shù)學(xué)思想方法為主線的單元;以數(shù)學(xué)基本能力為主線的單元;以數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主線的單元等多種形式. 第一種類型一般用于新授課,實際教學(xué)中比較常見,本文所述的實際操作建議即以此類型為主.
對于單元教學(xué)設(shè)計的具體實施過程,鐘啟泉教授提出單元設(shè)計一般遵循“ADDIE”模型[1],即分析Analysis、設(shè)計Design、開發(fā)Development、實施Implement和評價Evaluation. 呂世虎教授等將單元教學(xué)設(shè)計的整個過程細(xì)化為6個實施步驟[2]:確定單元內(nèi)容;分析教學(xué)要素;編制教學(xué)目標(biāo);設(shè)計教學(xué)流程;實施教學(xué);評價反思及改進(jìn). 人教高中數(shù)學(xué)A版教參(2017版)中給出的單元教學(xué)設(shè)計樣例包括內(nèi)容和內(nèi)容解析、目標(biāo)和目標(biāo)解析、教學(xué)問題診斷分析、教學(xué)支持條件分析和教學(xué)過程設(shè)計五個主要環(huán)節(jié). 從中可以看出,無論是哪個模式或者步驟,都是為了更好地解決“教什么,怎么教,教得怎么樣”這三個教學(xué)中的基本問題. 單元教學(xué)設(shè)計的特點主要體現(xiàn)在:(1)設(shè)計框架涵蓋教學(xué)基本要素,體現(xiàn)單元教學(xué)設(shè)計的整體性;(2)將“分析”貫穿設(shè)計始終,注重教學(xué)設(shè)計有理有據(jù);(3)強(qiáng)調(diào)從“單元”到“課時”的過程,保障教學(xué)設(shè)計的層次性和有序性.
對于教師而言,單元教學(xué)設(shè)計形成了一個閉路,利于整體上把握單元教學(xué)的全過程. 但是在具體實施的過程中,教師往往存在很多困惑與問題:對單元教學(xué)內(nèi)容從哪些角度進(jìn)行分析?學(xué)情分析關(guān)鍵點是什么?單元教學(xué)目標(biāo)重點分析什么?在教學(xué)過程設(shè)計過程中,如何體現(xiàn)單元的整體性、層次性和有序性?等等.本文以“平面向量的運算”單元為例,與老師們探討如何進(jìn)行一個真實的單元教學(xué)設(shè)計.
對于平面向量,按照課程標(biāo)準(zhǔn)要求包括向量概念、向量運算、向量基本定理及坐標(biāo)表示、向量應(yīng)用. 從新授課的角度,結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)對于平面向量內(nèi)容和課時的要求,選擇以“向量運算”作為一個單元的主題,屬于“單元”類型的第一種情況. 本單元主要內(nèi)容包括平面向量的加減運算、數(shù)乘運算和數(shù)量積,以及它們的運算規(guī)則、運算性質(zhì)及其幾何意義等.
對于單元教學(xué)內(nèi)容分析,要以“四基”為基礎(chǔ),以明確學(xué)科核心素養(yǎng)為指向.具體分析時,可以先利用結(jié)構(gòu)圖等形式進(jìn)行梳理,說明單元內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu),然后從知識的學(xué)科本質(zhì)和上下位關(guān)系、蘊(yùn)含的思想方法等方面具體分析;以此為基礎(chǔ),說明本單元在本學(xué)段或者中學(xué)數(shù)學(xué)體系中,甚至數(shù)學(xué)體系中的地位和作用,并進(jìn)一步明確本單元的學(xué)習(xí)在提升能力和發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的具體作用.
平面向量的運算單元的結(jié)構(gòu)圖如下:
(1)學(xué)科本質(zhì)[4]
本單元是以平面向量為研究對象,對其從運算的角度開展研究.由于向量既是代數(shù)研究對象也是幾何研究對象,向量的運算自然有代數(shù)和幾何兩種意義,因此,向量的運算也要從代數(shù)、幾何兩個角度進(jìn)行研究.
從代數(shù)的角度,向量的運算遵循一般的運算研究脈絡(luò),按照“背景——定義——法則——性質(zhì)——應(yīng)用”的順序建立相應(yīng)的運算體系.
從幾何的角度,位置是空間最為基本原始的概念,向量理所當(dāng)然地是空間最為基本原始的幾何量,這使得向量的運算都具有幾何意義,向量運算的運算律也具有豐富的幾何內(nèi)涵.如向量的加法用幾何語言描述就是“三角形法則”或“平行四邊形法則”.向量加法的交換律是平行四邊形定理的向量表述形式.?dāng)?shù)乘運算的分配律是相似三角形定理的代數(shù)形式.?dāng)?shù)量積的分配律也是勾股定理代數(shù)化的一種表達(dá)形式等等.
同時,由于向量理論具有豐富的物理背景,向量的概念源自物理學(xué),因此向量的運算也有明確的物理背景,如物理中的功是平面向量數(shù)量積的背景.
(2)知識的上下位關(guān)系
本單元之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了關(guān)于數(shù)、式、集合、函數(shù)等對象的運算.本單元是將運算對象進(jìn)一步擴(kuò)展到向量,因此向量的運算是一類特殊的運算.
在數(shù)學(xué)中,從運算的共性來看,運算是一種映射,是兩個元到第三個確定元的一種特殊關(guān)系. 用集合的語言可敘述為:設(shè)有集合A,B,C,把一個從A×B→C的映射叫做A×B到C的一個代數(shù)運算或二元運算.特別地,若A=B=C,此映射稱為A上的一個二元運算.由此可見,向量的加減法運算是向量集合上的一個二元運算;向量的數(shù)乘運算是實數(shù)集合與向量集合對應(yīng)到向量集合的映射;向量的數(shù)量積也就是兩個向量集合對應(yīng)到實數(shù)集合的映射.
首先,向量集數(shù)形于一身,向量的運算也具有明顯的幾何意義,因此向量的運算中蘊(yùn)含著數(shù)形結(jié)合的思想方法.其次,根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和特點,類比數(shù)的運算研究向量的運算的研究方法貫穿本單元全過程,如類比數(shù)的減法,定義向量的減法.因此本單元學(xué)習(xí)過程中數(shù)形結(jié)合、類比是最主要的思想方法.
向量的運算不僅擴(kuò)充了運算對象,體現(xiàn)運算的形式在不斷發(fā)展,而且為后續(xù)向量的學(xué)習(xí)(包括平面向量基本定理、空間向量等)、在現(xiàn)實生活和物理中的應(yīng)用,在平面幾何、解析幾何、三角函數(shù)等數(shù)學(xué)內(nèi)部的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).
向量運算體系的建立也進(jìn)一步體現(xiàn)了數(shù)學(xué)內(nèi)部,如代數(shù)、幾何、三角函數(shù)等知識之間的內(nèi)在聯(lián)系.從向量運算的角度來看,向量具有較好的代數(shù)結(jié)構(gòu):向量及其加法運算、數(shù)乘運算構(gòu)成向量空間,這也為學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)中線性代數(shù)奠定基礎(chǔ).
本單元最主要的內(nèi)容是向量運算的法則、性質(zhì)及其幾何意義.“運算法則是運算的基礎(chǔ),是推理的基礎(chǔ),也是運算結(jié)果具有唯一性的保障.在運用運算解決問題的過程中,運算法則可以幫助我們探索運算思路.”[3]理解向量運算法則的過程也是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題能力的過程,同時,向量運算中蘊(yùn)含的幾何意義和代數(shù)意義,是溝通幾何與代數(shù)的橋梁,幫助學(xué)生感受到幾何直觀與代數(shù)運算之間的融合,加強(qiáng)對數(shù)學(xué)整體性的理解,因此向量運算是提升數(shù)學(xué)運算、邏輯推理、直觀想象等學(xué)科核心素養(yǎng)的良好載體.
對于學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析,一方面要分析學(xué)生已有的認(rèn)知基礎(chǔ);另一方面要結(jié)合本單元內(nèi)容,分析學(xué)習(xí)者需要具備的認(rèn)知基礎(chǔ)和經(jīng)驗,兩者之間的差距,也就是學(xué)生學(xué)習(xí)本單元內(nèi)容時可能遇到的困難.
由前面的分析,向量的運算需要從物理、幾何、代數(shù)三個角度進(jìn)行理解,對于學(xué)生情況我們也從這三個角度對于已有的認(rèn)知基礎(chǔ)和可能遇到的困難進(jìn)行分析.
(1)從物理角度,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了位移、力、功等相關(guān)物理量. 在具體問題中,學(xué)生能夠用有向線段畫出位移的合成、力的分解,能計算功的大小,并且在圖中能準(zhǔn)確找到兩個向量(力與位移)的夾角.
(2)從代數(shù)角度,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了數(shù)、式、集合、函數(shù)等運算,也體會到運算是代數(shù)研究的重要內(nèi)容.尤其對實數(shù)運算的研究過程,學(xué)生比較完整的經(jīng)歷了從運算對象到運算法則、運算律,直至運算應(yīng)用的研究過程,初步積累了建立運算體系的經(jīng)驗.
(3)從幾何角度,學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了平面幾何,具備相應(yīng)的知識基礎(chǔ)以及一定的關(guān)于幾何圖形研究的經(jīng)驗.另外,學(xué)生已具備了一定的觀察問題、分析問題的能力,具備能從簡單的實際背景中抽象出數(shù)學(xué)概念的能力,這些都是學(xué)生學(xué)習(xí)本單元的良好基礎(chǔ).
(1)從物理角度,學(xué)生有利用數(shù)學(xué)知識研究物理問題的經(jīng)驗,如利用三角函數(shù)研究物理中的彈簧振子、交變電流等. 在研究向量之前,學(xué)生不具備從物理背景引出數(shù)學(xué)內(nèi)容的經(jīng)驗,所以從具體的物理實例引出向量運算,學(xué)生會存在一定困難.
(2)從代數(shù)角度,向量既有大小,也有方向. 我們類比數(shù)的運算研究向量的運算,在向量的運算中,對于方向如何參與運算,學(xué)生沒有直接的經(jīng)驗.學(xué)生很容易帶著實數(shù)運算的思維定勢來理解向量的運算,出現(xiàn)對向量運算理解不到位,甚至出現(xiàn)“負(fù)遷移”,如數(shù)量積的結(jié)合律(a·b)·c=a·(b·c)等典型錯誤.
(3)從幾何角度,向量加法的定義是用作圖語言來刻畫的,對直接通過作圖定義向量運算這種處理方法,學(xué)生也是第一次接觸.對于向量的數(shù)量積內(nèi)容,兩個向量數(shù)量積運算的結(jié)果是實數(shù),其幾何意義不如線性運算直觀. 除此之外,還涉及兩個向量夾角、投影和投影向量的概念,研究這些概念的必要性,尤其投影和投影向量的概念讓學(xué)生感到很陌生,也很抽象.
教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)設(shè)計的核心,具體的教學(xué)過程設(shè)計圍繞教學(xué)目標(biāo)展開,教學(xué)評價也是以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù).雖然課程標(biāo)準(zhǔn)對知識單元的內(nèi)容有明確要求,但是過于抽象和概括,尤其行為動詞“理解”和“掌握”等的具體含義,可以借鑒布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)中的認(rèn)知目標(biāo),從解釋、舉例、分類、總結(jié)、推斷、比較、說明等方面分析.同時,考慮學(xué)生需要經(jīng)過什么樣的過程、具有什么樣的表現(xiàn)可以認(rèn)為達(dá)到相應(yīng)要求,以及本單元蘊(yùn)含的思想方法體現(xiàn)在哪些具體環(huán)節(jié)等.通過深入分析,使教學(xué)目標(biāo)明確、具體、可操作.
單元教學(xué)目標(biāo)分析要與前面所述的單元教學(xué)內(nèi)容分析和單元學(xué)情分析相銜接,同時要注意課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容要求和教學(xué)提示.由于教材的編寫要貫徹數(shù)學(xué)課程的基本理念和要求,因此,教材也是教學(xué)目標(biāo)分析的重要資源.
如:課程標(biāo)準(zhǔn)中對向量的加減法運算的內(nèi)容要求是:“借助實例和平面向量的幾何表示,掌握平面向量的加、減運算及運算規(guī)則,理解其幾何意義.”對于向量的運算內(nèi)容,課程標(biāo)準(zhǔn)中的教學(xué)提示是:“在平面向量及其應(yīng)用的教學(xué)中,應(yīng)從力、速度、位移等實際情境入手,從物理、幾何、代數(shù)三個角度理解向量的概念與運算法則,引導(dǎo)學(xué)生運用類比的方法探索實數(shù)運算與向量運算的共性與差異.”人教A版教材“向量的加法運算”一節(jié),文本呈現(xiàn)的順序是:“物理實例——向量的加法、向量加法法則——規(guī)定特殊情況——例題——向量的加法與數(shù)的加法聯(lián)系——運算律——例題”.“向量的減法運算”一節(jié),文本呈現(xiàn)的順序是;“相反向量——向量的減法——減法的幾何意義——特殊情況——例題”. 對于向量的加法及運算法則是通過對圖形的語義轉(zhuǎn)換得到的,類比數(shù)的加法運算律,利用加法的幾何意義驗證運算律;類比數(shù)的減法,通過符號語言定義向量的減法;例習(xí)題的設(shè)計主要是通過圖形語言、符號語言的相互轉(zhuǎn)換,幫助學(xué)生理解向量的加減法運算.
因此,對于向量的加減法運算教學(xué)目標(biāo)分析如下:
能借助物理中位移、力的合成和向量的幾何表示,定義向量的加法、向量加法的三角形法則和平行四邊形法則,并能說明兩個法則的一致性;能借助向量加法的幾何意義,通過類比數(shù)的加法運算律,探究向量加法的運算律;能類比數(shù)的減法,定義向量的減法;能通過作圖表示兩個向量的和或差.
通過向量加減運算的研究過程,體會研究運算對象的一般思路,即“運算概念——運算規(guī)則——運算性質(zhì)”,提升數(shù)學(xué)運算和邏輯推理的素養(yǎng),通過向量運算中幾何意義的理解與運用,提升直觀想象的素養(yǎng).
具體的教學(xué)過程是以課時為單位進(jìn)行設(shè)計的,首先根據(jù)前面的分析設(shè)計課時,將單元教學(xué)目標(biāo)和重難點逐步分解到課時,再將課時教學(xué)目標(biāo)細(xì)化為課時的主要教學(xué)環(huán)節(jié),并以圍繞核心問題展開問題串的形式設(shè)計教學(xué)活動. 通過從單元到課時、從整體到局部,有邏輯有順序有步驟地設(shè)計課時教學(xué)過程,充分體現(xiàn)了單元教學(xué)設(shè)計的整體性和有序性,是單元教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)的重要保障.
對于向量的運算,建議用6課時.第一課時:向量的加法;第二課時:向量的減法;第三課時:向量的數(shù)乘運算;第四課時:向量的共線與數(shù)乘運算的關(guān)系;第五課時:向量的數(shù)量積和投影;第六課時:向量數(shù)量積的運算律及應(yīng)用.以第一課時“向量的加法”為例.
“向量的加法”主要與單元教學(xué)目標(biāo)的第一條有關(guān),課時教學(xué)目標(biāo)為:(1)通過位移、力的合成,定義向量的加法、三角形法則和平行四邊形法則;(2)能借助向量的幾何表示,作出兩個向量的和;(3)通過類比數(shù)的加法運算律,猜想向量加法的運算律并利用向量的幾何表示驗證,體會向量運算與數(shù)的運算的區(qū)別與聯(lián)系,提升數(shù)學(xué)運算的素養(yǎng).
課時教學(xué)重點是向量的加法法則和運算性質(zhì);難點是向量加法概念的形成過程,對向量加法法則的理解.
教學(xué)環(huán)節(jié)就是教學(xué)目標(biāo)的細(xì)化,是緊密圍繞課時教學(xué)目標(biāo)逐步展開的教學(xué)過程.“向量的加法”的教學(xué)過程設(shè)計7個環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)與課時教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系如下:
具體的教學(xué)活動應(yīng)該創(chuàng)設(shè)合適的教學(xué)情境,提出合適的數(shù)學(xué)問題,引發(fā)學(xué)生思考與交流.向量的運算具有豐富的物理背景,因此在教學(xué)環(huán)節(jié)1中創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的物理情境,在第2個教學(xué)環(huán)節(jié)“借助物理背景,定義向量的加法”中,設(shè)計如下的系列問題,引導(dǎo)學(xué)生思考和討論.
問題由位移的合成,你認(rèn)為如何進(jìn)行兩個向量的加法運算?
追問1對于矢量的合成,物理學(xué)中還有其他方法嗎?
備用問題:如右圖,在光滑的平面上,一個物體同時受到兩個外力F1與F2的作用,你能作出這個物體所受的合力F嗎?由此你能給出向量加法的另一種法則嗎?
追問2向量加法的平行四邊形法則與三角形法則一致嗎?為什么?
追問3以上的兩個法則是否完整?如不完整,缺少什么?
“你認(rèn)為如何進(jìn)行兩個向量的加法運算”就是一個核心問題,后續(xù)預(yù)設(shè)的追問不是固定的模式,授課中要根據(jù)學(xué)生的討論情況及時調(diào)整順序,甚至增加或者減少追問問題.比如在討論問題的過程中,學(xué)生可能提出“共線向量如何做加法運算”、“零向量如何處理”等問題,此時需要把追問3分解成多個小問題,并調(diào)整順序.圍繞核心問題展開的系列問題的靈活處理,都是為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)1.
教學(xué)環(huán)節(jié)要設(shè)計具有一定的開放性、引導(dǎo)性的核心問題,聚焦基本內(nèi)容,形成認(rèn)知沖突,激活學(xué)生思維,自然而然地思考“為什么”、“怎么辦”、“還有什么”、“有什么意義”、“具體是什么”等問題,通過問題解決的過程理解基本內(nèi)容.通過圍繞核心問題展開的、體現(xiàn)數(shù)學(xué)內(nèi)在邏輯的、有層次性的一組問題,引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)的眼光觀察問題、發(fā)現(xiàn)問題,用數(shù)學(xué)的方法和經(jīng)驗思考問題、用數(shù)學(xué)的語言表達(dá)問題,進(jìn)而達(dá)成預(yù)期的教學(xué)目標(biāo).
圍繞核心問題展開的某一教學(xué)環(huán)節(jié)與相應(yīng)教學(xué)目標(biāo)的關(guān)系如下圖:
對于課時教學(xué)設(shè)計,引入和小結(jié)是兩個重要的環(huán)節(jié).對于單元教學(xué)設(shè)計,第一課時的引入和最后一課時的小結(jié)更要考慮立足“單元”進(jìn)行整體設(shè)計,也就是要成為“單元引入”和“單元小結(jié)”.
(1)單元引入
課時教學(xué)設(shè)計的第一個環(huán)節(jié)常常要考慮創(chuàng)設(shè)情境引入主題,單元教學(xué)設(shè)計也需要通過單元引入創(chuàng)設(shè)整個單元的教學(xué)情境,引入單元教學(xué)主題.本單元的引入可以借用人教A版必修第二冊6.2“平面向量的運算”中的節(jié)引言:
“我們知道,數(shù)能進(jìn)行運算,因為有了運算而使數(shù)的威力無窮.那么向量是否也能像數(shù)一樣進(jìn)行運算呢?人們從向量的物理背景和數(shù)的運算中得到啟發(fā),引進(jìn)了向量的運算.本節(jié)我們就來研究平面向量的運算,探索其運算性質(zhì),體會向量運算的作用.”
這段引言通過比較開放和具體統(tǒng)攝性的問題,幫助學(xué)生站在數(shù)學(xué)知識的整體高度認(rèn)識問題、思考問題. 幫助學(xué)生明確:引進(jìn)一個量,就要研究它的運算;引進(jìn)一種運算,就要研究它的運算性質(zhì);向量的運算是以物理實例為背景,以數(shù)的運算為類比對象展開研究的.單元引言要幫助學(xué)習(xí)體會本單元要研究什么、為什么研究、以及如何研究等基本問題,這些基本問題既要成為貫穿本單元教學(xué)始終的一條主線,也要為學(xué)生提供一個有力的知識、方法的認(rèn)知固著點.
(2)單元小結(jié)
最后一課時的小結(jié)要概括性的總結(jié)提煉本單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容,以“如何研究向量運算?每種向量運算的共性與個性是什么?”作為核心問題,根據(jù)學(xué)生實際情況,可以預(yù)設(shè)如下的系列問題:
問題1:本單元學(xué)習(xí)了向量的哪些運算?請舉例說明.
問題2:對于向量的每一種運算,研究了哪些內(nèi)容?
問題3: 對于向量的每一種運算,研究的方法是什么?
問題4: 向量的各種運算,具有什么共性和個性?
問題5: 向量的運算與實數(shù)的運算之間,有什么共性與差異?
通過圍繞核心問題的系列問題進(jìn)行總結(jié),以提綱的形式幫助學(xué)生梳理本單元學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容,形成本單元的知識結(jié)構(gòu),明確數(shù)學(xué)思想方法在研究問題中的具體作用,幫助學(xué)生明確應(yīng)該落實的“四基”.通過對向量運算研究路徑的梳理,幫助學(xué)生進(jìn)一步明確研究數(shù)學(xué)運算對象的基本思路,把“獲取知識當(dāng)作方法而不是最終目的”[5],借此為提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力做好示范,進(jìn)而發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)運算和邏輯推理等素養(yǎng).