日本數(shù)學(xué)“綜合與實(shí)踐”活動的設(shè)置經(jīng)驗(yàn)及其啟示
——基于日本2021版《新數(shù)學(xué)》教材中“自由研究活動”的分析*

常海斌

(渤海大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院 121013)

李 健

(人民教育出版社課程教材研究所 100081)

1 引言

隨著數(shù)學(xué)課程改革的持續(xù)推進(jìn)和創(chuàng)新教育的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足社會對于創(chuàng)新型人才的需求，數(shù)學(xué)教育急需回應(yīng)時代發(fā)展的需要．綜合與實(shí)踐活動作為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實(shí)踐性課程[1]，被視作發(fā)展學(xué)生探究能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的有效途徑．我國一直高度重視學(xué)生創(chuàng)新能力和探究意識的培養(yǎng)，并將綜合與實(shí)踐活動作為義務(wù)教育階段數(shù)學(xué)課程的四大主線之一．然而，綜合與實(shí)踐活動在具體設(shè)置過程中面臨諸多困境，如課程內(nèi)容簡化、去知識化、預(yù)設(shè)活動方式單一等[2,3]，設(shè)置高質(zhì)量的綜合與實(shí)踐活動成為時下值得關(guān)注的一項重要課題．

教材作為貫徹課程標(biāo)準(zhǔn)和承載課程理念的物質(zhì)載體，是師生開展綜合與實(shí)踐活動的主要資源．日本是傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教育強(qiáng)國，在數(shù)學(xué)教材編寫方面擁有許多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)．日本文部科學(xué)省于2017年頒布了《初中數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)要領(lǐng)》，并于2021年4月1日開始實(shí)施．東京書籍株式會社依據(jù)《初中數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)要領(lǐng)》編寫了《新數(shù)學(xué)》系列教材，教材中的“自由研究活動”是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要切入點(diǎn)，展現(xiàn)出初中數(shù)學(xué)綜合與實(shí)踐活動的日本樣態(tài)．本文將以日本2021版《新數(shù)學(xué)》教材中的“自由研究活動”為研究對象，并基于該活動的主題選擇、活動方式、研究報告三個方面展開分析，以期為我國初中數(shù)學(xué)課程中綜合與實(shí)踐活動的設(shè)置提供日本經(jīng)驗(yàn)．

2 自由研究活動的主題選擇

在自由研究活動的主題選擇方面，《新數(shù)學(xué)》系列教材不僅重視一般性研究活動，而且關(guān)注跨學(xué)科研究活動．具體而言，在“縱向”的一般性研究活動與“橫向”的跨學(xué)科研究活動下，可以細(xì)分為七類主題，各主題下屬23個自由研究活動，見表1．

表1 自由研究活動的主題選擇與活動名稱

2.1 一般性研究活動

按照活動是否與現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)聯(lián)，將一般性研究活動劃分為“數(shù)學(xué)內(nèi)部研究”和“數(shù)學(xué)與生活”兩類．

“數(shù)學(xué)內(nèi)部研究”主題下的活動主要指基于數(shù)學(xué)課程內(nèi)容自身，或?qū)?shù)學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)一步拓展和加深而形成的探究性活動；“數(shù)學(xué)與生活”主題下的活動則主要指與現(xiàn)實(shí)生活關(guān)聯(lián)密切但不涉及其他學(xué)科知識的探究性活動．

在日本初中課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)與式、圖形、函數(shù)、數(shù)據(jù)的活用這四個知識板塊中[4]，《新數(shù)學(xué)》系列教材共設(shè)置了10個一般性研究活動，其中“數(shù)學(xué)內(nèi)部研究”主題下的研究活動8個，“數(shù)學(xué)與生活”主題下的研究活動2個．例如《如何移動圓周角》這一活動，該活動是在學(xué)生學(xué)習(xí)了圓周角定理后，要求學(xué)生利用GeoGebra進(jìn)一步探究圓的性質(zhì)，屬于數(shù)學(xué)內(nèi)部研究活動；而函數(shù)版塊中的《瞬時速度》這一活動則以“坐過山車”為情境，引導(dǎo)學(xué)生利用二次函數(shù)解決生活實(shí)際問題，不涉及其他學(xué)科知識的運(yùn)用，屬于“數(shù)學(xué)與生活”主題下的研究活動．

2.2 跨學(xué)科研究活動

按照教材中的劃分，所有跨學(xué)科研究活動被劃分到“數(shù)學(xué)與歷史”“數(shù)學(xué)與語言”“數(shù)學(xué)與科學(xué)技術(shù)”“數(shù)學(xué)與美術(shù)”“數(shù)學(xué)與保健體育”五個類別當(dāng)中．

“數(shù)學(xué)與歷史”主題下的活動主要指數(shù)學(xué)史視角下的自由研究活動．法國數(shù)學(xué)家帕斯卡于1654年首次將二項式系數(shù)表稱為“算法三角形”，并對其性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5]，該主題下的《帕斯卡三角形》這一活動就是以算法三角形為線索，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生從不同方向觀察算法三角形，使學(xué)生探究算法三角形的各行數(shù)列與(a+b)2,(a+b)3展開式中各項系數(shù)的關(guān)系．“數(shù)學(xué)與語言”主要指數(shù)學(xué)與其他語言結(jié)合而成的自由研究活動．例如《試著讀盲文》這一活動，學(xué)生需要經(jīng)歷歸納推理等活動，方可發(fā)現(xiàn)盲文的內(nèi)部特征和認(rèn)知規(guī)律，展現(xiàn)出數(shù)學(xué)與其他語言間的聯(lián)系．“數(shù)學(xué)與科學(xué)技術(shù)”主要指數(shù)學(xué)與技術(shù)以及數(shù)學(xué)與物理、地理、化學(xué)等自然學(xué)科相結(jié)合而成的自由研究活動．例如在解決《思考汽車的死角》這一活動中的問題時，就需要運(yùn)用物理學(xué)中的反射角知識，體現(xiàn)出數(shù)學(xué)與科學(xué)技術(shù)間的聯(lián)系．“數(shù)學(xué)與美術(shù)”主要指將藝術(shù)作品作為數(shù)學(xué)的應(yīng)用載體的自由研究活動．例如《挑戰(zhàn)埃舍爾》以荷蘭著名畫家埃舍爾的作品為研究對象，使學(xué)生體會“平移”“旋轉(zhuǎn)”“對稱”等變換形式在繪畫中的應(yīng)用．“數(shù)學(xué)與保健體育”主要指與體育及身體保健有關(guān)的自由研究活動．《高爾夫球得分的表示方法》就是該主題下的典型案例，該活動將高爾夫比賽中高于標(biāo)準(zhǔn)桿的成績記為正數(shù)、低于標(biāo)準(zhǔn)桿的成績記為負(fù)數(shù)，學(xué)生以此為線索，進(jìn)行“有理數(shù)加減法”的探究．

整體而言，這五類跨學(xué)科研究活動既是對數(shù)學(xué)課程內(nèi)容自身的鞏固與加深，也是數(shù)學(xué)在其他學(xué)科的廣泛滲透應(yīng)用的深刻體現(xiàn)，對于學(xué)生綜合素質(zhì)的提升具有重要意義．

3 自由研究活動的活動方式

活動方式即完成自由研究活動所運(yùn)用的方法和手段[6]．通過對《新數(shù)學(xué)》系列教材中的23個自由研究活動進(jìn)行分析，對具有類似特征的活動進(jìn)行歸類，可以將教材中預(yù)設(shè)的活動方式劃分為數(shù)學(xué)探究型、文獻(xiàn)查閱型、動手操作型三類．

3.1 數(shù)學(xué)探究型

數(shù)學(xué)探究型活動，主要指需先將研究活動抽象為數(shù)學(xué)問題(若無需數(shù)學(xué)抽象，則省略該步驟)，進(jìn)而利用歸納、類比、聯(lián)想等數(shù)學(xué)思想方法就能直接完成的自由研究活動．例如《使用圖表思考》這一自由研究活動(圖1)：

圖1

思考下面的問題，嘗試創(chuàng)造出新的問題，并利用方程或圖表來思考和解決問題．

弟弟從家出發(fā)去了學(xué)校，4 min后，哥哥從家出發(fā)去追弟弟，假設(shè)弟弟的行走速度為50 m/min，哥哥的行走速度為70 m/min，那么哥哥從家走幾分鐘后能追上弟弟？

探究1 把原題中的“4 min后”改為“2 min后”，哥哥從家出發(fā)幾分鐘能追上弟弟呢？

探究2 把原題中的“4 min后”改為“7 min后”，哥哥要在距離家700 m的地方追上弟弟，那哥哥應(yīng)該以什么速度行走？

探究3 自己創(chuàng)造問題思考一下吧！

該自由研究活動以貼近學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活的“上學(xué)”為線索創(chuàng)設(shè)情境，將“追擊相遇”問題以圖表的形式呈現(xiàn)．學(xué)生要想解決該問題，需先明確圖中兩條直線交點(diǎn)的意義，進(jìn)而將目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為求解兩直線的交點(diǎn)．在探究1中，哥哥出發(fā)的時間改變，但速度不變，學(xué)生需以(2,0)為起點(diǎn)畫出哥哥此時的行走示意圖，進(jìn)而找到兩條直線此時的交點(diǎn)橫坐標(biāo)；在探究2中，哥哥的出發(fā)時間更改為了7 min后，由于要求兩人在700 m處相遇，且弟弟到達(dá)700 m處的時間已知，故哥哥追趕弟弟的路程和時間都已知，速度顯然可求．該活動的探究主要涉及數(shù)形結(jié)合、化歸等數(shù)學(xué)思想方法的運(yùn)用，屬于數(shù)學(xué)探究型活動．

3.2 文獻(xiàn)查閱型

3.3 動手操作型

動手操作型活動，主要指需要學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)操作(既包括物理世界的實(shí)踐操作，也包括虛擬世界的信息技術(shù)應(yīng)用)才能完成的自由研究活動．例如《四邊形的變身》這一自由研究活動(圖2)：

圖2

無論什么樣的四邊形，通過裁剪方式的改變都可以變成平行四邊形，怎么剪最好呢？

探究1 思考一下，怎樣剪四邊形才是最好的？另外，確認(rèn)剪完后的四邊形能否重新組合成為平行四邊形？

探究2 試著想一下，像探究1那樣剪四邊形并重新組合后，變成平行四邊形的原因吧．

探究3 要變成長方形，應(yīng)如何剪四邊形呢？

這一活動是在學(xué)生已有的平行四邊形相關(guān)知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)置的．學(xué)生要想完成該活動，需先動手嘗試剪裁四邊形，在不斷嘗試的過程中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，即對任意四邊形進(jìn)行裁剪，得到四個小四邊形，以裁剪所形成的四個角為頂角將四個小四邊形進(jìn)行重新組合就能構(gòu)造成一個平行四邊形．該活動既加深了學(xué)生對于平行四邊形知識的理解，又將知識應(yīng)用于具體的實(shí)踐操作中，是數(shù)學(xué)理論與實(shí)踐操作相結(jié)合的典型案例．

4 自由研究活動的研究報告

《新數(shù)學(xué)》系列教材在自由研究活動中設(shè)置了“撰寫研究報告”這一欄目，要求學(xué)生選擇感興趣的課題，嘗試把自己對于該課題的思考和探究過程以文字、圖表和公式等形式總結(jié)成報告，并規(guī)定了研究報告撰寫的基本要求和基本構(gòu)成要素．其中，基本要求包括：(1)簡要易懂地說明自己是如何思考的；(2)在研究報告中使用圖、表、公式等容易讓讀者理解的方式呈現(xiàn)．研究報告的基本構(gòu)成要素見表2．

表2 研究報告的基本構(gòu)成要素

由表2可知，“動機(jī)與目的”重在引導(dǎo)學(xué)生回憶發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的過程，在整個自由研究活動中起引領(lǐng)作用；“方法”與“結(jié)果”是對活動所應(yīng)用的知識與方法的反思過程；而“考察”與“感想”則有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和情感等元認(rèn)知體驗(yàn)．通過撰寫研究報告，學(xué)生可以從多個角度對活動過程進(jìn)行剖析和反思，這一過程對于學(xué)生元認(rèn)知水平的提升具有重要意義．

5 啟示

通過對日本《新數(shù)學(xué)》系列教材中自由研究活動的主題選擇、活動方式、研究報告的歸納與分析，從中總結(jié)出綜合與實(shí)踐活動設(shè)置的日本經(jīng)驗(yàn)．基于此，為我國綜合與實(shí)踐活動的設(shè)置提出以下三條建議．

5.1 同時關(guān)注“縱向”與“橫向”類研究選題，開拓學(xué)生數(shù)學(xué)視野

通過綜合與實(shí)踐活動的開展拓寬學(xué)生的數(shù)學(xué)視野，引導(dǎo)學(xué)生多層次、多角度地認(rèn)識數(shù)學(xué)，這是綜合與實(shí)踐活動的應(yīng)有之義．選題是設(shè)置綜合與實(shí)踐活動的起始環(huán)節(jié)，主題類型的豐富性能夠開拓學(xué)生的數(shù)學(xué)視野．在選題過程中，教師不僅可關(guān)注一般性研究活動，還可設(shè)置與歷史、語言、美術(shù)、保健體育、科學(xué)技術(shù)等學(xué)科相融合的跨學(xué)科研究活動．一般性研究活動有利于促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)視野的“縱向”發(fā)展，是解決活動內(nèi)容去知識化和表層化實(shí)踐的有效途徑．而跨學(xué)科研究活動的設(shè)置則體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的廣泛應(yīng)用性，重在促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)視野的“橫向”延伸．這樣的活動主題設(shè)置對于學(xué)生體會數(shù)學(xué)應(yīng)用價值、開拓數(shù)學(xué)視野具有重要意義．

5.2 重視探究、寫作、動手等多元化活動方式，促進(jìn)學(xué)生的高階思維發(fā)展

高階思維是一種綜合性思維，常發(fā)生在元認(rèn)知、問題解決、應(yīng)用與創(chuàng)造性活動中[7]，包括批判性思維、創(chuàng)造性思維、問題解決能力和自我監(jiān)控能力等．活動方式是學(xué)生思維的外部表現(xiàn)，多元化的活動方式對于學(xué)生的高階思維發(fā)展具有重要意義．教師在預(yù)設(shè)綜合與實(shí)踐活動的活動方式時，可以參考自由研究活動的活動方式進(jìn)行設(shè)置．首先，數(shù)學(xué)探究型活動的設(shè)置應(yīng)對學(xué)生的數(shù)學(xué)抽象能力提出一定要求，還應(yīng)在活動的探究過程中發(fā)展學(xué)生的邏輯推理能力．在設(shè)置文獻(xiàn)查閱型活動時，教師要著重培養(yǎng)學(xué)生收集、整理、歸納、分析信息的能力，要引導(dǎo)學(xué)生針對目標(biāo)問題進(jìn)行文獻(xiàn)的整理與分析，并將認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行遷移與整合．在設(shè)置動手操作型活動時，應(yīng)注重學(xué)生親身參與動手操作，活動要具有一定的開放性，給學(xué)生更多的主動權(quán)，在學(xué)生的主動探索中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維．總之，在綜合與實(shí)踐活動的教學(xué)過程中，教師要有意識地預(yù)設(shè)多元化的活動方式供學(xué)生選擇，這將有助于學(xué)生高階思維的發(fā)展．

5.3 注重活動后研究報告撰寫任務(wù)的設(shè)置，提高學(xué)生元認(rèn)知水平

研究表明，對學(xué)生的反思能力進(jìn)行針對性的培訓(xùn)后，學(xué)生的數(shù)學(xué)元認(rèn)知水平有顯著提高[8]，而撰寫研究報告就是開展反思性學(xué)習(xí)的有效手段．自由研究活動規(guī)定了撰寫研究報告的基本范式，由“動機(jī)與目的”“方法”“結(jié)果”“考察”和“感想”五個基本要素組成．在綜合與實(shí)踐活動完成后，教師可以基于綜合與實(shí)踐活動的具體特征，參考日本教材中的研究報告撰寫范式，引導(dǎo)學(xué)生對活動的發(fā)現(xiàn)、提出、研究方法、研究結(jié)果以及活動所運(yùn)用的知識等進(jìn)行反思與評價．學(xué)生依據(jù)該范式對活動過程進(jìn)行剖析，將自身的探究過程顯性化，這可以使學(xué)生有意識地調(diào)節(jié)其認(rèn)知加工過程，在對數(shù)學(xué)活動的不斷反思中提高自身的數(shù)學(xué)元認(rèn)知水平．