劉海龍 徐輝 傅海倫T
摘? ?要
在數(shù)學(xué)素養(yǎng)逐漸成為中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)與測評(píng)核心目標(biāo)的背景下,辨析了結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題的特征,給出了結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題在近年高考全國卷的表現(xiàn),并結(jié)合結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題的素養(yǎng)測評(píng)效能評(píng)析,進(jìn)而提出解決結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題的教學(xué)策略和建議。在數(shù)學(xué)測評(píng)中合理設(shè)計(jì)運(yùn)用結(jié)構(gòu)不良問題,能夠誘導(dǎo)出反映學(xué)生數(shù)學(xué)知能水平的關(guān)鍵行為表現(xiàn),是數(shù)學(xué)教學(xué)和測評(píng)實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)導(dǎo)向的可行和有效途徑。
關(guān)鍵詞
高考? 結(jié)構(gòu)不良問題? 問題解決模式? 數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)
2019年12月,教育部考試中心正式發(fā)布了“一體四層四翼”的高考評(píng)價(jià)體系,在高中課程標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上提出了高考考查的數(shù)學(xué)學(xué)科素養(yǎng)——理性思維、數(shù)學(xué)應(yīng)用、數(shù)學(xué)探索和數(shù)學(xué)文化[1],完善了中學(xué)數(shù)學(xué)教育評(píng)價(jià)體系的關(guān)鍵一環(huán)。近年來,在課程標(biāo)準(zhǔn)與高考評(píng)價(jià)體系的指引下,高考命題以素養(yǎng)為導(dǎo)向[2],創(chuàng)新運(yùn)用了多種新題型,結(jié)構(gòu)不良問題是其中重要的一類[3]。
一、結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題的特征
對(duì)于特定的學(xué)習(xí)者而言,結(jié)構(gòu)良好問題與結(jié)構(gòu)不良問題是屬性相互對(duì)立的兩類問題,前者是問題的初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)、解決問題的模式(算子)三者都清晰明確的問題,而后者則是上述三種要素至少有一個(gè)沒有明確界定的問題[4]。
有關(guān)結(jié)構(gòu)良好的問題,常見于我們的學(xué)科課程之中,例如求解一元二次方程x2-x-1=0。這個(gè)問題的初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)以及解決問題的模式對(duì)于初中學(xué)生來說都是明確的,學(xué)生只要掌握必需的知識(shí),運(yùn)用一定的操作程序即可求得正確的答案,問題解決過程和答案都是穩(wěn)定的。而有關(guān)結(jié)構(gòu)不良問題,常源于實(shí)際生活,而且學(xué)生在未來生活中遇到的問題多數(shù)是結(jié)構(gòu)不良的,例如“病毒的傳播機(jī)制問題”。要解決這個(gè)問題,需要掌握一定的數(shù)學(xué)分析、微分方程、概率、統(tǒng)計(jì)等知識(shí)技能,在大量的醫(yī)學(xué)和社會(huì)學(xué)調(diào)查的基礎(chǔ)上,提出合理的病毒傳播的數(shù)學(xué)模型假設(shè),在解釋和運(yùn)用模型過程中,評(píng)估所建構(gòu)的模型對(duì)實(shí)際情況的估計(jì)和推斷的準(zhǔn)確性[5],并不斷對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整,以求得到對(duì)未來病毒傳播的更加準(zhǔn)確的預(yù)判。結(jié)構(gòu)良好問題和結(jié)構(gòu)不良問題的特征見表1。
對(duì)于解決結(jié)構(gòu)不良的數(shù)學(xué)問題,需要重構(gòu)問題給出的信息,對(duì)問題進(jìn)行充分的表征和分析,探尋問題解決的路徑,樹立評(píng)價(jià)意識(shí),要隨時(shí)對(duì)解題路徑的設(shè)計(jì)規(guī)劃、解題操作、最終效果進(jìn)行評(píng)估。在這個(gè)過程中,學(xué)生既是一名問題解決方案的設(shè)計(jì)者,也是一個(gè)問題解決的操作者。應(yīng)用場景多元、思考方式多元、解決方法多元、結(jié)論多元、評(píng)價(jià)多元,決定了合理運(yùn)用結(jié)構(gòu)不良問題,對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)問題解決模式的學(xué)習(xí)、認(rèn)知與元認(rèn)知能力提升、數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的提升、創(chuàng)造性才能的培養(yǎng)都是十分有利的。特別是在大規(guī)模數(shù)學(xué)考試中運(yùn)用的結(jié)構(gòu)不良問題,能發(fā)揮出許多結(jié)構(gòu)良好問題所不具備的優(yōu)勢,更為深入地評(píng)價(jià)學(xué)生在問題解決過程中的判斷能力、思辨能力、創(chuàng)新能力、探究能力,促進(jìn)學(xué)生形成應(yīng)對(duì)未來的生活和挑戰(zhàn)的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。
二、結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題在高考全國卷中的應(yīng)用
在數(shù)學(xué)考試測評(píng)中設(shè)計(jì)和運(yùn)用的結(jié)構(gòu)不良問題,首先,綜合考慮考試與測量評(píng)價(jià)目標(biāo)的要求。問題必須在課程標(biāo)準(zhǔn)、考試評(píng)價(jià)體系所確定的框架內(nèi)設(shè)計(jì)開發(fā),以測量評(píng)價(jià)學(xué)生數(shù)學(xué)能力為目的,在知識(shí)、技能、素養(yǎng)、價(jià)值觀等各維度均有明確的測量目標(biāo),對(duì)于數(shù)學(xué)教學(xué)具有啟示和導(dǎo)向的價(jià)值。其次,創(chuàng)設(shè)的問題需要貼近學(xué)生的社會(huì)認(rèn)知,與學(xué)生的學(xué)科知能素養(yǎng)水平相符,能讓多數(shù)學(xué)生在一定時(shí)間內(nèi)完成或部分完成試題,并可以通過考生的作答來判斷和鑒別考生在數(shù)學(xué)知識(shí)、技能、素養(yǎng)上的差異。為使結(jié)構(gòu)不良問題在數(shù)學(xué)考試中起到較好的測評(píng)效用,問題的規(guī)模不能太大,要控制問題發(fā)散的程度,可在問題初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)和問題解決模式這三個(gè)要素中,局部加入不確定性,使問題呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)不良的屬性,以滿足在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)水平考查的要求。
1.初始狀態(tài)和最終狀態(tài)不明晰的結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題
結(jié)構(gòu)不良問題可以采取條件開放或結(jié)論開放的形式構(gòu)建,為問題的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)呈現(xiàn)不確定性。例如,2020年新高考全國卷第17題:
試題設(shè)計(jì)了三個(gè)開放性的可選擇的條件,導(dǎo)致問題的結(jié)論同樣是開放的。學(xué)生可以比較容易地初步確定問題解決的方案,那就是先從問題已固化的條件出發(fā),進(jìn)一步挖掘信息,初步化歸條件,然后結(jié)合已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),觀察已知條件與待選條件之間是否存在有利的聯(lián)結(jié),進(jìn)而解出三角形,或者判定三角形不存在。這種方案的選擇大概率源于學(xué)生平日注重提升解題效率、尋求最優(yōu)化的解題方法的訓(xùn)練,因?yàn)榇蠖鄶?shù)學(xué)生潛意識(shí)里會(huì)認(rèn)為,不同的條件可能會(huì)對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算難度和計(jì)算量,通過解出三角形得到有解的結(jié)論會(huì)要比判定三角形無解來說更為有利。
正弦、余弦定理的運(yùn)用模式和化歸,是解決這個(gè)問題的首要的必備知識(shí)和關(guān)鍵能力。首先,已固化的條件sinA= sinB是兩個(gè)角的關(guān)系,而未固化的條件中則有兩個(gè)邊邊關(guān)系、一個(gè)邊角關(guān)系可選擇,所以,通過運(yùn)用正弦定理將兩個(gè)角的關(guān)系轉(zhuǎn)化為邊邊關(guān)系a= b,是學(xué)生容易想到的操作。得到這個(gè)關(guān)系后,最容易觀察到的就是可以結(jié)合條件③c=b,得到a=c= b,從而初步判斷此三角形是B=120°,A=C=30°的等腰三角形。而此后可以通過判斷sinA≠ sinB與題設(shè)矛盾而得到三角形不存在的結(jié)論,也會(huì)有相當(dāng)多的學(xué)生在后續(xù)解三角形過程中發(fā)現(xiàn)方程無解,才得以證明三角形并不存在。實(shí)際上,問題結(jié)合條件③后,只給出了等腰三角形的腰和底邊的比例以及底角,假如符合條件的三角形存在的話,將會(huì)是無數(shù)個(gè)相似的三角形,也并不能求出的c值。
當(dāng)然,此問題的解決模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上述幾種,但實(shí)際上各種模式之間沒有優(yōu)劣之分,只是體現(xiàn)了不同學(xué)生的思維特征和習(xí)慣的差異,涉及的計(jì)算量和思維含量相近,不論選擇什么路徑解決問題對(duì)學(xué)生來說都是公平的。
這道典型的結(jié)構(gòu)不良試題,立意于素養(yǎng)導(dǎo)向,立足于對(duì)必備知識(shí)和關(guān)鍵能力的考查,體現(xiàn)了方程思想和化歸思想的運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性的統(tǒng)一。試題通過構(gòu)造不明晰的問題初始狀態(tài)和最終狀態(tài),增強(qiáng)但又合理限制了試題的開放性,為學(xué)生的作答提供了充分的反應(yīng)空間,體現(xiàn)了探究性和問題解決模式的自主建構(gòu),是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)良好的問題較難實(shí)現(xiàn)的??忌粌H僅要解決問題,還要設(shè)計(jì)解決問題的方案和路徑,預(yù)設(shè)各種可能性并思考應(yīng)對(duì)的方法,并隨著問題解決的推進(jìn),時(shí)刻評(píng)估解題操作成功的可能性。
2.問題解決模式不明晰的結(jié)構(gòu)不良數(shù)學(xué)問題
高考試題在創(chuàng)制時(shí),問題的初始狀態(tài)雖然以學(xué)生熟悉的內(nèi)容為基礎(chǔ),但常立足于知識(shí)交匯,體現(xiàn)數(shù)學(xué)思維的創(chuàng)新。當(dāng)知識(shí)的聯(lián)結(jié)和解題模式超出學(xué)生既有的經(jīng)驗(yàn)時(shí),解決問題的操作模式就會(huì)變得模糊和不確定,需要學(xué)生創(chuàng)造性地建構(gòu)解題路徑,探尋解題的方法。例如,2020全國新課標(biāo)I卷(理科)第12題:
若2a+log2a=4b+2log4b,則
A.a>2b? ? ?B.a<2b? ? ?C.a>b2? ? D.a 問題給出的條件方程和目標(biāo)狀態(tài)都是明確的,但顯然不可能通過解方程或賦值法找到答案,問題的解決模式需要進(jìn)一步探尋。學(xué)生比較容易想到的是將指數(shù)式和對(duì)數(shù)式分離,并且調(diào)整指數(shù)式和對(duì)數(shù)式的底數(shù)進(jìn)行化歸,從而找到問題解決的契機(jī)。即由條件得2a-22b=log2b-log2a=log2(b/a),(a>0,b>0)。經(jīng)此操作,既在等式左側(cè)構(gòu)造出了與A、B選項(xiàng)相關(guān)的差式,又可以進(jìn)一步通過對(duì)數(shù)運(yùn)算化簡等式右側(cè)。此時(shí),問題解決的模式已經(jīng)明晰起來,即要想比較兩個(gè)指數(shù)式的大小,實(shí)際上就是要討論a與b的大小關(guān)系: