HPM課例研究中的教學(xué)研討主題

汪曉勤

(華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 200062)

近年來(lái)，HPM課例研究的對(duì)象逐漸由單一的新課擴(kuò)展到單元教學(xué)、復(fù)習(xí)課教學(xué)，教師對(duì)于數(shù)學(xué)史料的需求日益增加；而隨著HPM課例的涌現(xiàn)，他們對(duì)于教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的要求也在不斷提高.HPM課例研究包含“選題與準(zhǔn)備”“研討與設(shè)計(jì)”“實(shí)施與評(píng)價(jià)”“整理與寫作”四個(gè)環(huán)節(jié)，其中，“研討與設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)是課例成敗的關(guān)鍵，若研討的方向不明確，效果勢(shì)必會(huì)大打折扣.

另一方面，在后疫情時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)研修業(yè)已成為教師專業(yè)發(fā)展的重要途徑之一.來(lái)自不同地區(qū)、不同學(xué)校、具有不同教育背景和不同教齡的一線教師和高校研究者定期相聚云端，針對(duì)同一主題的教學(xué)設(shè)計(jì)開展深入的研討，這種無(wú)門檻、無(wú)費(fèi)用、便利高效的教研形式深受那些有強(qiáng)烈學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的教師的歡迎，但如何讓教師在網(wǎng)絡(luò)研修中真正有收獲，是組織者需要深入思考的問(wèn)題.

“內(nèi)容呈現(xiàn)”和“認(rèn)知需求”是HPM課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，前者指的是數(shù)學(xué)史料的科學(xué)性、可學(xué)性、有效性、人文性和趣味性，而后者指的是數(shù)學(xué)史料的運(yùn)用方式[1]，也就是教師在教學(xué)中“用什么數(shù)學(xué)史料”和“如何用數(shù)學(xué)史料”的問(wèn)題.本文以HPM網(wǎng)絡(luò)研修的若干知識(shí)點(diǎn)為例，初步呈現(xiàn)教學(xué)研討的一個(gè)內(nèi)容框架.

1 追本溯源

HPM視角下數(shù)學(xué)教學(xué)的基本理念是“再創(chuàng)造”，即讓學(xué)生親歷知識(shí)的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程.數(shù)學(xué)史可以幫助教師在課堂上構(gòu)建“知識(shí)之諧”，營(yíng)造“探究之樂(lè)”，實(shí)現(xiàn)“能力之助”，為此，教師需要以數(shù)學(xué)史為參照系設(shè)計(jì)探究活動(dòng).因此，數(shù)學(xué)主題的源與流理應(yīng)成為教學(xué)研討最重要的內(nèi)容.

中國(guó)古代數(shù)學(xué)家尚未將數(shù)系從有理數(shù)擴(kuò)充到實(shí)數(shù)，但上述運(yùn)算法則顯然也適用于實(shí)數(shù).因此，對(duì)于任意非零實(shí)數(shù)a和b，絕對(duì)值不等式|a±b|≤|a|+|b|均成立.當(dāng)a或b等于零時(shí)，上述不等式顯然也成立.因此，絕對(duì)值不等式對(duì)于任意實(shí)數(shù)均成立.這里我們看到，絕對(duì)值不等式源于實(shí)數(shù)的運(yùn)算，了解了這一點(diǎn)，我們就能理解數(shù)學(xué)史融入絕對(duì)值不等式教學(xué)的意義了.

教科書將上述不等式稱為“三角不等式”，對(duì)教師起了誤導(dǎo)作用.例如，有的教師會(huì)從向量的不等式(真正的“三角不等式”)|a+b|≤|a|+|b|出發(fā)引入絕對(duì)值不等式，與絕對(duì)值不等式的歷史序相悖.事實(shí)上，A.A.Bennett于1921年首次提出關(guān)于范數(shù)的三角不等式‖r1+r2‖≤ ‖r1‖+‖r2‖[2].

之后，數(shù)學(xué)家根據(jù)向量減法的三角形法則提出關(guān)于向量的三角不等式，如J.L.Kelley在《近世代數(shù)引論》中將向量a,b和c之間的關(guān)系|a-b|+|b-c|≥|a-c|①稱為“三角不等式”[3](圖1)，而將不等式|a+b|≤|a|+|b|視為①的特殊情形；N.D.Kazarinoff在《解析不等式》中則借助復(fù)平面建立了復(fù)數(shù)w和z之間的三角不等式|w±z|≤|w|+|z|[4](圖2).

圖1 向量的三角不等式 圖2 復(fù)數(shù)的三角不等式

但是，實(shí)數(shù)的絕對(duì)值不等式與三角形并無(wú)關(guān)系，只因它與向量或復(fù)數(shù)的三角不等式形似，故編者采用了同樣的名稱.只有正本清源，才不會(huì)望文生義，誤入歧途.

2 想方設(shè)法

HPM視角下數(shù)學(xué)命題或公式的教學(xué)，注重命題或公式的不同證明方法，彰顯“方法之美”、實(shí)現(xiàn)“能力之助”，是數(shù)學(xué)史的兩類基本價(jià)值.教學(xué)設(shè)計(jì)研討的目的之一在于提供豐富的素材，打開教師的思路，拓寬教師的思維.例如，關(guān)于均值不等式，常用的方法有趙爽弦圖模型和歐幾里得半圓模型等，但還可以嘗試更多的方法，《九章算術(shù)》中的勾股容方問(wèn)題可以用來(lái)構(gòu)造新的幾何模型.

圖3 均值不等式證明之一 圖4 均值不等式證明之二

圖5 均值不等式證明之三 圖6 均值不等式證明之四

圖7 均值不等式證明之五 圖8 均值不等式證明之六

上述證明表明，古為今用，數(shù)學(xué)史料可以幫助我們揭示均值不等式豐富的幾何內(nèi)涵.

關(guān)于正弦定理，教師通常采用作高法進(jìn)行證明，簡(jiǎn)潔卻不夠直觀.我國(guó)清初數(shù)學(xué)家梅文鼎(1633—1721)在其《平三角舉要》中已運(yùn)用了轉(zhuǎn)化思想證明正弦定理.實(shí)際上，翻開歷史的畫卷，正弦定理的證明豐富多彩[5]，其基本思路是通過(guò)構(gòu)造相似三角形，將角的正弦之比轉(zhuǎn)化為相似三角形對(duì)應(yīng)邊的比.

證法1 如圖9，在△ABC中，AC>AB，延長(zhǎng)BA至E，使得BE=AC，分別過(guò)點(diǎn)A和E作BC的垂線，垂足為D和F，于是sinB∶sinC=EF∶AD=BE∶AB=AC∶AB.

圖9 正弦定理的證明之一 圖10 正弦定理的證明之二

證法3 如圖11，在△ABC中，過(guò)點(diǎn)B和C作AC和AB的垂線，垂足分別為D和E，則sinB∶sinC=CE∶BD=AC∶AB.

圖11 正弦定理的證明之三 圖12 正弦定理的證明之四

證法4 如圖12，在△ABC中，AC>AB，在AC上取點(diǎn)E，使得AE=AB，過(guò)點(diǎn)A作BC的垂線，垂足為D.又過(guò)點(diǎn)A作BC的平行線AF，過(guò)點(diǎn)E作AF的垂線，垂足為F，則sinB∶sinC=sinB∶sin∠EAF=AD∶EF=AC∶AE=AC∶AB.

上述證明表明，正弦定理背后蘊(yùn)含著轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)思想，相似三角形是溝通幾何學(xué)與三角學(xué)的一座橋梁.

3 探賾索隱

眾所周知，任何數(shù)學(xué)主題都不可能是孤立的存在，碎片化的教學(xué)不足以讓學(xué)生達(dá)到關(guān)系性理解.教學(xué)設(shè)計(jì)(特別是單元教學(xué)設(shè)計(jì))中，教師需要揭示知識(shí)之間的聯(lián)系，而數(shù)學(xué)史可以幫助我們建立這樣的聯(lián)系，從而為學(xué)生提供探究機(jī)會(huì)，提升理解層次，落實(shí)高階思維，發(fā)展核心素養(yǎng).

以圓錐曲線為例，古希臘數(shù)學(xué)家梅奈克繆斯用垂直于圓錐母線的平面截圓錐，當(dāng)圓錐的頂角分別為銳角、直角和鈍角時(shí)，所截得的曲線分別稱為銳角、直角和鈍角圓錐曲線.后來(lái)，阿波羅尼奧斯用與母線具有不同位置關(guān)系的平面去截同一個(gè)圓錐，分別得到同樣的三種曲線，根據(jù)畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的面積貼合理論，更深刻地揭示了三者之間的統(tǒng)一性，并據(jù)此重新對(duì)其進(jìn)行了命名，這就是ellipse(橢圓)、hyperbola(雙曲線)和parabola(拋物線)的起源.在圓錐曲線單元教學(xué)中，我們可以從標(biāo)準(zhǔn)方程出發(fā)來(lái)揭示三種曲線之間的統(tǒng)一性.

MUSIC算法是現(xiàn)代譜估計(jì)中的一種功率譜估計(jì)方法，基本原理是對(duì)信號(hào)Tx進(jìn)行特征分解，獲取兩個(gè)相互正交的子空間，分別對(duì)應(yīng)信號(hào)子空間Ts和噪聲子空間Tn，再利用其正交性構(gòu)造出空間譜函數(shù).過(guò)程可表示為

圖13 橢圓方程的幾何意義

圖14 雙曲線方程的幾何意義

如圖15，已知雙曲線y2=2px(p>0)的頂點(diǎn)為A，P(x,y)為拋物線上異于A的任意一點(diǎn)，過(guò)P向x軸引垂線，垂足為Q.CD為垂直于x軸的焦點(diǎn)弦(稱為拋物線的通徑)，易知CD=2p.過(guò)A作x軸的垂線，且在垂線段上(位于x軸下方)取AE=CD，過(guò)E作x軸的平行線，交PQ的延長(zhǎng)線于F，QF=AE=2p.

圖15 拋物線方程的幾何意義

由拋物線方程得PQ2=AQ×QF，故得拋物線方程的幾何意義：矩形AEFQ的面積等于PQ2.根據(jù)面積貼合理論，在長(zhǎng)度為通徑的線段AE上作一個(gè)長(zhǎng)為AQ、面積等于PQ2的矩形，該矩形的寬恰好等于AE.因矩形AEFQ恰好占滿AE，故稱拋物線為齊曲線.

可見(jiàn)，三種圓錐曲線方程的幾何意義揭示了它們之間的統(tǒng)一性.

又如，今日教科書并未揭示正弦定理和余弦定理之間的密切關(guān)系，而歷史上數(shù)學(xué)家已經(jīng)證明了兩者之間的等價(jià)關(guān)系.

又由正弦定理得asinB=bsinA，于是有a2sin2B=b2sin2A，即a2=b2+a2cos2B-b2cos2A=b2+(acosB+bcosA)(acosB-bcosA)=b2+c(c-2bcosA).同理可得另兩個(gè)等式.實(shí)際上，平面三角中的和角公式、射影公式、正弦定理和余弦定理之間有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，如圖16所示.

圖16 平面三角公式與定理之間的聯(lián)系

4 登高望遠(yuǎn)

圖17 函數(shù)觀點(diǎn)下的絕對(duì)值不等式

HPM課例研究的主要目的是利用數(shù)學(xué)史料來(lái)改善教學(xué)，但教學(xué)設(shè)計(jì)研討不可能僅僅局限于古代的數(shù)學(xué)史料上.事實(shí)上，在德國(guó)數(shù)學(xué)家F·克萊因(F.Klein,1849—1925)之前，函數(shù)概念并非中學(xué)數(shù)學(xué)課程的核心概念，人們很少用函數(shù)觀點(diǎn)來(lái)看待中學(xué)數(shù)學(xué)課程中的主題.因此，HPM研究者還需要以更寬廣的視野去研究有關(guān)主題的歷史.

5 質(zhì)疑問(wèn)難

正如做一道好菜既需要好的食材也需要好的烹飪技術(shù)一樣，從HPM的視角上一節(jié)好課，既需要好的數(shù)學(xué)史料也需要好的運(yùn)用策略.如何將數(shù)學(xué)史料融入教學(xué)設(shè)計(jì)，特別是如何利用數(shù)學(xué)史料編制理想的數(shù)學(xué)問(wèn)題，是教學(xué)研討的重要主題.

基于數(shù)學(xué)史的問(wèn)題提出策略包括復(fù)制式、情境式、條件式、目標(biāo)式、對(duì)稱式、串聯(lián)式和自由式七類，表1給出了不同類型的史料與問(wèn)題提出策略之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[6].

表1 基于數(shù)學(xué)史料的問(wèn)題提出策略

例如，阿波羅尼奧斯在《圓錐曲線論》中給出以下命題[7]：如圖18，設(shè)P是圓、橢圓或雙曲線上一點(diǎn)，過(guò)P向?qū)ΨQ軸引垂線，垂足為Q，T是對(duì)稱軸上位于曲線外的一點(diǎn)，滿足TB∶TA=QB∶QA，則TP為曲線在點(diǎn)P處的切線.由該命題可得圓錐曲線切線的尺規(guī)作圖方法：如圖18，設(shè)點(diǎn)P是圓、橢圓或雙曲線上一點(diǎn)，AB為直徑、長(zhǎng)軸或?qū)嵼S，在AB延長(zhǎng)線(或AB)上取一點(diǎn)C(C位于曲線外部)，使得BQ=BC，過(guò)點(diǎn)B作AP的平行線，交AB在點(diǎn)C處的垂線于點(diǎn)D，連結(jié)DP，交AB延長(zhǎng)線或AB于點(diǎn)T，則TP即為所求的切線.事實(shí)上，根據(jù)作圖法有TB∶TA=BD∶AP=BC∶AQ=QB∶QA.據(jù)此我們可以采用自由式策略提出以下解析幾何問(wèn)題：

圖18 圓和圓錐曲線切線的作圖

設(shè)點(diǎn)P是圓x2+y2=a2上一點(diǎn)，AB為直徑，PQ⊥AB，垂足為Q.在AB延長(zhǎng)線上取一點(diǎn)C，使得BQ=BC，過(guò)點(diǎn)B作AP的平行線，交AB在點(diǎn)C處的垂線于點(diǎn)D.試證明：DP為圓在點(diǎn)P處的切線.類似地，你能給出橢圓和雙曲線的切線作圖法嗎？

數(shù)學(xué)史為數(shù)學(xué)問(wèn)題的編制提供了取之不盡、用之不竭的資源.

6 歸根結(jié)底

在教學(xué)研討中發(fā)現(xiàn)，許多教師在運(yùn)用數(shù)學(xué)史料時(shí)往往忘了“初心”，即未能深入思考為什么要采用HPM的視角、數(shù)學(xué)史究竟有什么獨(dú)特的價(jià)值、用HPM和不用HPM究竟有何不同，在實(shí)際教學(xué)中，也缺乏對(duì)整節(jié)課的提煉和升華.教學(xué)研討中，對(duì)于HPM視角下的一份教學(xué)設(shè)計(jì)，至少可從數(shù)學(xué)思想(方法之美)、核心素養(yǎng)(能力之助)、數(shù)學(xué)文化(文化之魅)、學(xué)科德育(德育之效)等角度加以總結(jié).

例如，“絕對(duì)值不等式”的一種教學(xué)設(shè)計(jì)如下：從歷史上的等周問(wèn)題中，抽象出等周矩形的最大面積問(wèn)題，從而引出均值不等式；引導(dǎo)學(xué)生用代數(shù)方法和幾何方法(勾股容方模型)對(duì)不等式加以證明；再用海倫公式和均值不等式來(lái)解決古希臘的三角形等周問(wèn)題：底邊固定的所有等周三角形中，面積最大的三角形具有什么形狀？這樣一份教學(xué)設(shè)計(jì)運(yùn)用了三種數(shù)學(xué)思想——從特殊到一般、數(shù)形結(jié)合和化歸，落實(shí)了三種核心素養(yǎng)——數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理和直觀想象，呈現(xiàn)了三種文化元素——知識(shí)源流、社會(huì)角色和多元文化，體現(xiàn)了三種德育價(jià)值——理性、信念和品質(zhì).

圖19 特殊直角三角形中的邊角關(guān)系

以上我們呈現(xiàn)了HPM視角下教學(xué)研討的一個(gè)較為完整的內(nèi)容框架，其中，“追本溯源”“想方設(shè)法”“探賾索隱”和“登高望遠(yuǎn)”解決的是“用什么數(shù)學(xué)史料”的問(wèn)題，“質(zhì)疑問(wèn)難”解決的是“如何用數(shù)學(xué)史料”的問(wèn)題，“歸根結(jié)底”解決的則是“為何用數(shù)學(xué)史料”的問(wèn)題.我們有理由相信，在HPM教學(xué)理念廣泛傳播和教師在線學(xué)習(xí)研修常態(tài)化的今天，基于該框架的教學(xué)研討，對(duì)于確保HPM課例質(zhì)量、促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展、深化HPM實(shí)踐研究必將產(chǎn)生積極的影響.