【摘要】“圓”作為初中階段圖形與幾何領(lǐng)域的必學(xué)內(nèi)容,一直是教師教學(xué)的重點和難點.選取中國和加拿大教材中“圓”幾何學(xué)單元作為研究對象,分別從內(nèi)容結(jié)構(gòu)、呈現(xiàn)方式、題目設(shè)置和信息技術(shù)四個維度對其進行比較.基于研究結(jié)果,為我國教材建設(shè)提供可行性建議.
【關(guān)鍵詞】比較研究;初中數(shù)學(xué);教材研究;圓
1問題提出
縱觀百年課改歷史,傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容以精簡為主,我國上一輪課改也對平面幾何課程動了大手術(shù),必學(xué)的內(nèi)容越來越少;作為義務(wù)教育階段必學(xué)的“圓”,一些看上去稍有難度的內(nèi)容甚至干脆刪除[1].然而,從國際視角來看,很多國家都非常重視學(xué)生對于“圓”內(nèi)容的學(xué)習(xí),如日本、韓國和美國對于內(nèi)容所呈現(xiàn)的定理對應(yīng)的幾何思維水平要求比中國更高[2-3].通過對比不同國家的數(shù)學(xué)教材,可以讓我們學(xué)習(xí)其他國家教材的優(yōu)點,從而完善我們的教材,讓其變得更好被接受和理解.
加拿大對教育事業(yè)的發(fā)展高度重視,基礎(chǔ)教育改革呈現(xiàn)出獨特的風(fēng)格.由于各省之間教育體系的差別,加拿大沒有全國統(tǒng)一的教材,相比而言,Math Makes Sense 這版教材的使用范圍相對較廣,能夠滿足不同學(xué)生的需求[4].本文選取的是Math Makes Sense的G9第8單元“圓幾何學(xué)”(以下簡記為加拿大教材)和我國人民教育出版社教科書數(shù)學(xué)九年級上冊第二十四章“圓”(以下簡記為人教版教材)進行比較研究,以期對我國的“圓”內(nèi)容改革有所啟示.
2內(nèi)容結(jié)構(gòu)比較
將兩國教材中“圓”內(nèi)容的章節(jié)目錄進行比較,結(jié)果如表1所示.
從表1中可以看出:
第1,從章節(jié)安排來看,兩國教材在內(nèi)容設(shè)置的順序上有所不同.人教版的順序是從圓的概念入手,探究圓的性質(zhì)、圓中有關(guān)的角、點與圓、直線與圓、圓與正多邊形之間的位置和數(shù)量關(guān)系,側(cè)重于“圓”知識學(xué)習(xí)的完整性和系統(tǒng)性,重視圖形的性質(zhì)、圖形的變化和圖形的證明的有機結(jié)合.加拿大教材的順序是探究圓的切線、弦和角的性質(zhì),側(cè)重于圖形性質(zhì)的探索過程,重視直觀感知、操作實驗和邏輯推理的有機結(jié)合.
第2,從教學(xué)內(nèi)容安排來看,加拿大教材中“圓”的內(nèi)容更加詳細.據(jù)統(tǒng)計,“圓”內(nèi)容的對應(yīng)篇幅數(shù),人教版47頁,加拿大教材40頁;知識點數(shù),人教版37個,加拿大教材32個.兩國教材篇幅相差不大,相比加拿大教材,人教版雖在內(nèi)容上新增了圓與多邊形的關(guān)系(扇形和弧長知識點加拿大在G8第八單元已經(jīng)介紹過),但加拿大教材在垂徑定理的推論、弦切角、圓周角與圓外角的關(guān)系等知識點上均深入介紹過.相比之下,我國教材雖然涉及知識點更多,但沒有加拿大教材呈現(xiàn)的詳細和深入.
3呈現(xiàn)方式比較
3.1總體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)方式比較
人教版“圓”內(nèi)容總體結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)方式是:章前言→各節(jié)知識內(nèi)容→本節(jié)習(xí)題→閱讀思考→數(shù)學(xué)活動→本章小結(jié)→本章復(fù)習(xí)題.其中每小節(jié)的知識呈現(xiàn)按照“探究→知識講解→例題教學(xué)→練習(xí)”的方式展開.新知識的呈現(xiàn)多以設(shè)問的形式導(dǎo)出,并且在每一個知識呈現(xiàn)后會有嚴謹?shù)倪壿嬐评?,使推理論證成為學(xué)生觀察、實驗、探究得出結(jié)論后的自然延續(xù),展現(xiàn)思維過程.符合《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標準(2022年版)》提出的“讓學(xué)生經(jīng)歷歸納、概括事物本質(zhì)的過程,獲得數(shù)學(xué)概念等研究對象”[5]的相關(guān)要求.
加拿大教材的知識呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)有所不同.其整體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)方式是:本章目標→關(guān)鍵詞→各節(jié)知識內(nèi)容→幾何軟件操作驗證→章節(jié)期中測試→學(xué)習(xí)指南→章末復(fù)習(xí).每小節(jié)呈現(xiàn)方式較為固定,通常為:每節(jié)目標呈現(xiàn)→操作探究→反思和小組分享→知識呈現(xiàn)→例題教學(xué)→討論思考→本節(jié)練習(xí)→本節(jié)回顧.在例題教學(xué)中配有詳細的解答過程和所運用的知識點,考慮到了所有學(xué)生的學(xué)習(xí)需要;在每道練習(xí)題之后會有設(shè)問“你用到了哪些圓的性質(zhì)解決問題?”相當于對之前問題的回顧與反思.
相比較而言,人教版在知識講解上遵循先思考探究再推理證明的過程,重視研究方法的引導(dǎo),使學(xué)生在熟悉“規(guī)范證明”的基礎(chǔ)上,推理論證能力有所提高和發(fā)展.加拿大教材則淡化了定理證明的內(nèi)容,在歷經(jīng)動手操作和測量后,開門見山式地給出概念、性質(zhì)或定理.
從“圓”知識總體呈現(xiàn)方式來看,人教版主要按照“圓中弦的性質(zhì)→角的性質(zhì)→切線的性質(zhì)”的順序編排;加拿大教材則是以“切線的性質(zhì)→弦的性質(zhì)→角的性質(zhì)”展開,可以發(fā)現(xiàn)兩種教材在圓相關(guān)性質(zhì)的呈現(xiàn)方式是相反的.
3.2相同內(nèi)容呈現(xiàn)方式比較
(1)垂徑定理
兩國教材在垂徑定理的導(dǎo)入有相似之處,均鼓勵學(xué)生通過折疊圓形紙片發(fā)現(xiàn)圓的對稱性,結(jié)合圓的對稱性發(fā)現(xiàn)垂徑定理及其推論.但在知識呈現(xiàn)的形式上兩國教材有明顯區(qū)別.人教版通過嚴謹?shù)膸缀巫C明得到了垂徑定理的內(nèi)容“垂直于弦的直徑平分弦,并且平分弦所對的兩條弧”進一步得到垂徑定理的推論.但通過進一步的探索會發(fā)現(xiàn),垂直于弦的線段不一定非得是直徑,只需要一條經(jīng)過圓心的線段垂直于弦即可得到垂徑定理的相關(guān)結(jié)論.這一點在教材上沒有明確地說明,但在例題教學(xué)中呈現(xiàn)了一般情況,需要教師進一步做解釋和說明.相比之下,加拿大教材的呈現(xiàn)方式更加直觀.如圖1,其在講解垂徑定理條件時運用的文字是“過圓心垂直于弦的線段”并且以圖例,文字說明和數(shù)學(xué)語言的推理過程解釋垂徑定理及其推論.
在垂徑定理的例題教學(xué)部分,兩國教材均從不同的角度引導(dǎo)學(xué)生理解和運用垂徑定理.人教版以計算趙州橋的半徑為例讓學(xué)生在實際背景中結(jié)合垂徑定理和勾股定理解決求值問題.加拿大教材則是提供了三個例子,分別是在三角形中求角度、結(jié)合勾股定理求長度和運用弦的性質(zhì)求出水面最深處的實際問題.兩國教材在例題教學(xué)部分均展示了詳細的解答過程,幫助學(xué)生理解垂徑定理的運用.
(2)切線的性質(zhì)
在呈現(xiàn)切線的性質(zhì)時兩國教材有著異曲同工之妙.均規(guī)避了對于學(xué)生而言較為困難嚴謹?shù)膸缀巫C明過程,加拿大教材通過讓學(xué)生自己測量切線和過切點的半徑形成的角度得到結(jié)論“圓的切線垂直于過切點的半徑”.人教版則運用切線的判定定理引導(dǎo)學(xué)生思考切線與過切點的半徑的位置關(guān)系,直接給出了切線的性質(zhì)定理,不要求學(xué)生掌握反證法的證明方法.與人教版不同之處在于,加拿大教材在介紹完切線的性質(zhì)后,羅列了三個對應(yīng)例題.讓筆者眼前一亮的是題目呈現(xiàn)了兩條切線并要求學(xué)生尋找圓心的位置,既考查了切線性質(zhì)的運用,同時訓(xùn)練了學(xué)生尺規(guī)作圖的能力,如圖2.
(3)圓周角定理
加拿大教材在圓周角定理的證明上比較簡單,通過讓學(xué)生測量同弧所對的圓周角和圓心角的關(guān)系后得到同弧所對圓周角和圓心角的關(guān)系.并且教材所展示圖例也很單一,僅考慮了圓心在圓周角內(nèi)部的這一種情況.人教版非常重視圓周角定理的證明,教材運用了完全歸納法來證明圓周角定理.以圓上任意一點為頂點的圓周角雖然有無數(shù)多個,但它們與圓心的位置關(guān)系歸納起來只有三種情況:圓心在角的一邊上;圓心在角的內(nèi)部;圓心在角的外部.因此,圓周角定理的證明有三種情況,如圖3.這樣的安排有利于讓學(xué)生理解分類證明的必要性,進一步培養(yǎng)其推理論證的能力.
4題目設(shè)置比較
4.1題目數(shù)量比較
人教版“圓”部分的題目分四種類型:例題、練習(xí)、每小節(jié)對應(yīng)的習(xí)題和章末的復(fù)習(xí)題.其中習(xí)題和章末復(fù)習(xí)題分為三個層次:復(fù)習(xí)鞏固、綜合運用和拓廣探索.加拿大教材“圓”部分的題目共有四種類型:例題、練習(xí)、章節(jié)期中復(fù)習(xí)題和章末復(fù)習(xí)題.此外,在加拿大教材的練習(xí)中會引入新的知識點,例如切線長定理、圓內(nèi)接四邊形對角互補、弦切角等內(nèi)容均在練習(xí)部分加以說明,而未在正文展示.這就解釋了為什么在目錄中加拿大教材僅有三節(jié)內(nèi)容,但在篇幅和知識點數(shù)量上卻與人教版相差不大的情況.因此,加拿大教材的練習(xí)不僅僅是鞏固知識,還承載著拓展新知識點的功能.兩國“圓”部分題目數(shù)量比較見表2,括號中的百分比表示該部分題在總題目數(shù)量中所占的比例.
從表2可以看出,兩國教材在例題部分占比旗鼓相當,說明兩者對于示范教學(xué)的重視程度相近.加拿大教材在練習(xí)題部分的比重明顯多于人教版,說明其更加重視對知識點的及時訓(xùn)練和鞏固.但在復(fù)習(xí)題部分,加拿大教材卻是望塵莫及,反映出人教版更強調(diào)課后的鞏固復(fù)習(xí),這也許和中國實行雙基教育有著悠久的歷史有關(guān).與人教版有所不同的是,加拿大教材還包含了章節(jié)期中復(fù)習(xí)題,這說明其重視對學(xué)生階段學(xué)習(xí)的檢測.
4.2題目難度比較
在習(xí)題難度比較方面,借鑒吳立寶等對習(xí)題難度的刻畫方式[6]對比兩國教材“圓”章節(jié)習(xí)題的難度.習(xí)題難度N從要求水平(YQ)、知識點個數(shù)(ZS)、習(xí)題背景(BJ)三個方面進行刻畫,權(quán)重分別取0.38,0.36和0.26.
1.要求水平
根據(jù)圓內(nèi)容部分特點,將習(xí)題要求水平分為模仿、理解、運用、探究,分別賦值1,2,3,4.兩個版本教科書圓習(xí)題要求水平情況如表3.
2.知識點個數(shù)
知識點個數(shù)分為含1個知識點、含2個知識點、含3個知識點、含4個知識點以及以上四級,分別賦值1,2,3,4.兩國教材“圓”習(xí)題包含知識點個數(shù)情況見表4.
3.習(xí)題背景
習(xí)題背景主要分為無背景、個人生活背景、公共常識背景、科學(xué)背景四級,分別賦值1,2,3,4.兩國教材“圓”習(xí)題背景情況如表5.
4.習(xí)題難度
將兩個版本“圓”習(xí)題在要求水平、知識點個數(shù)和習(xí)題背景三個維度的結(jié)果進行匯總,情況見表6.
5信息技術(shù)使用的比較
加拿大教材十分關(guān)注信息技術(shù)的運用.在“圓”章節(jié)中有4頁篇幅的內(nèi)容在詳細說明如何用幾何軟件驗證所學(xué)知識.在學(xué)習(xí)完切線性質(zhì)和垂徑定理后,教材安排了章節(jié)的第一次信息技術(shù)的詳細學(xué)習(xí).內(nèi)容設(shè)置類似軟件的使用說明書,教學(xué)生分7步驗證切線的性質(zhì);再分6步驗證垂徑定理,學(xué)生可以獨立地按照步驟自己進行軟件操作.第二次信息技術(shù)的細致學(xué)習(xí)被安排在學(xué)習(xí)完圓周角定理之后,構(gòu)造的圓周角情況十分周全,教學(xué)生拖動動點位置不僅可以在劣弧上,同時也在優(yōu)弧上運動,嚴謹?shù)仳炞C了圓周角定理.
加拿大教材在“圓”章節(jié)中共有12處運用了信息技術(shù),其中包括用動態(tài)幾何軟件驗證定理,用圖形計算器計算例題中的線段長度.在專欄“我如何學(xué)好數(shù)學(xué)”中,詳細說明了運用幾何軟件和計算器研究數(shù)學(xué)的優(yōu)勢,便于直觀理解.
相比之下,人教版在“圓”章節(jié)僅有兩處提及了信息技術(shù)的運用.一處是在圓周角定理的證明時,提示學(xué)生可以用計算機軟件度量圓周角和圓心角,鼓勵有條件的同學(xué)嘗試.另一處是在研究直線和圓的位置關(guān)系時,說明可以利用信息技術(shù)工具研究直線和圓的位置關(guān)系.但兩處都只是簡單的敘述,沒有具體的操作步驟.相比我國教材,加拿大教材在很多地方均使用了信息技術(shù).我國教材中的信息技術(shù)形同虛設(shè),教師在教學(xué)中也不夠重視[7].
6對我國教材建設(shè)的啟示
6.1適當調(diào)整教材結(jié)構(gòu),豐富欄目設(shè)計
學(xué)習(xí)“圓”章節(jié)不僅要研究圓中的基本要素,還要探索與圓有關(guān)的性質(zhì),故而其本身內(nèi)容十分豐富,并且學(xué)習(xí)“圓”的內(nèi)容時經(jīng)常要用到前面學(xué)過的幾何知識.因此“圓”章節(jié)綜合性很強,是老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的重點和難點.人教版的呈現(xiàn)方式是以問題思考為引子,歷經(jīng)操作探究和幾何證明后習(xí)得定理和性質(zhì),再運用知識完成例題和習(xí)題,然而卻缺乏了引導(dǎo)學(xué)生自我反思和內(nèi)化知識的過程.相比之下,加拿大教材在每小節(jié)之后增設(shè)了反思的欄目,引導(dǎo)學(xué)生畫思維導(dǎo)圖,或以文字梳理的方式回顧本節(jié)內(nèi)容和知識.反思欄目會讓學(xué)生舉生活中的實例來說明定理和性質(zhì),或者舉一些社會話題讓學(xué)生感知圓有關(guān)的性質(zhì)在生活中的運用.如在8.1切線的性質(zhì)末尾,加拿大教材聯(lián)系奧運五環(huán)的位置關(guān)系增強學(xué)生對性質(zhì)的理解.
為了加強圓知識間的聯(lián)系與綜合,兩國教材均設(shè)置了章末小結(jié).我國教材的章末小結(jié)以知識結(jié)構(gòu)圖和六個問題總結(jié)本章內(nèi)容;而加拿大教材則將本章涉及的所有定理和性質(zhì)以“圖示+文字”的方式回顧本章內(nèi)容.兩種方式都可以有效地將本章內(nèi)容聯(lián)系起來,形成知識網(wǎng).此外加拿大教材還增設(shè)了學(xué)習(xí)指南的欄目,介紹了學(xué)習(xí)圓相關(guān)知識的三種策略:可以通過動手操作、信息技術(shù)和嚴謹?shù)膸缀巫C明學(xué)習(xí)相關(guān)的性質(zhì)和定理.這也正是研究平面幾何圖形的一般規(guī)律即歷經(jīng)直觀感知、操作實驗和邏輯推理最終探索得到知識.我國教材的編寫可以借鑒這種方式,增設(shè)一些新的欄目,幫助讀者掌握研究的一般規(guī)律,從圓這個特殊的幾何圖形到所有的圖形,達到“窺一斑而知全豹”的效果.
6.2突出圓的核心概念,把握性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)
圓的核心概念,包括圓的定義,以及弧、弦、圓周角和圓心角的定義.這些核心概念是進一步研究圓與其他圖形位置關(guān)系和數(shù)量關(guān)系的主要依據(jù).人教版教材就是按照這樣的順序進行編寫的,旨在學(xué)生認知螺旋式上升.但圓的定義在第一個小節(jié)“曇花一現(xiàn)”后便沒有再出現(xiàn)在讀者的視野中.“到一點距離為定長的點的集合”已經(jīng)使用了集合的概念來說明圓的定義,涉及高中的集合思想,可以稍作展開加以講解.或者如加拿大教材的處理方式,將其與函數(shù)圖象結(jié)合,橫軸為時間,縱軸記為到一點的距離,在圖象上展示出來便是一條平行于x軸的直線.將其與函數(shù)圖象結(jié)合理解圓的定義也是很特別的方式.
另外,我國教材在介紹圓的切線判定和性質(zhì)時,練習(xí)著重針對訓(xùn)練學(xué)生判定圓的切線和利用切線的性質(zhì)求值的能力,欠缺了與之前所學(xué)的圓其他性質(zhì)的聯(lián)系.相比之下,加拿大教材在圓周角定理中安排了有關(guān)探究“弦切角”的練習(xí),就很好地兼顧了切線性質(zhì)和圓周角定理的運用.因此,我國教材在設(shè)置章節(jié)后期內(nèi)容時應(yīng)該考慮到圓的整體性質(zhì)的銜接,嘗試將之前所學(xué)的圓心角、圓周角和弦的性質(zhì)與切線的性質(zhì)結(jié)合,把握圓的性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián).
6.3優(yōu)化習(xí)題要求水平,注重習(xí)題的背景多樣化
人教版的例題和習(xí)題緊扣本章內(nèi)容,強調(diào)對知識點的反復(fù)練習(xí)和強化.其中模仿和運用層級的習(xí)題最多,缺乏探究層級的練習(xí),不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考探究的能力.因為學(xué)生對定理和性質(zhì)的理解僅僅停留在模擬教材的例題以及在模仿的基礎(chǔ)上辨別知識點的運用,當學(xué)生在解決新情境下圓與其他知識的綜合問題時,缺乏分析問題的能力,缺乏將未知轉(zhuǎn)化為已知的思考.加拿大教材則側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生在新的情境中分析和解決問題的能力,習(xí)題設(shè)置豐富多彩,強調(diào)圓各種性質(zhì)的運用.其將圓與函數(shù)、圓與四邊形、圓與三角形相似結(jié)合創(chuàng)設(shè)不同的情境,引導(dǎo)學(xué)生用不止一種方法解決問題,開拓學(xué)生思維.因此,我國教材可以將圓置于圖形與幾何這個更大的單元中加以思考,不僅能將圓內(nèi)部的知識打通形成網(wǎng)絡(luò),也可以在習(xí)題部分融入其他幾何圖形和性質(zhì)的運用,強調(diào)變式訓(xùn)練,促進學(xué)生從不同角度理解知識,增強知識運用的靈活性,并構(gòu)建起結(jié)構(gòu)更合理的的知識網(wǎng)絡(luò).
在習(xí)題背景方面,我國教材中習(xí)題略顯背景單一,“圓”章節(jié)習(xí)題中半數(shù)以上的題目均為無背景的純數(shù)學(xué)計算,蘊含背景的習(xí)題也多為個人生活和公共常識.其中個人生活背景題目占比為10.42%,題目涉及學(xué)生體育課跑圈問題、校園綠化帶美化問題等,主要圍繞學(xué)生校園生活展開,背景略顯單一.建議適當增加我國教材習(xí)題背景的多樣化,進一步加強圓與現(xiàn)實生活、數(shù)學(xué)知識和其他學(xué)科之間的聯(lián)系.加拿大教材中科學(xué)背景習(xí)題占比為11.25%,涉及歷史學(xué)、航天科學(xué)、社會研究等方面豐富的背景,使得教材更加貼近生活實際,增強學(xué)生運用圓的知識解決現(xiàn)實生活及其他學(xué)科問題的意識和能力.
6.4加強現(xiàn)代信息技術(shù)的合理使用,在動態(tài)變化中發(fā)現(xiàn)圖形的性質(zhì)
現(xiàn)代信息技術(shù)特別是計算機、計算器等對數(shù)學(xué)產(chǎn)生了不同程度的沖擊,許多國家已將其納入到數(shù)學(xué)教科書中,成為一種認知工具.根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的需求,選用合適的信息技術(shù)工具,充分利用它的運算作圖、展示過程、探究規(guī)律等功能,可以使學(xué)生能夠更好地認識數(shù)學(xué)的本質(zhì)、探究數(shù)學(xué)問題.加拿大教材詳細介紹了動態(tài)幾何軟件和繪圖計算器的運用,讓圖形動起來,引導(dǎo)學(xué)生在動態(tài)變化過程中發(fā)現(xiàn)圓的相關(guān)性質(zhì),運用信息技術(shù)可以很方便地測量弦的長度和圓中的角度,有利于發(fā)現(xiàn)其中變與不變的位置關(guān)系和數(shù)量關(guān)系.同時在習(xí)題計算中,使用圖形計算器取代了繁瑣的計算,降低了解題時的重復(fù)性和機械性,大大提高了教學(xué)的效率.人教版僅有兩處以“小貼士”的方式提醒學(xué)生可以運用信息技術(shù)測量圓中角度和探究圓與直線的位置關(guān)系,但缺乏明確的指導(dǎo),沒有可操作性.基于此,我國教材可以針對軟件和圖形計算器的使用加以介紹,并輔之具體的示范過程,方便學(xué)生在動態(tài)變化中發(fā)現(xiàn)圖形的性質(zhì).
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作者簡介沈愛桐(1997—),女,云南昆明人,碩士研究生;研究方向為數(shù)學(xué)教育研究.
楊亞平(1987—),女,云南大理人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師;研究方向為STEM教育和數(shù)學(xué)教育研究.