陳駿 盛曉君
[摘? 要] 隨著課改的不斷深入,數(shù)學(xué)教育愈發(fā)強(qiáng)調(diào)其德育功能. 文章以“雪花曲線的探究”為例,分別從理性、人文、人格和責(zé)任四個維度分析數(shù)學(xué)學(xué)科德育內(nèi)涵的具體呈現(xiàn)形式,并通過課堂各環(huán)節(jié)的德育滲透,發(fā)展學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng),有效實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)學(xué)科的育人價值.
[關(guān)鍵詞] 學(xué)科德育;高中數(shù)學(xué);雪花曲線;分形幾何
黨的十八大將立德樹人作為教育根本任務(wù)以來,學(xué)科德育成為一線教師關(guān)注的熱點(diǎn),課堂教學(xué)成為落實(shí)該任務(wù)的基本形式. 《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中明確指出:“數(shù)學(xué)教育承載著落實(shí)立德樹人根本任務(wù)、發(fā)展素質(zhì)教育的功能……在學(xué)生形成正確人生觀、價值觀、世界觀等方面發(fā)揮獨(dú)特作用.”[1]可見,高中數(shù)學(xué)課堂不僅承載著知識的傳遞功能,其學(xué)科德育對學(xué)生的潤澤和滲透作用同樣值得重視. 本文以一節(jié)“雪花曲線的探究”課為例,具體呈現(xiàn)學(xué)科德育在課堂教學(xué)中的蘊(yùn)藏形式.
[?]數(shù)學(xué)學(xué)科德育內(nèi)涵
學(xué)科德育是指教師在日常學(xué)科教學(xué)過程中融合德育,以學(xué)科為抓手凸顯育人價值. 而數(shù)學(xué)學(xué)科德育特指數(shù)學(xué)教師在數(shù)學(xué)教學(xué)中進(jìn)行德育滲透,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)學(xué)科的育人價值. 有學(xué)者認(rèn)為[2],數(shù)學(xué)學(xué)科德育內(nèi)涵主要有理性、人文、人格和責(zé)任四部分(見表1).
[?]數(shù)學(xué)學(xué)科德育教學(xué)實(shí)踐
本文以“雪花曲線的探究”為例,將時事熱點(diǎn)作為課程的引入情境,用數(shù)學(xué)文化構(gòu)建例題背景,以課外閱讀的方式采編史料,通過課堂實(shí)驗(yàn)、合作交流、匯報(bào)演講等教學(xué)活動,設(shè)計(jì)有效的問題串和多元化的作業(yè)等方法,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)學(xué)科德育在課堂中的滲透,力求在教學(xué)各環(huán)節(jié)較為自然地埋設(shè)“德育點(diǎn)”,通過關(guān)注學(xué)生言行表現(xiàn)對課堂德育效果進(jìn)行感知,通過理性、人文、人格和責(zé)任四部分對本節(jié)課的數(shù)學(xué)學(xué)科德育實(shí)踐進(jìn)行分析.
1. 教學(xué)分析
(1)教學(xué)內(nèi)容分析
在《普通高中教科書數(shù)學(xué)選擇性必修第一冊(2020年滬教版)》第四章“數(shù)列”第二節(jié)等比數(shù)列中,教材以“科克雪花曲線”為例引入等比數(shù)列,章末復(fù)習(xí)又以求“雪花曲線”的周長和面積的拓展題形成首尾呼應(yīng),章節(jié)中還呈現(xiàn)了關(guān)于“謝爾賓斯基三角形”和“謝爾賓斯基正方形”的練習(xí)題. 滬教版二期課改教材曾專門將“雪花曲線”作為數(shù)列的章末拓展閱讀. 新舊教材都把“雪花曲線”納入其中,旨在通過學(xué)生對“雪花曲線”的探索與研究,培養(yǎng)他們應(yīng)用數(shù)列知識解決實(shí)際問題的能力,同時也是對數(shù)學(xué)分支——分形幾何的初探和引導(dǎo). 本課將以“雪花曲線”的探究為明線,數(shù)列的綜合應(yīng)用為暗線,分形幾何的介紹為延伸,揭示事物的本質(zhì)規(guī)律,提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng),滲透數(shù)學(xué)的學(xué)科德育.
(2)學(xué)情分析
知識方面,學(xué)生已完成等差數(shù)列、等比數(shù)列的學(xué)習(xí),會求解一般數(shù)列的通項(xiàng)公式,能初步應(yīng)用數(shù)列知識解決一些問題;能力方面,高二學(xué)生有通過相互討論去分析和解決問題的能力;情感方面,借助對雪花的感性認(rèn)識,激發(fā)學(xué)生利用數(shù)列知識探究“雪花曲線”的興趣.
(3)教學(xué)目標(biāo)
①通過計(jì)算“雪花曲線”的周長和面積,鞏固數(shù)列與極限的有關(guān)知識,體會從特殊到一般的數(shù)學(xué)思想方法,發(fā)展數(shù)學(xué)抽象、直觀想象、邏輯推理、數(shù)學(xué)運(yùn)算等素養(yǎng).
②經(jīng)歷動手作圖、合作研究的過程,培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題,得出科學(xué)結(jié)論的數(shù)學(xué)探究能力.
③了解分形幾何的歷史與發(fā)展,欣賞分形藝術(shù),讓學(xué)生感悟數(shù)學(xué)的科學(xué)價值、應(yīng)用價值、文化價值和審美價值.
(4)教學(xué)重難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn):對“雪花曲線”的周長無限大而面積有限的認(rèn)識;了解分形幾何.
教學(xué)難點(diǎn):求解“雪花曲線”的周長與面積的通項(xiàng)公式.
(5)教學(xué)準(zhǔn)備
①課堂學(xué)習(xí)單;
②安排學(xué)生志愿者提前搜索有關(guān)分形幾何的資料,并交予教師修改、審核后制成PPT備用.
2. 教學(xué)過程
(1)環(huán)節(jié)1:創(chuàng)設(shè)情境,引出課題
情境1:
師:是否存在一種曲線,它的長度可以繞地球好幾圈,卻能畫在一張小小的郵票上?答案如何,學(xué)習(xí)完本節(jié)課就可以揭曉!
情境2:
師:2022年北京冬奧會成功舉辦,成為全球上首個“雙奧之城”. 在2月4日的開幕式上,一朵小小的雪花成為貫穿開幕式始終的線索,所有參賽國家和地區(qū)名字的雪花引導(dǎo)牌最后組成一個美麗的大雪花. 在全球處于疫情的艱難時刻,總導(dǎo)演張藝謀力圖運(yùn)用藝術(shù)感染力和文化共通性,體現(xiàn)人類團(tuán)結(jié),一起走向未來.
設(shè)計(jì)意圖:情境1通過一個看似不可能發(fā)生的事情引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,情境2以近期發(fā)生的時事新聞?wù){(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并為探究“雪花曲線”埋下伏筆.
德育點(diǎn):從理性維度來說,情境1啟發(fā)學(xué)生打破思維定式,追求實(shí)事求是的品質(zhì);情境2呈現(xiàn)了2022年北京冬奧會開幕式視頻,展現(xiàn)了震撼人心的美,從人文維度來說,賦予學(xué)生民族自豪感.
(2)環(huán)節(jié)2:手動作圖,自主探索
師:小小的雪花到底蘊(yùn)藏著多大的秘密,我們今天不妨來一探究竟!
1904年瑞典數(shù)學(xué)家科赫第一次用數(shù)學(xué)的方法描述了一種曲線,外形酷似一片雪花,所以我們稱它為“雪花曲線”或“科赫曲線”. 下面我們也用數(shù)學(xué)的方法嘗試制作一片“雪花”. 請同學(xué)們進(jìn)行小組合作,在紙上完成以下操作:
第一步,將圖2-①的正三角形的每邊三等分,并以中間的一條線段為底邊向形外作等邊三角形,然后去掉底邊,得到圖②;
第二步,將圖2-②的每邊三等分,重復(fù)上述的作圖方法,得到圖2-③;
第三步,按上述方法無限多次繼續(xù)做下去,得到的曲線將會呈什么形狀?
設(shè)計(jì)意圖:合理設(shè)計(jì)操作探究活動,可以有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與的積極性.讓學(xué)生帶著對雪花的感性認(rèn)識轉(zhuǎn)而理性地研究“雪花曲線”,通過操作探究活動,獲得寶貴的活動體驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)抽象和直觀想象的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng).
德育點(diǎn):在高中數(shù)學(xué)教學(xué)中,受行為主義影響較深的傳統(tǒng)教學(xué)觀念長期存在,教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)出了相對固化的特征,這也就導(dǎo)致數(shù)學(xué)教學(xué)總體上比較枯燥乏味,教學(xué)效果也較為一般,學(xué)生一旦面對一些相對抽象的內(nèi)容,基本上都會出現(xiàn)難以理解與掌握的現(xiàn)象[3]. 數(shù)學(xué)史的融入是數(shù)學(xué)教學(xué)體現(xiàn)人文性的有力抓手.從數(shù)學(xué)德育的責(zé)任維度來說,通過“雪花曲線”歷史故事的引入,滲透多元文化,拓展學(xué)生的文化視野.
師:通過自己動手,大家都作出了“雪花曲線”. 但是我們發(fā)現(xiàn),隨著生長次數(shù)的增加,小三角形越來越多,作圖也越來越困難.下面我們借助軟件,看看把“雪花曲線”的局部不斷放大后會是什么樣子.
教師利用幾何畫板縮小一個曲線與另一個不變的曲線進(jìn)行對比,讓學(xué)生初步感受分形結(jié)構(gòu)的自相似性,如圖3所示.
設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生動手作圖,熟悉曲線的迭代作圖法,對曲線的無限生長有一個初步印象;再利用計(jì)算機(jī)技術(shù),增加迭代次數(shù),讓學(xué)生觀察放縮后的“雪花曲線”,發(fā)現(xiàn)曲線局部間的相似特征,從而對曲線的自相似性有一個初步的“形”的認(rèn)識.
德育點(diǎn):有效探究活動的設(shè)計(jì)是促進(jìn)學(xué)生主動思考的平臺,學(xué)生先動手,再通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行多次迭代,從理性維度出發(fā),鼓勵學(xué)生運(yùn)用已知的方法或結(jié)論類比未知的問題;從人格維度來說,哪怕學(xué)生在作圖時遇到了困難,也能讓他們在事物的曲折發(fā)展中認(rèn)識挫折的價值.
(3)環(huán)節(jié)3:定量分析,合作研究
師:“雪花曲線”其實(shí)蘊(yùn)藏著一些非常奇特的性質(zhì).剛才大家都體驗(yàn)了“雪花曲線”的生成過程,觀察你們作出的圖形,查看“雪花曲線”有什么特點(diǎn).
生1:“雪花曲線”是一條連續(xù)的折線.
生2:曲線到處長滿了“角”.
生3:當(dāng)?shù)螖?shù)越來越多時,“角”的個數(shù)也越來越多,并且“角”越來越小.
生4:曲線向外生長得越來越慢.
師:大家從“形”的方面對“雪花曲線”有了初步認(rèn)識.接下來,我們不妨從“數(shù)”的方面來定量研究“雪花曲線”. 同學(xué)們覺得我們可以研究哪些方面?
生5:可以研究“雪花曲線”的邊長和邊數(shù).
生6:還有“角”的個數(shù).
生7:周長和面積.
師:非常好!同學(xué)們已經(jīng)具備了用數(shù)學(xué)的眼光觀察世界的能力.
設(shè)計(jì)意圖:教師提出問題啟發(fā)學(xué)生觀察“雪花曲線”的形狀,發(fā)現(xiàn)它是一個與我們平時研究的多邊形不同的平面多邊形,引導(dǎo)他們從邊長、邊數(shù)、周長、面積等方面提出問題.
德育點(diǎn):從人格維度來說,通過師生問答,營造良好的課堂氛圍,借助合作學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生尊重他人的思想意識,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容布置合作學(xué)習(xí)任務(wù),促使學(xué)生在合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中,傾聽他人意見,相互學(xué)習(xí)優(yōu)點(diǎn),并對比分析自身不足,逐漸提升自我.
師:方便起見,我們統(tǒng)一數(shù)據(jù):設(shè)原正三角形的邊長為a,周長為L,面積為S,不妨把每一次作圖變化的過程叫做“生長”,則經(jīng)過第n次生長后曲線的周長為L,面積為S.請同學(xué)們嘗試填寫表2.(文中展示的是已經(jīng)填寫好的表格)
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生經(jīng)歷互相交流、合作探究的過程后歸納出曲線生長的一般規(guī)律,抽象成數(shù)列模型后求得通項(xiàng)公式,最終得到所研究對象的結(jié)果,發(fā)展數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的同時收獲成就感和自信心.值得注意的是,面積公式的推導(dǎo)具有一定的難度,需要教師的提示和輔助.
德育點(diǎn):從理性維度來說,學(xué)生運(yùn)用由特殊到一般的方法,推理曲線生長前后的數(shù)量關(guān)系,嘗試多角度思考問題,訓(xùn)練嚴(yán)密的思維;從人格維度來說,學(xué)生在探究中學(xué)會傾聽和交流,這是對學(xué)生意志力、個性品質(zhì)等的培養(yǎng),讓學(xué)生學(xué)會對自己的學(xué)習(xí)進(jìn)行審視和反思.
(4)環(huán)節(jié)4:歸納結(jié)論,探源揭秘
師:當(dāng)n趨于無窮大,即生長無限次時,“雪花曲線”的周長和面積有何性質(zhì)?
生8:L=
nL,顯然極限不存在.
生9:S=
S
-
n
S=S,極限存在.
師(追問):這個結(jié)果說明了什么?
生10:“雪花曲線”的周長是無窮大的,但面積是有限的.
師:通過剛才的研究,我們可以發(fā)現(xiàn):隨著“雪花曲線”生長次數(shù)的不斷增加,其周長不斷增加至無窮,而它的面積雖然也在不斷增加,但永遠(yuǎn)不可能超過S.這是一個多么奇妙的現(xiàn)象.“雪花曲線”這個圖形,它具有有限的面積,而具有無限的周長. 也就是說,存在一條無限長的曲線,圍成了一個有限面積的區(qū)域.
師:現(xiàn)在來看,是否存在一種曲線,它的長度可以繞地球好幾圈,卻能畫在一張小小的郵票上?
學(xué)生異口同聲:是!
師:這種現(xiàn)象最初被人們認(rèn)為是十分怪異和荒誕的,但隨著人們不斷探索與研究,逐漸認(rèn)識到了它的科學(xué)價值,并形成了一個新的數(shù)學(xué)分支——分形幾何. 客觀自然界中許多事物,具有自相似的結(jié)構(gòu),局部與整體在形態(tài)、功能、信息、時間、空間等方面具有統(tǒng)計(jì)意義上的相似性,適當(dāng)?shù)胤糯蠡蚩s小幾何尺寸,整個結(jié)構(gòu)依然不變,比如各國的海岸線、天上的云朵、身上的血管等.
設(shè)計(jì)意圖:通過師生問答、合作討論,引導(dǎo)學(xué)生回顧并解決情境中的問題,教師帶領(lǐng)學(xué)生對“雪花曲線”從“形”的感性認(rèn)識,通過“量”的計(jì)算過渡,上升到“質(zhì)”的理性認(rèn)識,突破本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn).
德育點(diǎn):從人文維度上來說,一朵小小的雪花蘊(yùn)含著如此神奇的結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物思想和動態(tài)的數(shù)學(xué)信念. 學(xué)生通過探索發(fā)現(xiàn)了事物的本質(zhì),揭示了現(xiàn)象背后的真理,感受到了數(shù)學(xué)學(xué)科的實(shí)用性和科學(xué)性,以此提醒自己用數(shù)學(xué)的眼光觀察世界.
(5)環(huán)節(jié)5:分形拓展,教學(xué)相長
師:下面我們有請幾位同學(xué),給大家介紹一下分形幾何的相關(guān)知識!
A同學(xué)介紹分形幾何的發(fā)展史:
英國的海岸線有多長?
分形之父
B同學(xué)介紹各種自然界中存在的分形案例和用數(shù)學(xué)方式構(gòu)造的分形案例:
“大自然的幾何學(xué)”
C同學(xué)從分形幾何的應(yīng)用角度,展示分形藝術(shù)——曼德勃羅集.
設(shè)計(jì)意圖:數(shù)學(xué)拓展課具有一定的開放性,教師讓學(xué)生見識一些課本上學(xué)不到的知識——數(shù)學(xué)文化. 學(xué)生通常樂于接收這類知識,參與展示的學(xué)生積極性較高,觀看的學(xué)生也是興趣盎然,教師亦有教學(xué)相長之感. 此環(huán)節(jié)可以大大提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的參與度和積極性.
德育點(diǎn):此處的德育有多個維度,數(shù)學(xué)史的融入幫助學(xué)生感悟數(shù)學(xué)人文的內(nèi)涵,是滲透多元文化的良好契機(jī);通過展示,學(xué)生的視野得到拓寬,感受多彩的自然現(xiàn)象與奇妙的數(shù)學(xué)世界的聯(lián)系,對數(shù)學(xué)之美有一個重新的認(rèn)識,體現(xiàn)數(shù)學(xué)學(xué)科的人文價值;展示者前期對資料的收集整理,可以培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和科學(xué)態(tài)度,課內(nèi)的登臺亮相可以鍛煉他們的表達(dá)能力,同時有助于提升他們的文化自信.
(6)環(huán)節(jié)6:課堂小結(jié),作業(yè)布置
課堂小結(jié):
①“雪花曲線”有哪些特征?
②本節(jié)課你用到了哪些數(shù)學(xué)思想?
③談?wù)劮中螏缀谓o你留下的印象.
作業(yè)布置:
思考題:上網(wǎng)查閱有關(guān)“謝爾賓斯基海綿”的資料. 請你從數(shù)學(xué)的角度解釋:為什么它被稱為“有皮沒肉”的結(jié)構(gòu)體?另外,這樣的分形結(jié)構(gòu)體有何實(shí)際意義?
設(shè)計(jì)意圖:通過課堂小結(jié)和作業(yè)布置,以問題驅(qū)動的方式讓學(xué)生進(jìn)行歸納總結(jié),明確本節(jié)課學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容和重難點(diǎn),發(fā)展學(xué)生歸納概括的能力.
德育點(diǎn):教師設(shè)計(jì)多元化數(shù)學(xué)作業(yè),試圖從理性維度和責(zé)任維度,讓學(xué)生在掌握課堂知識的基礎(chǔ)上學(xué)會遷移應(yīng)用,體會數(shù)學(xué)的文化價值和應(yīng)用價值.
[?]數(shù)學(xué)學(xué)科德育實(shí)踐反思
學(xué)科德育是一個不斷探索、逐步推進(jìn)的過程,若以數(shù)學(xué)學(xué)科德育視角再次審視本節(jié)課,課堂從理性維度訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)密的思維,從人文維度培養(yǎng)學(xué)生動態(tài)的數(shù)學(xué)信念,從人格維度鍛煉學(xué)生遭遇挫折時應(yīng)具備的意志力,從責(zé)任維度提升學(xué)生的文化自信.
1. 求真設(shè)計(jì),落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)
基于學(xué)科德育的高中數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì),在教學(xué)過程中應(yīng)充分挖掘發(fā)展核心素養(yǎng)的機(jī)會和載體,基于真實(shí)的情境設(shè)計(jì),訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)密的思維,在培養(yǎng)學(xué)生知識和能力的同時,注重學(xué)生數(shù)學(xué)思維和數(shù)學(xué)情感的發(fā)展.例如,在探究“雪花曲線”周長與面積的過程中,教師通過設(shè)置“問題串”引導(dǎo)學(xué)生觀察曲線生長前后的邊長、邊數(shù)、周長、面積的變化,并將數(shù)據(jù)填表做進(jìn)一步分析,發(fā)展學(xué)生直觀想象、數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)分析等核心素養(yǎng);在根據(jù)遞推公式求解通項(xiàng)公式的教學(xué)中,通過歸納分析、累加求和,滲透邏輯推理、數(shù)學(xué)運(yùn)算等核心素養(yǎng);在通過極限結(jié)論解釋曲線生長變化的本質(zhì)規(guī)律時,引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)學(xué)模型的結(jié)論返回到實(shí)際問題中去,用數(shù)學(xué)的語言表達(dá)世界.
2. 崇善構(gòu)建,凸顯“學(xué)生中心”課堂
數(shù)學(xué)教育家波利亞說過,學(xué)習(xí)任何知識的最佳途徑,都是由學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)、探索、研究,因?yàn)檫@樣理解更深刻,也最容易掌握其中的內(nèi)在規(guī)律、性質(zhì)和聯(lián)系. 新課改強(qiáng)調(diào)“以人為本”的學(xué)生觀,主張將課堂還給學(xué)生. 教師在課堂上要給予學(xué)生足夠的自主探究、獨(dú)立思考的機(jī)會和時間,讓學(xué)生在自主探究、合作交流的過程中發(fā)展數(shù)學(xué)核心素養(yǎng).
本節(jié)課在體現(xiàn)學(xué)科德育的同時堅(jiān)持以“學(xué)生為中心”的教學(xué)原則,創(chuàng)造機(jī)會與平臺,讓學(xué)生合作、交流、展示、聆聽、提升、構(gòu)建,通過學(xué)生自行動手,形成對“雪花曲線”的直觀感受;通過小組合作填表,生成對“雪花曲線”的理性認(rèn)識;在解決問題與困難的過程中培養(yǎng)學(xué)生動態(tài)的數(shù)學(xué)信念,鍛煉學(xué)生的意志力;在師生、生生的互動中實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)學(xué)科德育價值,落實(shí)學(xué)生數(shù)學(xué)關(guān)鍵能力和必備品格.
3. 唯美滲透,蘊(yùn)含數(shù)學(xué)文化價值
數(shù)學(xué)家羅素指出,“數(shù)學(xué)不但擁有真理,而且也擁有至高無上的美”.“雪花曲線”帶來的視覺沖擊吸引著學(xué)生去探索數(shù)學(xué)的奇異之美;數(shù)學(xué)文化的滲透讓學(xué)生對分形幾何概念的產(chǎn)生背景、發(fā)展過程以及數(shù)學(xué)家運(yùn)用的思想方法有了一定的了解,引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度欣賞數(shù)學(xué)的統(tǒng)一之美;通過對“雪花曲線”通項(xiàng)公式的挖掘及極限的計(jì)算,感受數(shù)學(xué)的抽象之美……課堂教學(xué)不僅完成知識傳遞,更培養(yǎng)學(xué)生的審美能力與文化自信,滲透了數(shù)學(xué)德育的功效,傳遞著數(shù)學(xué)文化的情感溫度,以人性化的數(shù)學(xué)將“冰冷的美麗”轉(zhuǎn)化為“火熱的思考”[4],讓“理性”的數(shù)學(xué)呈現(xiàn)出“感性”之美.
參考文獻(xiàn):
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