劉春江|浙江省杭州市文海中學(xué)
《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022 年版)》(以下簡稱“《課程標(biāo)準(zhǔn)》”)指出,教材內(nèi)容設(shè)計要反映數(shù)學(xué)在自然與社會中的應(yīng)用,展現(xiàn)數(shù)學(xué)發(fā)展史中偉大的數(shù)學(xué)家,特別是中國古代與近現(xiàn)代著名數(shù)學(xué)家,以及他們的數(shù)學(xué)成果在人類文明發(fā)展中的作用,以增強學(xué)生的愛國情懷和民族自豪感.因此,一線教師可嘗試打造文化視角、素養(yǎng)立意的數(shù)學(xué)課堂,即從數(shù)學(xué)文化的角度來審視教學(xué)內(nèi)容,設(shè)計指向核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo),并以此引領(lǐng)課堂教學(xué).這種具有文化屬性的數(shù)學(xué)課堂能展示數(shù)學(xué)的美麗與價值,喚起學(xué)生的好奇心與求知欲,使學(xué)生在數(shù)學(xué)文化的浸潤中發(fā)展核心素養(yǎng).下面,筆者以浙教版義務(wù)教育教科書《數(shù)學(xué)》九年級上冊第2章第3節(jié)《用頻率估計概率》的教學(xué)為例,談?wù)勅绾谓?gòu)文化視角、素養(yǎng)立意的數(shù)學(xué)課堂.
“用頻率估計概率”屬于“統(tǒng)計與概率”領(lǐng)域,體現(xiàn)了偶然性和必然性的統(tǒng)一,在概率統(tǒng)計的應(yīng)用歷史上有著豐富的經(jīng)典實踐案例.因此,從數(shù)學(xué)文化視角上審視該節(jié)教學(xué)內(nèi)容及流程十分必要.
首先,基于學(xué)情.此時,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過隨機事件與概率,初步了解了概率的意義,會用列舉法求一些簡單等可能事件的概率.基于此,筆者對相關(guān)數(shù)學(xué)文化知識進行梳理,先介紹布豐等數(shù)學(xué)家拋擲硬幣的試驗,再展示雅各布·伯努利以定理的形式給予嚴(yán)格證明的史實,在史料的有序呈現(xiàn)中向?qū)W生滲透數(shù)學(xué)家求真務(wù)實的嚴(yán)謹精神,在深厚的數(shù)學(xué)文化氛圍中引出這節(jié)課的內(nèi)容,即對概率作進一步的研究.
其次,指向內(nèi)容.針對“隨機事件發(fā)生的頻數(shù)和頻率均可以通過統(tǒng)計的方法獲得”這一內(nèi)容,筆者安排古典概型中經(jīng)典的摸球試驗,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷試驗設(shè)計、實施的全過程,體驗數(shù)學(xué)家的研究方法,感受數(shù)學(xué)研究的魅力,在文化的熏染中明確:概率是客觀存在的確定數(shù),而頻率在試驗前是不能確定的,具有隨機性.
最后,突破難點.針對“隨著獨立重復(fù)試驗次數(shù)的不斷增加,隨機事件發(fā)生的頻率會呈現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性”這一難點,筆者引導(dǎo)學(xué)生體驗“三門問題”“巧用頻率妙求π”“威廉·向克思的憾事”等經(jīng)典數(shù)學(xué)史例,使學(xué)生在多樣的數(shù)學(xué)文化中,具身體會可利用大量重復(fù)試驗的方法獲得頻率,再用該頻率估計隨機事件發(fā)生的概率,歸納出此方法不受限于各種結(jié)果發(fā)生是否等可能及隨機試驗結(jié)果數(shù)等因素,其適用范圍比用列舉法計算概率更廣泛.
從文化視角對教學(xué)內(nèi)容進行審視并設(shè)計教學(xué),不僅有利于核心知識的落實,更有利于學(xué)生浸潤數(shù)學(xué)文化、感悟數(shù)學(xué)力量、激發(fā)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣.
依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》對此部分內(nèi)容的要求,筆者結(jié)合學(xué)情、當(dāng)前科技發(fā)展水平等因素,以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為立意,設(shè)定這節(jié)課的教學(xué)目標(biāo):(1)了解隨機事件在每次試驗中是否發(fā)生的不確定性,隨著試驗次數(shù)的大量增加,事件發(fā)生的頻率會逐漸趨于穩(wěn)定;(2)通過摸球與擲硬幣等隨機試驗,了解頻率與概率的聯(lián)系與區(qū)別,知道可以通過大量重復(fù)試驗的頻率去估計概率,經(jīng)歷設(shè)計并實施試驗,通過試驗數(shù)據(jù)探索內(nèi)在規(guī)律,提升合作交流能力;(3)能夠應(yīng)用“用頻率估計概率”的知識解決相關(guān)問題,并能從對數(shù)學(xué)史上經(jīng)典問題的分析與再創(chuàng)造中感受數(shù)學(xué)文化的價值,提高數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣.
課堂教學(xué)只有做到以《課程標(biāo)準(zhǔn)》為據(jù),以教材為基,以學(xué)生為本,才能有效地培育學(xué)生的核心素養(yǎng).《課程標(biāo)準(zhǔn)》對這節(jié)內(nèi)容的要求為“知道通過大量地重復(fù)試驗,可以用頻率估計概率”.一方面,估計的過程既涉及隨機性,又體現(xiàn)隨機性表現(xiàn)出來的規(guī)律性,這就使學(xué)生理解起來比較困難,如對其進行常規(guī)教學(xué)的設(shè)計,很容易造成教師呆板呈現(xiàn)、學(xué)生被動識記的局面,難以達成《課程標(biāo)準(zhǔn)》對這節(jié)內(nèi)容的教學(xué)要求.另一方面,我們知道數(shù)學(xué)既是一門科學(xué),也是一種文化,數(shù)學(xué)知識具有豐富而深刻的文化內(nèi)涵,數(shù)學(xué)教育的目的不僅要讓學(xué)生的“四基”得到發(fā)展,還應(yīng)讓學(xué)生接受數(shù)學(xué)文化的熏陶,感受數(shù)學(xué)的無窮魅力,形成理性精神.因此,文化視角素養(yǎng)立意下的數(shù)學(xué)課堂教學(xué),在教學(xué)內(nèi)容的選取和組織上要努力跟經(jīng)典史料和社會生活等主動結(jié)合.選取的文化素材需要具備如下特點:既包含數(shù)學(xué)課程的具體內(nèi)容,又展示數(shù)學(xué)的價值;既具有情境性、開放性、趣味性等特征,又有利于突出教學(xué)重點、突破學(xué)習(xí)難點.
在這個環(huán)節(jié)中,筆者將生活背景與數(shù)學(xué)史料有機結(jié)合,從拋擲硬幣試驗切入,引導(dǎo)學(xué)生親身體驗古典概型——人類對概率和統(tǒng)計規(guī)律最早的建模嘗試.學(xué)生從樸素的數(shù)學(xué)原則下古人對概率的認識起點出發(fā),通過試驗設(shè)計、試驗操作、視頻觀看、交流討論等形式,在數(shù)學(xué)文化的陶冶中逐步激發(fā)起探究數(shù)學(xué)的興趣,對學(xué)習(xí)內(nèi)容也逐漸產(chǎn)生了親切感、價值感.這進一步推動了學(xué)生對頻率與概率關(guān)系的認識,由此也就發(fā)展了數(shù)據(jù)分析觀念.
問題1:將一枚質(zhì)地均勻的硬幣連續(xù)拋擲兩次,計算“兩次都正面向上”的概率.
[師生活動]教師介紹古代數(shù)學(xué)家的拋擲硬幣試驗史實.學(xué)生用多種方法解答,教師巡視并展示學(xué)生有代表性的解法.師生一起將知識要點歸納為:概率可算,算之有法,初中階段,一圖一表.
設(shè)計意圖:通過回顧舊知再次加深學(xué)生對概率確定性的理解,用拋擲硬幣問題回顧古典概型中“能夠通過事前計算獲得概率”的知識,既鞏固了基礎(chǔ)知識,又檢驗了基本技能,為這節(jié)課學(xué)習(xí)“事件的概率不能簡單通過計算獲得”埋下伏筆.而對知識進行四字對仗式的歸納,能使學(xué)生對知識的記憶與理解更加容易、更加深刻.
葉瀾教授說:“有文化意義的課堂,一定是充滿生命激情、生命動感的課堂.”[1]在設(shè)計問題引導(dǎo)學(xué)生活動時,既考慮課時核心內(nèi)容,又恰當(dāng)?shù)厝谌霐?shù)學(xué)文化,可使學(xué)生開闊視野、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、增進數(shù)學(xué)理解、提升核心素養(yǎng).問題設(shè)計需要做到如下三點:指向明確,層層遞進;大氣開放,關(guān)注思維;體現(xiàn)趣味,著力應(yīng)用.在課堂教學(xué)過程中,教師要時刻關(guān)注學(xué)生的表達與反饋,使學(xué)生保持思維的活躍度,有效地激發(fā)學(xué)生主動地積極思考.
在這個環(huán)節(jié)中,筆者先設(shè)計指向概率意義的“拋擲硬幣100 次,正面向上的頻率”問題,引導(dǎo)學(xué)生親身體驗數(shù)學(xué)史上的拋擲硬幣試驗,促使學(xué)生增強對頻率隨機性的認識,再設(shè)置關(guān)于隨機性的趨勢問題,引導(dǎo)學(xué)生通過對各組數(shù)據(jù)的匯總分析,在初步感知頻率的隨機性的同時,能夠主動意識到頻率與概率之間可能存在某種必然關(guān)系.以一系列具有文化體驗功能的問題為引領(lǐng),可使學(xué)生在深度感受數(shù)學(xué)家精神的同時,積極開展活動,并以數(shù)學(xué)家為榜樣,努力提升自己的數(shù)學(xué)思維.
問題2:拋擲一枚質(zhì)地均勻的硬幣,“正面向上”的概率是0.5,這是否意味著拋擲硬幣100 次,“正面向上”的頻數(shù)一定是50,頻率一定是0.5?請思考并對照試驗數(shù)據(jù)回答.
[師生活動]教師指導(dǎo)學(xué)生對試驗任務(wù)的數(shù)據(jù)進行觀察、思考、交流、整理分析,并得出結(jié)論.教師第一次指出頻率具有隨機性.
設(shè)計意圖:通過對少量試驗獲得的數(shù)據(jù)進行收集與整理、分析與描述,讓學(xué)生初步體會頻率的隨機性.
問題3:隨著重復(fù)試驗次數(shù)的增加,“正面向上”的頻率變化趨勢怎樣?
[師生活動]教師引導(dǎo)學(xué)生按照試驗要求獨立試驗、記錄數(shù)據(jù)后小組合作,初步發(fā)現(xiàn)頻率的穩(wěn)定性.
數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)需要學(xué)生真實的思維參與.學(xué)生在參與中體驗,在體驗中感悟,進而在感悟中積累經(jīng)驗、提高認識.因此,教師要設(shè)置文化體驗的機會,引導(dǎo)學(xué)生在文化體驗中實現(xiàn)積極的心理參與和思維參與,從而充分地體會到知識的形成和發(fā)展歷程.將信息技術(shù)應(yīng)用于數(shù)學(xué)教學(xué),通過其演示數(shù)學(xué)史上的經(jīng)典試驗,既能節(jié)省大量的課堂操作時間,把更多時間留給學(xué)生獨立思考和有效交流,又能使學(xué)生直觀地感受到經(jīng)典試驗的流程,體會古代數(shù)學(xué)家的智慧,從而使數(shù)學(xué)教學(xué)變得更加便捷、科學(xué)和高效.在充分互動的學(xué)習(xí)環(huán)境中,學(xué)生也能更好地掌握數(shù)學(xué)知識,培養(yǎng)數(shù)學(xué)思維,提升實踐、探究與創(chuàng)新能力.
在這個環(huán)節(jié)中,筆者通過信息技術(shù)幫助學(xué)生體會頻率的隨機性與穩(wěn)定性,如借助多媒體視頻展示案例,借助Excel 整理、描述、呈現(xiàn)學(xué)生拋擲硬幣試驗的數(shù)據(jù),借助GeoGebra 模擬拋硬幣和摸球試驗并繪制成表格和圖象直觀地描述試驗數(shù)據(jù).這些技術(shù)手段有效地輔助了學(xué)生對數(shù)據(jù)進行整理與呈現(xiàn)、觀察與分析、猜想與驗證等活動,促使學(xué)生有步驟地體會頻率與概率的關(guān)系,并歸納出用頻率估計概率的方法和要點.
[師生活動]教師展示利用GeoGebra 軟件模擬的投硬幣試驗1000 次,利用軟件繪制出頻率變化動態(tài)圖象.學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)試驗次數(shù)較少時,頻率表現(xiàn)出隨機性的可能性相對比較大,而隨著重復(fù)試驗次數(shù)的不斷增加,頻率則越來越呈現(xiàn)出穩(wěn)定性,穩(wěn)定在某一具體數(shù)值附近的可能性越來越大.
設(shè)計意圖:應(yīng)用信息技術(shù)輔助教學(xué),幫助學(xué)生進一步理解頻率具有隨機性,同時通過軟件模擬的大量重復(fù)試驗中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn),向?qū)W生直觀地展現(xiàn)出大量獨立重復(fù)試驗中頻率的穩(wěn)定性,以此引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確地表述頻率與概率的關(guān)系.
[師生活動]教師呈現(xiàn)教材第53頁的史料數(shù)據(jù),學(xué)生依據(jù)數(shù)據(jù)進一步感受頻率的穩(wěn)定性,體會數(shù)學(xué)家求真務(wù)實的精神.
設(shè)計意圖:使用數(shù)學(xué)史料,既能起到增加試驗次數(shù)的目的,又能使學(xué)生在史料中感受數(shù)學(xué)家求真務(wù)實、勇于探索的精神.
問題4:在不透明的箱子內(nèi)裝有紅色和藍色共5個小球,它們除了顏色外沒有其他區(qū)別.在不打開箱子的情況下,每次隨機摸出一個球后放回,你能估計出箱子內(nèi)紅球的個數(shù)嗎?
相對于傳統(tǒng)的DEA方法獲得的城市旅游效率方式來說,其結(jié)果明顯被高估,而應(yīng)用Bootstrap-DEA模型利用糾偏測度獲得的結(jié)果更為符合實際的狀況,分析近年來廣東省城市旅游效率產(chǎn)生的空間變化來說,年度旅游效率存在較為顯著的差異性,整體效率水平有待提升,多數(shù)的城市均實現(xiàn)了總計數(shù)效率有效。而基于時間變化的角度分析,因為旅游效率與旅游產(chǎn)出的增長態(tài)勢具有一定的差異,主要就是因為近年旅游政策的影響,導(dǎo)致長期的投資項目不斷增多,這樣就造成了投資冗余,導(dǎo)致旅游經(jīng)濟無效城市的數(shù)量不斷增多。
[師生活動]教師指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷試驗設(shè)計、試驗實施、問題解決等過程.在學(xué)生充分思考、設(shè)計并實施后,教師利用計算機軟件演示大量試驗,繪制頻率分布圖.師生一同歸納得出:概率可估,估之有道,大量試驗,頻率穩(wěn)定.教師展示雅各布·伯努利給出嚴(yán)格證明的數(shù)學(xué)史料.
設(shè)計意圖:引導(dǎo)學(xué)生通過分析模擬摸球問題的數(shù)據(jù)情況,歸納出解決問題的關(guān)鍵是確定事件發(fā)生的概率.學(xué)生在經(jīng)歷問題解決的過程中積累經(jīng)驗,加深對用頻率估計概率的方法的認同.用數(shù)學(xué)史料的介紹初步激發(fā)學(xué)生的“三會”意識.
數(shù)學(xué)文化的價值不僅在于數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)過程,也在于它的應(yīng)用價值,數(shù)學(xué)應(yīng)用同樣是數(shù)學(xué)文化融入數(shù)學(xué)教學(xué)的契機.荷蘭著名數(shù)學(xué)教育家弗賴登塔爾倡導(dǎo)“再創(chuàng)造理論”,即“對學(xué)生和數(shù)學(xué)家應(yīng)該同樣看待,讓他們擁有同樣的權(quán)利,那就是通過再創(chuàng)造來學(xué)習(xí)數(shù)學(xué),而且我們希望這是真正的再創(chuàng)造,而不是因襲和仿效”[2].因此,教學(xué)設(shè)計應(yīng)多聯(lián)系實際,關(guān)注數(shù)學(xué)在日常生活中的應(yīng)用,結(jié)合數(shù)學(xué)文化的應(yīng)用價值,根據(jù)學(xué)生的認知基礎(chǔ)和規(guī)律,分析學(xué)生學(xué)習(xí)可能會產(chǎn)生的問題或薄弱環(huán)節(jié),有針對性地設(shè)計基于數(shù)學(xué)文化的體驗式教學(xué),將再創(chuàng)造的機會留給學(xué)生.如可將凝結(jié)在數(shù)學(xué)概念中的數(shù)學(xué)家的思維活動還原,以若干典型事例為載體,引導(dǎo)學(xué)生分析事例特征,進而把蘊藏于基本活動經(jīng)驗中的基礎(chǔ)知識、基本技能和基本思想,靈活地運用于歷史上曾經(jīng)發(fā)生過的經(jīng)典問題解決中.這樣不僅能使學(xué)生感受數(shù)學(xué)文化的魅力,也能使隱性的素養(yǎng)得以彰顯.
在這節(jié)課中,筆者基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求以及教學(xué)實踐中出現(xiàn)的問題,給出中學(xué)階段用頻率估計概率兩個核心點,即試驗隨機性以及大量重復(fù)試驗下頻率的穩(wěn)定性的活動設(shè)計.筆者將“三門問題”“巧用頻率妙求π”“威廉·向克思的憾事”等經(jīng)典數(shù)學(xué)試驗巧妙地穿插于這兩個活動設(shè)計中,既體現(xiàn)對頻率穩(wěn)定性的學(xué)科理解[3],又有利于在問題解決的過程中展現(xiàn)素養(yǎng)達成的效果.
問題5:你能增加“選中汽車”的概率嗎?
[師生活動]教師通過視頻呈現(xiàn)“三門問題”:“三扇門后分別是汽車、山羊、山羊,選中后面有車的那扇門可贏得該汽車.當(dāng)參賽者選定了一扇門后,主持人先不開啟它,而是打開另一扇門,露出其中一只山羊,然后問參賽者要不要換另一扇仍然關(guān)閉的門.問題是:換門是否可以增加參賽者贏得汽車的概率?”學(xué)生從不同角度獨立思考并嘗試計算,感受不容易用列舉法求這個隨機事件的概率,再經(jīng)歷同伴交流,發(fā)現(xiàn)不同的學(xué)生有不同的解答思路和答案,互相難以說服別人.教師提示可以用頻率估計概率并用紙牌模擬試驗來驗證.最后,教師利用軟件增加試驗次數(shù),引導(dǎo)學(xué)生估計“換門有車”和“不換門有車”的概率.
設(shè)計意圖:“三門問題”是有違直覺的概率問題的極具代表性的例子,不容易通過計算獲得概率值,歷史上曾引發(fā)激烈探討.以此問題引出學(xué)生對同一問題的不同看法,可使學(xué)生在認知沖突中激起對頻率、概率知識的學(xué)習(xí)熱情,進而運用數(shù)學(xué)知識獨立設(shè)計并實施運用以頻率估計概率的試驗方案.而引導(dǎo)學(xué)生通過具身經(jīng)歷和及時歸納,充分認識到“對于概率不可或不易通過計算求得的問題,可以采取用頻率估計概率這一有效方法”,則能成功突破課時教學(xué)難點.
問題6:你還知道生活中有哪些問題需要應(yīng)用頻率與概率的關(guān)系來解決嗎?
[師生活動]學(xué)生思考、回憶并分享.教師展示相關(guān)數(shù)學(xué)史料,如“巧用頻率妙求π”“威廉·向克斯的憾事”等.
設(shè)計意圖:通過數(shù)學(xué)發(fā)展史上利用頻率與概率關(guān)系估計π 值問題,以及英國數(shù)學(xué)家威廉·向克斯引以為傲的一生中最重要的成果居然被人運用頻率與概率關(guān)系的方法推翻等經(jīng)典案例,讓學(xué)生進一步認識頻率與概率關(guān)系的應(yīng)用,并激發(fā)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣,增加對數(shù)學(xué)科普書籍的閱讀,提高用數(shù)學(xué)的眼光觀察現(xiàn)實世界的意識.
運用元認知、反思性學(xué)習(xí)等理論指導(dǎo)小結(jié)整理環(huán)節(jié),能不同程度地提高學(xué)生的反思意識和能力,既能有效輔助教學(xué)活動、提升學(xué)習(xí)效果,又能呼應(yīng)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)中“自我管理”“勤于反思”的操作要點,它是PDCA(P、D、C、A 分別為Plan、Do、Check、Act 的首字母,意為計劃、執(zhí)行、檢查、行動)全面質(zhì)量管理思想在數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中的具體落實.
為這節(jié)課作小結(jié)時,筆者引導(dǎo)學(xué)生回顧整節(jié)課的流程:通過自己拋硬幣和數(shù)學(xué)家拋硬幣的比較,體會從小事做起、求真務(wù)實的治學(xué)嚴(yán)謹態(tài)度,體會用數(shù)學(xué)的眼光觀察現(xiàn)實世界,體會大膽猜想與小心求證相輔相成的關(guān)系,體會用數(shù)學(xué)的思維分析現(xiàn)實世界;通過對“三門問題”的分析與解答,以及“巧用頻率妙求π”和“威廉·向克斯的憾事”的學(xué)習(xí),加強用頻率估計概率這一方法來解決問題的意識和能力,強化用數(shù)學(xué)語言表達現(xiàn)實世界的能力.這些具體內(nèi)容的回顧以及開放性問題的提出,不僅有利于學(xué)生落實核心知識、浸潤數(shù)學(xué)文化的魅力,也能有效地促進學(xué)生數(shù)據(jù)分析等核心素養(yǎng)的提升.
問題7:你能從收獲、困惑與好奇等方面回顧這節(jié)課的學(xué)習(xí)過程嗎?
[師生活動]教師帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧這節(jié)課所學(xué)的主要內(nèi)容,從收獲、困惑與好奇等角度對課時學(xué)習(xí)進行小結(jié).
[課后任務(wù)]完成試驗:投一枚圖釘,估計出“釘尖朝上”的概率.
設(shè)計意圖:通過及時有序的歸納小結(jié),鞏固對用頻率估計概率這一方法的掌握及探索過程,要求學(xué)生結(jié)合對困惑與好奇等的思考完成相應(yīng)的課后任務(wù),使課堂始終是開放的.
綜上,將數(shù)學(xué)文化融入課堂,耦合于教與學(xué)的環(huán)節(jié),可使數(shù)學(xué)平易近人、盡顯魅力,讓學(xué)生真正愛上數(shù)學(xué)并主動投入到數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)研究中.教師需要在充分理解數(shù)學(xué)、理解學(xué)生、理解教學(xué)、理解技術(shù)的基礎(chǔ)上,努力探索將數(shù)學(xué)文化滲透于數(shù)學(xué)課堂的路徑,從而更好地落實對學(xué)生數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的培育.