| 您赞成哪一种数学知识结构分析?
学习了著名叶澜学派小学、初中数学知识结构的分析框架(见《“新基础教育”数学教学改革指导纲要》,叶澜主编,吴亚萍著,广西师大出版社2009年4月版)之后,觉得不很满意,便斗胆另做了一番分析——诉诸朋友们,您赞成哪一种?
以下说明两种分析框架。
一、将小学、初中数学划分为数与代数、空间与图形(课标修改稿改为“图形与几何”)、统计与概率三大“结构块”。我赞成但不满意——没分析三部分何以结成整体。
数学的整体性、统一性何在?在于它是一种独特的认识方式,用一系列基本思想方法来统摄对任何领域的认识:它把任何对象都作为一个整体,研究其结构并随之研究所得各结构之间的关系;它不满足于定性研究而追求定量研究;它期望构建逻辑严谨的知识体系;还期望只确定不多的基础性内容而把其他复杂内容化归于它们。
小学、初中数学整体中“数与代数”、“空间与图形”、“统计与概率”三个结构块,不过是这些基本思想方法施展于三类对象研究得出的三类结果而已!
随后来看看这三类结果(其中我所作分析因篇幅限制,只得简洁叙述,请予深究)。
二、对数与代数结构块内部结构的分析,基本赞成,但觉得还可解说得更深刻、更准确。
叶澜学派的分析是:“数与代数知识结构块划分为三个不同分支的知识结构链,第一个分支是数与式的知识结构链,包括数与式的认识、数与式的运算;第二个知识分支是数量关系的知识结构链,包括数量关系的算术运算、数量关系的方程与不等式运算;第三个知识分支是规律探索的知识结构链,包括不变规律的探索(如加法运算中的交换律和结合律等),共变规律的探索(如减法运算中被减数不变的情况下减数变大差变小的规律,及函数等),……
从每个知识分支的纵向关系来看,体现了知识从简单到复杂、从低级到高级、从具象到抽象的发展过程。从知识分支之间的横向关系来看,数与式是对基本概念和原理进行建构生成的问题,数量关系是对数与式的基本概念和原理进行灵活运用的问题,规律探索则是从更深的层次对数与式的内部进行规律探究的问题”。
所分成的三个部分、它们之间的纵向关系我赞赏;但对它们之间横向关系的分析,尽管正确、但不够细致与深刻。
我对数与代数三个“知识结构链”横、纵两方面关系的分析是:
1、“数与式”研究单个集合的结构,是对研究对象的抽象:
如“3”是对某类集合的抽象,舍弃其组成要素的其他属性而保留两个属性——结构规模大小是“3个要素”即“3”的“基数”属性(所以接着研究比较大小)、结构各要素秩序是“1→2→3”即“3”的“序数”属性(所以还要研究排列顺序)。“式”生成于进一步对数的抽象,运用可代表任意数值的字母把研究对象从常量变成变量;“式”以一次单项式为基点,通过运算连结出其他单项式和多项式。
2、“运算”(包括数值计算和式的运算)研究多个集合结构之间的关系,是对数学活动本身的第一次“反身抽象”:
如1+2=3,是指集合{a}、{b,c}可并成{a,b,c}这一关系,即两结构可生成第三结构;又如a2-b2=(a+b)(a-b),是指两个数量关系结构“先平方再求差”与“先求和与差再求积”等值;再如把高次方程化为若干个一次方程的运算,是指前者与后者的解集结构相同。
这也是抽象,它不是对研究对象的抽象,而是对数学活动本身的抽象即“反身抽象”(如把“合起来、一共”等活动抽象为“加法”,再把相同加数的加法抽象为乘法等),以此来研究某类数学活动的共同规则与规律。
3、“运算规律”(包括不变规律和共变规律)研究各类运算本身的的变化规律,是再一次反身抽象:
对各类运算之数学活动本身再次反身抽象,舍去运算的对象、规则不管,只研究运算发生变化时的两类规律:第一类,某运算结构内各要素之间的共变规律(如乘法中某一乘数与积同倍扩缩规律);第二类,算法改变但结果不变的规律(如分配律“先加后乘与先乘后加结果不变”)。
三、对空间与图形结构块内部结构的分析不理想。
叶澜学派的分析是:“……划分为三个不同分支的知识结构链,第一个分支是图形认识与论证知识结构链,主要包括一个图形的初步直观认识、要素认识、类型认识、特征认识和性质研究,以及两个图形的关系研究。第二个分支是图形测量与计算知识结构链,主要包括一维的长度的认识、测量工具和度量单位,以及平面图形周长的计算;二维的面积的认识、测量工具和度量单位,以及平面图形面积的计算;三维的体积的认识、测量工具和度量单位,以及物体表面积和体积的计算,还有数与形结合问题的计算等。第三个分支是图形位置与变换知识结构链,包括位置不变的认识(位置、方向、坐标),位置变化的认识(图形的三种运动变换:平移、旋转和对称)。……
从每个知识分支的纵向关系来看,体现了图形认识从外部直观到内部要素认识,图形研究从内部性质到外部关系研究,图形测量从一维……到三维……的计算,图形运动从位置不变到位置变化的发展过程。从知识分支之间的横向关系来看,图形认识与论证部分是对物体的形状进行特征认识和性质研究的问题,图形测量与计算部分是对物体的大小进行比较测量和计算的问题,图形位置与变换则是对物体的空间位置进行关系研究的问题”。
上述分析显得杂乱、联系不明。我的分析简要说来是:
1、对空间的研究:
位置与方位的语词表征(上下左右前后或东西南北上下),位置、方位的的直角坐标表征。
2、对图形的研究:
(1)对单个图形形状结构的研究,先定性后定量、先简单后复杂:
A、定性研究:从直观描述到逻辑定义,关于形状结构的性质定理和判定定理,复杂图形形状结构向基本图形的化归,图形在平移、旋转运动中形状结构的不变性。
B、定量研究:研究图形的度量性质(结构大小),一维的长度、二维的角度与面积、三维的体积。
(2)对若干图形之间位置关系的研究,先定性后定量、先简单后复杂:
A、定性研究:用语词描述点之间、直线之间、角之间、面之间、形或体之间、或前述要素之间的相离、在上、经过、重合、相交、垂直、平行、异面、平分、内分或外分、对称等位置关系。
B、定量研究:将上述各种位置关系的语词表征转化为基于点之坐标的数(式)表征。
四、对统计与概率结构块内部结构分析的略为深化。
叶澜学派的分析是:“学校数学知识主干中的数知识也好,形知识也好,他们都是以确定现象为研究对象,……而统计与概率则是以不确定现象为研究对象,主要研究这些随机现象变化发生的统计规律性。统计与概率可以分为两个不同分支的知识结构链:一个分支是用抽样方式进行的描述统计,另一个分支是以概率方式对样本所属总体进行的推断统计。”
赞成,特别是把苏教版小学教材中所称的“肯定性现象”、“可能性现象”及“不可能现象”改称为“确定现象”与“随机现象”,很好——更为简单明确。
但对前述划分是否可作如下稍微深刻一点的解说:
统计是概率的基础。所谓随机现象,意味着它会发生多种状态,而每种状态出现的次数会形成一组数据。所谓统计,是研究这个已生成的数据组中各数据的分布结构,而这个分布结构的特征(渐增或渐减、集中或分散等)即该随机现象所遵循的的统计规律(所谓“统计规律”可通俗地理解为“大约如此的规律”)。凭借这个已发现的分布结构特征,我们可以推断此前或此后(真实情况尚未得知)该数据组变化的情况与趋势——而这就是概率的任务。
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