高中数学教科书中的数学史呈现研究.pdf

第 24 卷第 2 期 数 学 教 育 学 报 Vol 24 No 2 2015 年 4 月 JOURNAL OF MATHEMATICS EDUCATION Apr 2015 收稿日期 2014 11 04 基金项目 国家社会科学基金 2012 年度国家级重点课题 中小学理科教材国际比较研究 AHA120008 吉林省教育厅 十二五 社会科学 研究项目 中俄高中数学教材的文化学研究 吉教科文合字 2013 第 156 号 作者简介 徐乃楠 1979 女 吉林长春人 副教授 博士 硕士生导师 主要从事数学课程与教学论 中俄数学教育改革比较研究 高中数学教科书中的数学史呈现研究高中数学教科书中的数学史呈现研究 徐乃楠 1 孔凡哲2 刘鹏飞1 2 1 吉林师范大学 数学学院 吉林 四平 136000 2 东北师范大学 教育学部 吉林 长春 130051 摘要 数学史进入高中数学课程 教科书已成为国内外数学教育的大势所趋 数学教科书中的数学史编排与呈现问题 始终未能形成统一的结论 通过对国内三套高中必修数学教科书中数学史的内容类型 栏目分布 呈现形式 数学家和著作 的比较研究 对教科书中数学史的内容选取 编排设计和呈现形式进行了探讨 给出教科书编写的若干建议 关键词 高中数学 数学史 教科书 呈现 中图分类号 G423 3 文献标识码 A 文章编号 1004 9894 2015 02 0061 05 1 引 言 中国 21 世纪初开展的新一轮数学课程改革 在课标中 重视了数学史的内容设置和数学文化的教学渗透 正如高中 数学课程标准制定组组长张奠宙先生所言 制定组明确提 出了 数学文化 的教学概念 显然 数学史内容将是构成 数学文化教学的重要组成部分 数学史选讲 也列入了高 中的数学选修课 这些进展促进了数学史与数学教育的结 合 1 然而 作为重要载体的数学教科书中该如何设置和 呈现数学史是数学教育工作者和研究者们需要认真研究和 思考的问题 当前各版本数学教科书按照课程标准的要求都重视了 数学史内容的编排 但仍存在一些需要不断改进的问题 对 于这一点 张奠宙先生也曾批评道 现在的中小学教科书 中 数学史的内容比比皆是 已经远远超出了以往的水平 不 过 大多数的介绍 往往是放一个数学家的头像 然后介绍 他的生平事迹就完了 如何提高数学史教学的品味 是一个 亟待解决的问题 1 因此 教科书中的数学史内容该如何 选取 选用何种编排方式 采取什么形式呈现等问题仍需 深入研究 2 高中数学教科书中数学史的比较分析 选取研究对当前中国使用较为广泛的人教 A 版 北师 版和苏教版三套高中数学必修教科书中的数学史呈现开展 分析和比较研究 2 1 内容类型 三套教科书中数学史内容类型都以重要数学内容知识 或概念的发展史介绍为主体 兼有数学家介绍 名人名言等 内容类型 见图 1 各版本也有各自重视的内容类型 人 教 A 版内容知识或概念的发展史最多 苏教版重视名人名 言的使用 人教 A 版则一个未见 北师版重视数学应用的 历史 作为内容类型呈现较好的一个案例 北师版必修 5 海 伦公式与秦九韶三斜求积公式 既有内容历史 又有数学 家简介和名人名言 这种综合呈现的内容类型更有助于学生 的理解和掌握 46 34 8 1 00 3 37 17 3 10 4 3 0 51 22 4 2 19 4 0 0 10 20 30 40 50 60 人教A 463481003 北师版 3717310430 苏教版 5122421940 总量内容概念史数学家介绍数学应用史名人名言历史名题历史典故 图 1 三套高中必修数学教科书中数学史内容类型比较图 2 2 栏目分布 北师版主要集中在阅读类栏目和正文中 尤其是阅读栏 目在三套当中数量最多 三套教科书阅读类栏目设置有所差 别 人教 A 版和苏教版相对固定 分别叫 阅读与思考 和 阅读 而北师版阅读类栏目有 阅读材料 阅读理解 和小资料 3 种栏目 不够统一 另外 人教 A 版和北师版更加重视数学史在正文及旁 注中的分布和渗透 而苏教版在正文当中少见数学史 苏教 版名人名言栏目的比重较大 特色鲜明 在习题中也布置了 一些数学史 见图 2 16 21 22 11 3 20 13 00 11 2 15 9 18 1 7 1 0 0 5 10 15 20 25 阅读类正文类扉页导言类实习作业习题探究类其他 人教A北师版苏教版 图 2 三套高中必修数学教科书中数学史栏目分布比较图 2 3 呈现形式 三套教科书中数学史的呈现形式都是以纯文字呈现为 主 其次数量最多的是文字辅以图片的呈现方式 也就是图 62 数 学 教 育 学 报 第 24 卷 文并茂 见图 3 需要指出的是北师版注意了阅读材料中数学史的文献 来源问题 而人教 A 版和苏教版带有文献的都是在 实习 作业 中出现的 是为了满足布置学生开展数学史调查的实 习作业需要而列出的 作为综合呈现方式一个比较典型的案例 北师版必修 4 第一章三角函数的章末阅读材料 数学与音乐 中综合采用 了文字 图片 文献 3 种呈现方式 既能图文并茂说明问题 又提供了文献来源 为学生进一步学习提供拓展资源 30 21 32 15 10 17 1 5 1 0 1 1 010203040 文字 文字辅以图片 文字辅以文献 文字辅以图片 文献 网址 人教A北师版苏教版 图 3 三套高中必修数学教科书中数学史呈现形式比较图 2 4 数学家和著作 三套高中必修数学教科书中数学史呈现中所涉及的数 学家和著作以苏教版数量最多 人教版其次 北师版最少 三 套高中必修数学教科书中涉及的数学家都以中国数学家提 到的人次为最多 其次较多的是德 法 英 意大利等国家 的数学家 见图 4 从中可以看出各版本教科书均重视中国数学家对数学 的贡献 在数学史中渗透人文教育和爱国主义教育 各个版 本中都是德 法 英 意大利等国家提及的数学家人次最多 也说明欧洲大陆数学家对数学发展的贡献 因为高中知识涉 及的主要是近代数学 16 20 世纪欧洲大陆的数学家奠定 了近代数学的基础 26 89 15 1313 88 16 69 12 8 6 77 31 105 21 19 18 1212 0 20 40 60 80 100 120 人教A 268915131388 北师版 1669128677 苏教版 311052119181212 著作数量数学家数量中国德国法国英国意大利 图 4 三套高中必修数学教科书中提及数学家和著作比较 3 高中数学教科书中数学史编排的思考 钟启泉先生曾指出 立足于现代课程观的教科书的作 用有两种基本观点 即注重文化授受的观点和注重文化创造 的观点 它强调学习者问题意识的形成 关注主体学习态度 能力以及对话 合作 表达等社会态度及能力的形成 2 因此 数学史作为数学文化被授受和文化再创造最终需要通 过教科书来体现 但数学史的内容如何选择 编排和呈现仍 是需要我们不断思考的问题 3 1 对内容选取的思考 高中数学教科书中数学史内容的选取 最基本的选取原 则自然是选与高中数学知识密切相关的 有助于学生学习和 教师教学的那些内容 但在这一原则基础上仍有诸如 安排 数学家个人的内容多一些 还是一个专题内容在多个世纪和 时代的整个发展史多一些 还是一些文明中的整体数学文化 多一些 横向的多一些还是纵向的多一些 等问题 需要在 教科书编写时慎重考虑 首先 既要重视伟大数学家个人 又要重视其所在的文 化环境 因为阅读一个人的史料比追踪一个文明容易的 多 当然 个人学说与文化学说不是单纯的笛卡儿二元对立 方式 有一种时间角度的调和方式主张 在一个较短的时期 内 如不到 500 年 个人是重要的 在一个较长的时期内 如 超过 500 年 则重要的不再是个人而是文化 美国心理学家和哲学家詹姆斯 James 提出了一个很 有吸引力的中间观点 他在 伟大人物和他们的环境 中写 道 团体没有个人的刺激将会停滞不前 而个人的刺激没 有团体的共鸣将会销声匿迹 沿着这一思路数学家戴维斯 和赫什提出一个问题 沿着詹姆斯这段引文提供的线索来写 数学史是可能的吗 他认为很难说做得到 3 但他们的想法却给编写教科书中数学史内容提供了一 定的思路和借鉴 既要重视天才数学家在某个数学知识点 重大数学问题解决和创造过程中的思想 又要充分考虑他所 处团体 社会环境以及他所处文化和文明的时代精神 也就 是说 在教科书中绘就的这副巨幅数学史画卷的经线中也需 要个人的纬线 就如良好的布匹需要纵横交错的线来组织 一样 其次 要重视数学史内容选取时的中西文化问题 数学 在不同文化体系中的地位不同 西方文化中数学从古希腊开 始就有较高的地位 西方文明史上的哲学家也都大多是数学 家 数学对诞生于西方的近代科学影响巨大 数学史的研究 表明 是潜在的数学价值观在文化传统中的习惯势力促进了 西方文化的发展 这一点上 中国古代数学从来没能做到 中国古代数学在文化传统中地位不高 经世致用的实用主义 文化价值观念至今犹存 4 因此 在选取数学史内容的时候要兼顾中西 学习和体 会西方数学的理性精神 欣赏中国古代数学曾经取得的辉煌 成就 在避免 文化中心主义 的同时 也要避免 民族沙 文主义 张奠宙先生曾通过一个数学史知识小测验来说明 这件事 我们总会在一些历史上有潜在的自豪感 张先生指 出 赶超是进行历史教育的基点 而不能只是躺在历史先进 的包袱上自豪 1 也就是说既不能妄自菲薄 也不能敝帚 自珍 中国的学者们经常为传统文化中数学神位的不当放置 而懊悔不已 但历史就是历史 它不容假设也不接受忏悔 历 史告诫我们 再造历史殿堂时一定要刻意精心的放置数学 史 不要漫无目的的随手放置数学 5 也就是说 要以多元文化的视角来取舍高中数学教科书 第 2 期 徐乃楠等 高中数学教科书中的数学史呈现研究 63 中的数学史内容 正如费孝通先生所言 各美其美 美人 之美 美美与共 世界大同 虽然高中教科书编制主张独 特性 文化碰撞也很难实现大同 但 各美其美 美人之美 美美与共 应是我们秉持的客观态度 一方面要把握好 自 美 的尺幅 既要选取那些能够介绍中国古代数学辉煌历史 的内容素材 以激发学生的爱国主义精神 弘扬中国传统文 化遗产 树立民族自尊心 另一方面 也不能老让教师和学 生总是在 我们的数学是天下第一 的感觉之中 而无视在 真正实力上的差距和不足 同时 要兼顾介绍中国少数民族的数学史 消除狭隘的 汉族为主体的历史偏见 学会欣赏各少数民族丰富多彩的数 学文化 而这也是国际上民族数学的潮流 要从多元文化的 视角挖掘数学史中的素材 以显性与隐性相结合的方法在教 科书中展现数学的文化多元性 6 3 2 对编排方式的思考 奥苏贝尔指出 在学校条件下 学生的学习应当是有意 义的 而不是机械的 教师向学生传授整体 系统的学科知 识 学生主要是通过有意义接受方式获取这些知识 教学 中影响学生知识结构的因素很多 但没有比教材的编写和组 织更重要的因素了 7 对于教科书编排方式数学史家主张历史顺序 坚信历史 发生原理在学生学习过程中的重要作用 而纯粹数学家主张 逻辑顺序 追求数学的完整和严谨 著名数学教育家弗赖登 塔尔曾说 数学家喜欢把他们的学科用一种组织得很好的 状态来表示 教科书经常被看作是依据他们的组织的级别来 编排的 这是不足为奇的 8 但是 逻辑严谨式数学知识 编排 带来的必然是抽象形式化的结构 带给学生的也是晦 涩难懂的学习感受 所以数学史要想更好地融入数学教科书 必须要思考在 教科书中的编排设计方式 杨豫辉等人在研究小学数学史呈 现时提出 4 种设计模式 习题内容引出数学史 学习内容引 出数学史 数学史引出学习内容和阅读材料式数学史 9 事 实上习题内容引出和学习内容引出并无本质区别 汪晓勤教授曾提出 5 种教材中运用数学史的方式 见表 1 10 显然 点缀式更大程度上是与呈现形式有关的 复 制式和顺应式区别度不大 复制式与重构式区别度也不 大 笔者以为这 5 种方式更适合用来讨论与数学史教学方式 有关的问题 而不是教科书的编排方式 表 1 汪晓勤教授提出的教材中运用数学史的 5 种方式 类 别 描 述 点缀式 孤立的图片 如数学家画像 数学图案 反映数学主题 的绘画或摄影作品 附加式 文字阅读材料 包括数学家生平 数学概念 符号 思 想的起源 历史上的数学问题 数学方法等 复制式 正文各栏目中直接采取历史上的数学问题 问题解法 定理证明等 顺应式 正文各栏目对历史上的数学问题进行改编 使之具有适 合今日课堂教学的情境 重构式 正文各栏目中借鉴或重构知识的方式 发展历史 以及 发生法来呈现知识 罗新兵提出数学史融入教材可分为显性融入和隐性融 入两种方式 11 显性的又分为由数学知识引出数学史和由数 学史引出数学知识两种设计模式 显性课程和隐性课程是课 程类别 数学史长期以来基本上处于隐性的位置 尤其是作 为背景性的隐性课程 综合上述学者的研究 研究者以为不能从现有的教科书 中归类总结出合适的编排方式 而应当从课程组织和教材组 织的理论基础入手 要基于课程理论从宏观课程组织和微观 教材组织两个层面 去思考数学史在教科书中的编排问题 首先 从理论上来讲 教科书编排首先要考虑的是宏观 课程组织 主要是指直线式和螺旋式的问题 这个问题既适 用于一般教科书内容的设计 同样适用于数学史内容的设 计 例如 从变量发展 函数概念发展史 对数指数发展史 三角函数发展史这样一个数学史知识编排上就要综合考虑 螺旋式设计问题 而不能相互独立 各自为政组织呈现 宏 观的螺旋式编排对于学生深刻理解函数这部分数学知识及 其历史非常重要 有一个逐级螺旋上升的过程 其次 从实践上来讲 才是考虑微观教材组织问题 当 然 在这一点上也要基于课程组织的基本理论去设计 美国 著名的课程专家泰勒 Tyler 曾指出 就课程组织而言 主要分为两部分 即垂直关系 vertical relationship 和水平 关系 horizontal relationship 12 这两种关系也称为 纵 和 横 的关系 阿姆斯特朗 Armstrong 认为以下 4 种 方法是常用的 13 1 以年份的先后次序组织 即以课程内容的发生时 间的先后顺序来组织 这种组织方式最适合历史内容的安 排 在这种方式中还有一种方法是从过去梳理到现在来编 排 另一种是以现在追溯到过去来组织 2 主题内容的组织 即选取课程内容中重要的主题 问题独立开展教材组织 这些主题可能有关联也可能无关 联 有的彼此之间也要遵循时间的先后次序 有的无先后次 序 对于数学史来讲这种组织方式主要是独立阅读材料的组 织问题 3 从部分到总体的组织 内容的编排从简单到复 杂 由浅入深 例如 俄罗斯数学教育家巴什玛科夫编写的 代数与数学分析初步 就是从变量符号的发展史逐步渗透 到函数概念的发展史 进而上升到对数指数的发展史 14 4 从整体到部分的组织 先介绍内容的总体外观 先有个整体的概略认识 然后再逐渐步入细节 巴什玛科夫 的 代数与数学分析初步 在很多章节的导言栏目就是先给 出宏观的总结概述 然后才慢慢渗透 深入 最后在章末对 话栏目进行提升 最后 一些细节性的教材组织要素也是需要在教科书中 数学史编写设计时需要注意的问题 教学认知理论认为 认 知历程和状态可增进学习时的可理解性 所以要考虑如下的 4 点 6 1 拥有先备知识 学习者学习之前已在长期记忆中积 累贮存了部分甚至大量的数学史知识 2 注意外来讯息 学习者经由改变注意量的大小能影响外来讯息到达工作记 忆的总量 学习者经由改变注意的选择性能够影响外来讯息 64 数 学 教 育 学 报 第 24 卷 到达工作记忆的形式 3 建立内在联结 学习者能将工作 记忆中的讯息进行重新组织 使讯息具有一致性 例如 学 习者围绕某个主题将学习材料加以组织 4 建立外在联结 学习者能将贮存在长期记忆的有关知识转移至工作记忆 然 后将新旧知识加以统整 内化为自身的知识并能够用自己的 语言把讯息表示出来 迈尔 Mayer 考虑到上述 4 点因素 提出 3 个非常重 要的教材组织要素 先行组织者 标示和附加问题 先行组 织者有助于增进外在联结的建立以及先备知识之拥有 通常 是在学习内容前有一段简短的说明 凭借这样的前导结构 体 学习者较易掌握学习内容 且能强化学习保留 先行组 织者分为说明式的和比较式的两类 例如 俄罗斯数学家巴什玛科夫主编的 代数与数学分 析初步 教科书中专门在知识内容前设置的 序言导读 栏目 有的是对这一种数学知识发展史 的前导式说明 有的则是不同数学家在处理同一问题时的比 较式历史分析 15 这些数学史的先行组织对学生更好地学 习这部分内容是非常有益的 建议高中数学教科书数学史编 写也要重视先行组织问题 标示 则能促进内在联结的建立 标示 的技巧在于 在教科书中安置一些非内容的文字 用以强调教科书结构和 组织 标示虽然没有实质性的讯息提供给学生 但却可以使 结构显得更加清晰 有利于学生把讯息加以组织 标示的例 子很多 如标题 节要 编码 加强效果 等等 或者单独 设置一个栏目作为标示 例如 在与学生和教师的访谈中 当问及 你用的教科书中分布在书中的哪些部分啊 学生 和教师几乎脱口而出的就是章末的 阅读材料 这说明在 学生和教师记忆中这种标示讯息已经形成一个固定的观念 架构 附于教科书的 附加问题 也扮演着非常重要的角色 能够帮助学生对阅读材料更加注意 将注意力集中在某些特 定形式的讯息 以及能够帮助建立内在以及外在联结 例如 俄罗斯高中人文取向数学教科书中的阅读材料介绍 并不满 足与当前学习内容知识的数学史介绍 而是在此基础上提供 了 更难得材料和困难的材料 作为附加的数学史 有些甚 至与标准课程毫无关系 难度也非常高 从抽象代数到拓扑 学内容都有 当然 这部分内容是纯粹是选学的 一般来说 教科书中的这种材料被分解成 3 个层次 必须的材料 是 为了满足所有学生学习用的 更难的材料 也是提供给所 有学生的 困难的材料 可能连教师都不在课堂上讨论 仅仅是提供给学生独立学习 研究 使用的 16 但这些附 加问题对于刺激学生获得特定的讯息 促进学生的进一步学 习有非常大的帮助 俄罗斯教科书中数学史的这种编排值得 中国教育工作者思考和借鉴 3 3 对呈现形式的思考 教科书呈现从总体上 理论上和本质上来讲 就是 文 字叙述 和 可视化呈现 两种基本形式 有些学者把除了 文字呈现外的可视化呈现 又再细分为图片 图文 图形 头像 图表是毫无实际意义的 文字叙述和可视化呈现二者各有优劣 互为补充 文字 的描述能够确切的阐明数学史内容的基本内涵 但当设计的 知识内容较为复杂 发展历程较为漫长且涉及到不同文化的 时候 单纯的文字模式可能使读者 教师 学生 无法由文 字线性式叙述建构非线性式复杂网络 而可视化呈现方式则 能较为直观的表达非线性知识构架 弥补了单纯文字叙述模 式的不足 已有的研究表明教科书中的图表 照片 图画 图表 图形 线条画 漫画 流程图等可视化呈现 对学生的学习 确有正面的影响 教科书中的图表能加强学生学习的趣味 性 并可影响学生的情绪和观感 能够有效的导引学生 使 其对教科书产生兴趣或唤起注意力 同样能改善学习者的理 解和记忆力 促使其更好理解教科书学习内容 17 教科书中的图表主要有装饰性 表征性 组织性 理解 性和转换性 5 种不同的功能 18 装饰性功能虽然能增加教 科书对学生的吸引力 但学者研究表明单纯装饰性图表无助 于学习 而转换性功能对加强学习最为有效 所以教科书中 相对孤立的关于数学家的背景图片根本无益于学生知识的 学习 只是获得了感官上的刺激而已 因此 建议高中数学教科书中的数学史编写要注重文字 叙述与图表的关联性 重视数学史所表述的事件 人物和概 念等元素组织性 并重视加强理解性功能 最终转换成学生 的深入理解和心像记忆 而不是单纯的图片呈现或简单的文 字叙述 这样的数学史呈现无助于学生的学习 总之 数学史进入数学课程 教科书已成为国内外数学 教育的大势所趋 数学家 数学教育研究者和一线教师都认 识到了数学史在数学课程中的重要价值 然而 在国内外长 期开展的数学史融入教科书的研究中 始终未能形成相对统 一的研究结论 数学教科书中的数学史编排与呈现问题还需 要深入的理论探讨和编写实验 通过各类不同版本教科书中 不同类型 不同方式的实验逐渐摸索更加有效的途径 不断 提高数学教科书中数学史呈现的有效性 参 考 文 献 1 张奠宙 我亲历的数学教育 1938 2008 M 南京 江苏教育出版社 2009 2 钟启泉 现代课程论 M 上海 上海教育出版社 2003 3 P J 戴维斯 R 赫什 数学经验 M 王前 俞晓群译 南京 江苏教育出版社 1991 4 刘鹏飞 徐乃楠 王宪昌 数学价值观是数学文化研究的重要内涵 J 数学教育学报 2012 21 4 73 75 5 王宪昌 数学与人类文明 M 延边 延边大学出版社 1990 第 2 期 徐乃楠等 高中数学教科书中的数学史呈现研究 65 6 张维忠 数学教育中的数学文化 M 上海 上海教育出版社 2011 7 黄显华 霍秉坤 寻找课程论和教科书设计的理论基础 M 北京 人民教育出版社 2005 8 弗赖登塔尔 数学教育再探 在中国的讲学 M 上海 上海教育出版社 1999 9 杨豫晖 魏佳 宋乃庆 小学数学教材中数学史的内容及呈现方式探析 J 数学教育学报 2007 16 4 80 83 10 汪晓勤 法国初中教材中的数学史 J 数学通报 2012 3 16 11 罗新兵 魏金英 刘阳 等 高中数学教材中数学史分布的特征和模式研究 以北