小学数学实验教学是运用“做数学”理论,借助物化工具,让学生在实验目的的引领下,进行规范的实验操作,通过数学化分析,以帮助学生个性化建构数学意义,发展数学思维,培育创新意识。数学实验丰富了学生数学学习方式,让学生“经历观察、实验、猜测、计算、推理、验证等活动过程”,在亲身体验与探索、实践与反思中发展数学思维。数学实验教学已经成为大家的共识,在项目研究中也取得了丰硕的研究成果,但是,立足于数学实验教学的常态化实施,还存在对数学实验教学内涵理解偏差,特征把握不清,课程架构单薄,教学行为失衡,实施条件欠缺,能力培育滞后等问题,部分学校把数学实验教学当作教学活动的“点缀”,不能发挥更大作用。为此,探索数学实验教学的常态化实施策略,就显得尤为重要。本文立足于小学数学实验教学的常态化实施,以内涵建构为突破口,围绕内容序列,课型范式,资源建设,能力培育四个方面进行系统化、序列式架构,形成常态化推进的实践策略。
一、构建常态化实施的理论模型
小学数学实验教学的常态化实施,需要教师正确认识数学实验教学的内涵意蕴,厘清数学实验“是什么”“为什么”“怎么做”等相关概念,架构小学数学实验教学的理论模型(如图①),能促使学校教师对数学实验教学进行系统思考、自觉实践。
数学实验教学架起学科育人的桥梁。学科育人是小学数学教学的价值追求,而在小学数学教与学的过程中,让学生学会思维是实现学科育人的重要途径。数学实验教学契合小学生的年龄特点,让学生在动手操作中学习数学,激发学习的兴趣;通过数学实验,丰富数学思维活动体验,从而学会思维;数学实验鼓励学生用自己喜欢的方式学习数学,个性建构知识意义,催生创新意识。因此,数学实验教学启思明理,架起了数学教学走向学科育人的桥梁,实现数学学科的高质量发展。
数学实验教学需要系统实践。数学实验教学的常态化实施是“价值认同、内容选择、课型提炼、工具开发、能力养成、评价支持”的系统实践的过程,这一系统构建的内容也 “筑起”了数学实验教学的“主体框架”,成为数学实验教学常态化实施的“四梁八柱”。在系统实践过程中,可以借助文献研究,开展调研反思,厘清“数学实验”的内涵,凸显数学实验“知行合一”“个性建构”“启智明理”的实践价值;可以开展课题研究,注重基于校情、学情的案例提炼与应用,边实践、边总结、边应用,从而构建课堂实践新思路、新样态,促成实验教学课型范式的建立;可以聚焦关键环节,明确实验教学的一般要求和教学范式,促进理论与实践融合,更好地推动落实常态化教学实施。
二、架构常态化实施的内容序列
小学数学实验教学的常态化实施,需要对小学数学教材中适合以实验方式开展教学的内容进行梳理,同时合理开发数学实验教学内容,架构起数学实验的教学内容序列,并根据不同的教学内容,设计不同的实验教学。
分类梳理实验教学内容。梳理实验教学内容一般可以分成三类。第一类,梳理基于教材创编的实验教学内容,主要是针对教材中的某个知识点(例题、练习题、动手做、思考题等)或某个教学环节,结合具体教学内容适当创编实验;第二类,创生延伸教材拓展的实验教学内容。主要是针对教材中操作性、综合性较强的教学内容(“动手做”、“思考题”、“探索规律”和“综合与实践”等),教学时间为一节课,能够适当延伸、拓展的实验;第三类,整合教材的主题性实验教学内容。主要是针对教材中与学生现实生活联系紧密的内容(如“综合与实践”),整合数学学科知识的综合或跨学科知识,自主开发的主题实验。
表一:三年级下册数学实验方案设计示例(部分)
教材内容 及页码 | 实验 主题 | 内容 类型 | 实验目标 | 实验工具 | 关键能力 |
两位数乘两位数 第1-5页 | 两位数乘整十数口算、笔算 | 基于教材的创编性实验 | 通过点子图,理解两位数乘整十数口算的算理及两位数乘两位数笔算算理,建立算法;通过实验测量活动,产生解决问题的估算需求并探寻其方法。 | 点子图、土豆、天平称 | 运算能力 几何直观 |
有趣的乘法计算 第18-19页 | 乘法巧算 | 延伸教材的拓展性实验 | 通过观察、计算发现乘数是11,同头尾合十的乘法计算规律,数学地表达乘法灵活运算的规律及发现过程。 | 计算器 | 运算能力 推理能力 |
千米和吨 第20页 | 1千米有多长、1吨有多重 | 整合教材的主题性实验 | 课中通过学生手拉手排队、搬10千克物体等活动,体验并建立1千米、1吨的直观体验,进行概念推理;课外通过走进生活的实验活动,拓展对1千米、1吨及几千米、几吨的量感,灵活解决生活中的实际问题。 | 卷尺、计时器、台秤、1千克大米、水、水果等 | 空间观念 推理能力 |
分类设计实验教学。针对不同的教学内容,小学数学实验教学可以设计成三种类型。第一类,围绕一个知识点理解而开展的数学实验,这类实验以教材创编为主,内嵌于知识学习过程中,是数学问题理解的某一方面,目标聚焦,内容单一、紧凑,通过实验直接指向于对内容的理解与问题的求解,比如“1毫升滴管中的水可以滴几滴?”“22根小棒怎样围,围成的面积最大”。第二类,由若干连续数学实验构成的组块实验,这类实验贯穿于一堂课始终,其主要表现有两种:串联式,即一堂课由几个数学实验串联构成,每一次实验都是对前一次认知的深入,呈现认知的逐层递进,比如“三角形内角和”,从量三角板各角的度数,到折、拼三角形求各角之和,再到借助几何画板的穷举例证,最后进行适度的演绎证明,学生对“三角形内角和”的分析逐步深化,思维不断丰富;并联式,即一堂课由几个相同层级、不同侧重的实验内容构成实验验证环节,每一次实验都是对数学对象的认知丰富,比如“一张A4纸可以对折几次”,围绕纸张大小、厚薄两个变量,进行“大小不变,厚度与次数的关系”“材质不变,大小与次数的关系”两次实验,共同说明“一张A4纸对折次数的问题”。第三类,主题式课内外融合实验,这类实验以整合教材的主题活动为主,结合长段学习探究经验,丰富对数学知识的理解。比如“千克的认识”,开展数学阅读、生活体验、“身体秤”比拼等主题体验活动,提升学生量感。
三、生成常态化实施的课型范式
小学数学实验教学的常态化实施,需要生成课型范式。基于课型范式开展常态化实践,有利于积聚教师的研究成果,引导教师主动探索数学实验教学的规律,促进教师反思数学实验教学的经验;同时,数学实验教学课型范式的生成,又促进数学实验教学的成果辐射,提升数学实验教学常态化实施的成效。
基于课型生成开展教学实践。常态化实施中要注重教师数学实验教学的设计能力提升,借助不同教学内容的系列案例分析,打通目标、内容、工具与方式的内在联系,注重一致性分析,提炼形成小学数学实验教学的教学设计流程(图②),为规范化操作与个性化创生提供参照。特别是要强调小学数学实验教学的表现特征,即:“鲜明的实验目标”“合理的实验设计”“规范的实验操作”“数学化的分析”,准确把握特征,设计课堂教学问题及实验活动组织,以更好地体现实验教学特点。数学实验教学的常态化实施,需要教师立足高质量国家课程,结合课程标准的教学要求,从内容维度、时空维度,构建小学数学实验教学常态化实施的课程框架。一方面,要结合内容选择,系统规划学期教学课时比例,切实保障小学数学实验课应有的课时(约占30%);另一方面,要拓展教学时空,沟通教材内外、课堂内外乃至校园内外资源,形成实验项目研究主题,开展跨学科的综合性学习,促进学校学习与生活实践的融通。
辐射课型范式的示范效应。在数学实验设计与教学的基础上,针对不同的教学内容,结合儿童认知规律与思维特点,形成可操作、可评价的实验教学的课型范式:规律发现式、策略探究式、问题解决式、意义建构式四种(图③)。这些课型范式,都直接来源于具体课例,具有鲜明的实践指导价值,可供广大教师针对不同的教学内容开展数学实验教学。同时,引导教师注重每一课型范式的发展性与灵活性,兼顾区域、学校、班级学生的学情特点,根据数学实验教学的实际,对课型范式进行“变式”创新,更好地提升数学实验教学效能。
四、开发常态化实施的实验工具
小学数学实验教学的常态化实施,需要有数学实验工具,让数学实验教学便捷开展。数学实验工具的开发,可以以学校为单位,共同研制、一起开发、共享使用。为了方便使用,学校可以加强数学实验室的建设,既为学生的数学实验营造良好的学习环境,又可以集中存取相应的数学实验工具,为师生常态化实施数学实验教学提供便利。
一起开发数学实验工具。数学实验中的“物化工具”需要教学开发,依据数学实验内容,引导教师开发、研制。一方面可以用好现有的数学实验材料,例如现成的“学生数学实验材料盒、教师数学实验工具箱”等物品;另一方面还可以根据“转换、改造、购买”的原则,把一些儿童的玩具,或现成的生活用品,转化成为数学实验工具。(见表二)
表二:小学数学实验五年级下册实验工具一览表
类别 | 工具 | 主题 | 用途 |
容器类、测量类 | 陶瓷杯、陶瓷碗、温度计、计时器 | 水温下降速度 | 通过测量陶瓷杯和陶瓷碗中水的温度,收集数据并绘制统计图。 |
容器类、物品类 | 装满土的两个盆、装水的罐子、蒜头 | 蒜叶的生长 | 通过在水中、阳光下和房间里等情况的实验培育,记录根须和蒜叶生长情况。 |
计数类 | 百数表、计数器 | 3的倍数的特征 | 通过圈画百数表,操作计数器等活动,探索并掌握一个数是3的倍数的特征。 |
形体类 | 边长4厘米和6厘米的正方形、长18厘米宽12厘米的长方形 | 认识公因数 | 通过长方形中拼铺正方形,理解公因数的含义,找到求最大公因数的方法。 |
形体类 | 长3厘米宽2厘米的长方形、边长6厘米和8厘米的正方形 | 认识公倍数 | 通过用正方形拼铺长方形,理解公倍数的含义,找到求最小公倍数的方法。 |
形体类 | 长方形彩条 | 建造“分数墙” | 通过对长方形彩条的实验操作,进一步理解分数的意义,明确单位“1”中包含多少个分数单位,及相应分数单位之间的关系。 |
形体类 | 正方形纸 | 分数的基本性质 | 通过对正方形纸的实验操作和观察,借助分数墙,探寻分数的基本性质,合理表达发现的规律。 |
测量类、实物类 | 球、卷尺 | 球的反弹高度 | 通过测量球的反弹高度,收集、整理和分析数据。 |
形体类、测量类、实物类 | 圆片、直尺、绳子 | 认识圆周率 | 通过对工具的实际操作,感知圆的周长与直径的关系,认识圆周率。 |
拼接类 | 平均分成8份和16份的圆 | 圆面积计算 | 通过对工具的实际操作,探索并掌握圆的面积公式,体验“化曲为直”的转化思想和“极限思想”。 |
形体类 | 小圆片 | 连续奇数求和 | 通过操作小圆片,形成几何直观的思维路径,探索连续奇数求和中的规律。 |
创新建设数学实验教室。数学实验室是学校开展数学实验教学的有力保障,学校充分挖掘校园空间的潜力,探索数学实验室的建设策略,建成具有学校自主个性的数学实验室。数学实验室一般包含“体验区、展示区、学习区、文化区”四个区,体验区是供学生自主体验用的,可以让学生自主开展体验活动,例如可以设计用不同形状的轮子做成的自行车,让学生骑上亲自体验“为什么自行车的轮子要做成圆的”;展示区是展示学生在学习过程中形成的数学实验报告,或是学生自主开发的数学实验工具,把学生的数学实验成果积聚起来,供启发借鉴;学习区是教师开展数学实验教学的区域,在该区域配有可上网的电脑,提供丰富的数学实验工具;文化区是数学文化的展示区,布置丰富的数学文化素材,营造良好的数学学习氛围。数学实验室的四个区可分可合,有条件的学校可以选择较大的空间,把四个区建设在一起,当然,如果学校的校园空间不允许,也可以充分利用教室、连廊、地面、角落等校园空间分散建设。
五、开展常态化实施的自主评价
小学数学实验教学的常态化实施,需要关注学生在数学实验教学的表现,通过自我反思评价,提升数学实验能力,确保数学实验教学的顺利展开;同时,要以数学实验的设计与实施,引导教师数学实验教学的反思力提升,让教师能够自主开展研究,提高数学实验教学实施效果。
引领学生开展自我反思性评价。结合小学生数学实验能力形成的阶段性特点,分成“情感态度、实验过程、实验结果、成长感悟”四个项目,设计学生开展数学实验活动的自我反思性评价表(见表三),让学生在数学实验过程中,自主反思自己的表现,自觉培养数学实验能力,提升做好数学实验的信心。
表三:学生数学实验自主评价表
实验名称:
评价项目 | 具体内容 | 自我评价 | 改进建议 |
情感态度 | 对这个实验是否感兴趣? | ||
与同学合作是否愉快、有效? | |||
实验过程 | 是否经历了完整的实验步骤,有序开展了实验? | ||
数学实验中遇到的最大困难是什么,怎样解决,结果如何? | |||
实验结果 | 怎样获得实验结果? | ||
用怎样的方式表达实验结果? | |||
成长感悟 | 在实验中的表现如何? | ||
数学实验为你的学习提供了怎样的帮助,你有哪些感受? |
指导教师自主反思自己的数学实验教学。数学实验教学的高质量实施需要教师积极开展教学,自觉反思教学水平,设计小学数学实验教学的课堂观察表(见表四),就是在数学实验教学的各个环节,观察学生的表现,反思教学实施的效果,从而便于教师自主优化教学设计。在常态化实施数学实验教学过程中,“课堂观察表”可以由教师自主应用,反思自己的教学,也可以在校本教研中开展相互评价,以“课堂观察表”作为研讨改进的“实证”。
表四:小学数学实验教学课堂观察表
序号 | 实验(教学)环节 | 学生表现标准 | 表现程度 | ||
好 | 中 | 差 | |||
1 | 明确实验目的 | 学会观察、比较,能用自己的话陈述数学现象或规律;能清晰、完整地提出实验问题。 | |||
应对问题,表现出积极的求知欲,能结合情境(现象)形成直觉认识,提出实验假设。 | |||||
2 | 设计实验活动 | 能主动调用原有的知识和经验,明确实验目的,指向认知,尝试并逐步能够独立设计实验步骤,提出相对完整的实验方案。 | |||
熟悉相关实验工具(物化工具、技术工具等)的使用方法,明确数学实验的具体要求。 | |||||
3 | 实施实验探索 | 能根据实验设计,恰当地使用实验材料;会设计并合理使用实验探究单。 | |||
能在实验中形成对问题情境的思维成果,选择自己喜欢的方法记录结果,并能将实验结论清楚地讲给他人听。 | |||||
能根据学习工具(如实验探究单等),开展个人及多人参与的实验活动,能有序分工,学会合作,形成实验结论共识。 | |||||
4 | 表达实验结果 | 能用数学的方式(文字、图形、符合、字母等)表达获得的认识、发现的规律、验证的结论。 | |||
能认真、仔细地倾听同学发言,并与自己的实验过程、结论进行比较,达成共识或提出合理化建议或问题。 | |||||
能大方地、有条有理地在表达实验过程及结论,有根有据地尝试解释实验结论的正确性或合理性。 | |||||
5 | 开展实验反思 | 能清晰地回顾实验探究的过程,包括提出了怎样的实验问题,如何设计与实施实验,怎样分析并表示结果。能反思总结实验活动的相关经验。 | |||
能主动对自己在实验活动中的表现进行评价。对数学知识获得深入理解,会主动迁移应用到新情境,达到结构关联状态。 |
总之,小学数学实验教学只有得到常态化实施,才能丰富学生的数学学习方式,让数学学习过程灵动、活泼,让学生在“做数学”的过程中,启思明理,激发学生数学学习的兴趣,丰盈数学思维的体验。小学数学实验教学的常态化实施,可以充分发挥研究组织力量,通过研究工作坊、名师工作室、校内项目组等形式,集聚研究力量,开展区域、学校间协同实践和探索,形成“项目组——学科骨干——一线教师”实践的逐层传导,通过构建实践共同体,以“学”打开思路,以“研”获取方法,以“做”丰厚认识,以“创”提升应用,让每个人深深卷入其中,打造教学实例,资源开发与应用课例、环境资源建设案例,以更好地发挥研究作用,推动数学课堂教与学的方式转型,实现学科育人目标。