对香港高中三角函数教材的研究

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  【摘 要】 三角函数知识是高中数学的核心知识,因此,三角函数教材的编写显得特别重要.通过对香港三角函数教材的研究,发现香港教材对三角知识的定位科学,知识内容呈现丰富,公式与定理的严格性水平较高,例习题的设置层次分明且综合程度高,而且教材注重基础性、探索性、开放性,与实际生活联系紧密.这些都对大陆三角函数课程建设与教材编写很有启发,值得借鉴.
  【关键词】 定位;知识呈现;严格性水平;综合程度;衔接
  函数是高中数学知识框架中最重要的支柱,三角函数是函数知识的重要组成部分.大家知道,大学微积分是以函数研究为对象的.因此,三角函数知识的强化或弱化对大学微积分学习影响较大.究竟高中教材对三角函数应做怎样的取舍,才能不对后续学习产生负面的影响呢?我们不妨研究一下香港教材.香港数学教育一向受英美影响较深,很有成绩.
  本文研究选取的是朗文香港教育出版社2009年出版的《新高中数学与生活》[1]系列教材,其中与三角函数有关的两本教材是《新高中数学与生活(必修部分)4B》(下文简称《必修4B》)与《新高中数学与生活(延伸部分)单元二——代数与微积分1》(下文简称《微积分1》).《新高中数学》教材系列在香港影响较大.希望通过我们的研究,能让教材与教参编写者有所借鉴,对一线教师有所裨益.
  1 三角函数在高中教材中的定位
  香港目前使用的各种版本的高中数学教材,都是依据2007年制订的《数学课程及评估指引(中四至中六)》编写的.教材内容分必修部分和延伸部分.朗文香港教育出版公司出版的必修教材共6本,《必修4B》是其中的一本,包涵了三角函数最基础的知识及简单应用.《必修4B》的序言指出:“为所有学生提供必要的数学基础,配合他们日后在不同领域进修的需要.”延伸部分备有两个选修单元,单元一有教材2本,单元二有教材3本.《微积分1》是单元二的第1本教材,属选修教材,包涵的三角函数知识是《必修4B》所选三角函数内容的加深与拓展,绝大部分知识与大学数学衔接有关联.《微积分1》的序言指出:“集中在更深层次的数学上,为希望学习高等数学的学生奠下巩固的代数与微积分基础”;“冀能对学生日后升学或从事与数学有关联的专业,有所裨益”.从这里可以看出,《微积分1》是供相当于大陆的理科学生选修的.
  香港教材将“三角函数”最基础的一部分内容定位为必修内容,将难度稍大且与大学数学衔接的内容定位为选修内容,对以后不同方向发展的学生作了不同的要求.反观大陆2007年编写的“人教A版”高中数学教材,将三角函数定位为必修内容,学生高中阶段所学的所有三角函数知识全编写在《必修4》[2]中.
  2 三角函数知识在教材中的具体呈现
  《必修4B》中的三角函数内容有132页(每页接近4A纸大小),大约18课时;《微积分1》中的三角函数内容有90页,大约14课时.两本书共有三角函数内容222页,大约共需32课时.
  《必修4B》中三角函数知识呈现在第10章“续三角”与第11章“三角学的应用:二维空间”.第10章的具体编排是:基础知识重温;101旋转角:处于标准位置上的角,四个象限;102 任意角的三角比:任意角的三角比的定义,三角比的正负值;103三角函数的图像:y=sinθ的图像,y=cosθ的图像,y=tanθ的图像,三角函数的周期性;104三角方程的图解法;105三角恒等式:(180°-θ)的三角比,(180° θ)的三角比,(360°-θ)的三角比,(360° θ)的三角比,(90° θ)的三角比;106 利用代数方法解三角方程;数学探究:直角三角形的正切值;IT活动:三角比的正负值,利用单位圆绘画y=sinθ的图像;点滴分享知多些:交流电与三角学在港灯电力供应中的应用;答案.第11章的具体编排是:基础知识重温;111 三角形面积:三角形面积,海伦公式;112正弦定理;113 余弦定理;114 三角学上的二维空间应用题:回顾,二维空间的应用题;数学探究:圆内接四边形的面积;答案.
  《微积分1》中三角函数知识呈现在第4章“续三角函数(一)”与第5章“续三角函数(二)”中.第4章的具体编排是:41弧度制:度与弧度制的转换,透视弧度法求弧长及扇形的面积;42三角函数:三角函数定义,三角关系,三角函数的图像;43解简易三角方程;答案.第5章的具体编排是:51 复角公式:正弦的复角公式,余弦的复角公式,正切的复角公式;52 二倍角公式;53 积化和差公式与和差化积公式;答案.
  《必修4B》介绍了海伦公式:△ABC的面积=s(s-a)(s-b)(s-c),教材还不避繁琐用代数方法严格地证明了海伦公式.《微积分1》第4章介绍了y=cscθ与y=secx两个函数.这样,诱导公式中多了1 cot2θ=csc2θ、secθ=1cosθ等公式.这些都是人教A版《必修4》中没有的知识. 《微积分1》第5章介绍了积化和差公式与和差化积公式,并给予了简单的证明.因为有了这些公式,《微积分1》中出现了:在△XYZ中,证明sinX sinY sinZ=4cosX2cosY2cosZ2这类例题,也出现了:化简
  sinπ9cosπ9 cosπ3 cos5π9 cos7π9这类习题.人教A版《必修4》给出了例题: 证明(1)sinαcosβ=12sin(α β) sin(α-β);(2)sinθ sinφ=2sinθ φ2cosθ-φ2.这是积化和差与和差化积两个公式,其他6个公式的证明放在习题中,但教材没有配套与这8个公式相应的练习题.
  三角方程内容在《必修4B》和《微积分1》中都出现过,由于没有编排反三角函数的知识,三角方程都是比较简单的,若不是特殊函数值就需查三角函数值表来解决.《微积分1》在《必修4B》的基础上,介绍了y=cotx、y=cscθ、y=secx的图像、周期性以及定义域与值域,但没介绍这些函数的单调性.人教A版《必修4》介绍了正弦、余弦、正切三个函数的单调性,并介绍了三角函数更一般形式的单调性的求法.恒等式证明在《必修4B》与《微積分1》中都有涉及.《必修4B》的恒等式证明大多利用诱导公式完成,难度较小;因《微积分1》介绍过积化和差与和差化积公式,所以《微积分1》中给出的恒等式证明题,若从难度上讲,大多比人教A版《必修4》中的恒等式证明题难度要大.   3 知识的呈现模式与严格性水平
  3.1 章首与章尾的内容与结构
  《必修4B》与《微积分1》呈现的三角内容共有4章.每章章首都标明了学习重点,并给出与本章内容密切相关的一个生活中的实际例子,起提纲挚领及导入新知识的作用;每章章尾附有本章摘要,起归纳总结的作用.以《微积分1》的第5章“续三角函数(二)”为例,章首标明的学习重点有3点;生活中的实际例子是“声波之总和”:在大自然中,声波之传播可以用正弦函数表示.当几个声波交叠時,只要把代表各声音的波加起來,便可得出合波.对于两个相同振幅的声波W1和W2,其合波可写成函数y=sinu sinv.这样就很自然地连接上和差化積公式.章末有重要词汇与重要概念.重要词汇有4条,均是中英文对照;重要概念包含19个重要公式.知识结构完整,内容前后呼应.
  人教A版《必修4》每章章首有类似于导言的文字,章末有小结.“导言”简明扼要,也起到了提纲挚领的作用.章末有小结,包含本章知识结构及回顾与思考两个方面.知识结构一般用框图形式呈现出来;回顾与思考有3点,回顾了本章的重要知识点,还提出了几个相关的问题,这对进一步巩固学生所学知识起到了较好的作用.
  3.2 重要概念的引入与公式的推导
  《必修4B》与《微积分1》在重要概念的引入上,一般是在旧知识的基础上拓展到新知识,从特殊情形拓展到一般情形.比如任意角的三角比定义,《必修4B》先从锐角θ说起,利用直角三角形写出锐角θ的三角比,再定义一般角θ的三角比:将任意角θ放在坐标平面上,设P(x,y)是角θ终边上的任一点(异于角的顶点),定义sinθ=yr,cosθ=xr,tanθ=yxx≠0,其中r=x2 y2.这种引入重要概念的方法符合学生的认知规律.人教A版《必修4》的做法是,设角θ的终边与单位圆的交点为P(x,y),于是sinθ=y,cosθ=x,定义表述很简洁.比较而言,《必修4B》比人教A版《必修4》在细节的处理上要到位一些.教材中比较清晰地讨论了特殊角0°、90°、180°、270°和360°的三角比,利用数形结合的方法使基础一般的学生能很好地理解与记忆.
  在重要公式的推导上,《必修4B》与《微积分1》的做法与人教A版《必修4》有些不同.例如推导复角公式,《微积分1》先推导sin(A B)的结论:设在△OPQ中,过顶点O作OR⊥PQ,R是垂足,并设∠POR=A,∠ROQ=B.利用△POQ面积=△POR面积 △ROQ面积,证明了sin(A B)=sinAcosB cosAsinB.教材在此处提示了该公式对任意角也成立.因为角A与角B不是任意角,这样的推导过程不够严谨.人教A版《必修4》第三章是先推导cos(α-β)的结论的,证明过程中设α、β是任意角,利用单位圆和向量的方法完成了证明.这样证明难度稍大,但证明过程非常严谨.
  3.3 定理、法则与公式的严格性水平
  严格性一般划分为四个水平层次:水平1:直接给出理论,没有任何解释或证明;水平2:通过例子解释理论;水平3:较为严格地解释理论的正确性,但不进行证明;水平4:严格地证明理论.
  《必修4B》与《微积分1》两本教材中,正弦的两角和公式实际是由特例解释的,算不上严格的证明,达到严格性水平2;诱导公式、海伦公式、正弦定理、余弦定理、弧长公式、扇形面积公式、同角三角函数关系式、正弦两角差公式、余弦的两角和与两角差公式、正切的两角和与两角差公式、二倍角公式、积化和差公式、和差化积公式,均是通过严格证明得到的,达到了严格性水平4.
  人教A版《必修4》中,与-α和π-α相关的诱导公式、正弦的两角和与两角差公式、正切的两角和与两角差公式、正弦与余弦的二倍角公式都是直接给出的,没有严格证明,达到严格性水平1;与π2 α相关的诱导公式只给出了严格的解释,并没有证明,达到了严格性水平3;与π α和π2-α相关的诱导公式、余弦的两角和与两角差公式均通过了严格的证明,达到了严格性水平4.
  可见香港教材的严格性水平整体比较高.人教A版《必修4》的不少公式是直接给出,可能编者认为这些公式的证明并不难,学生可以举一反三自己完成.
  4 例习题的设置及综合性程度
  4.1 例习题的设置比较
  《必修4B》与《微积分1》的例习题编写很有特色,层次分明,坡度合理.课内有例题,大多深入浅出,展示不同的数学技巧.紧跟例题后面有即时练习,是些与例题一一对应的题目,以巩固学生的知识,有时后面还配有综合性稍强的跟进练习或课内练习.课后一般配有不少的练习题,按程度分为初阶和进阶,并备有开放式题目.每章末配有总复习题,按程度分为初阶、进阶、多项选择题及公开试题目,并为能力较强的学生提供香港数学竞赛题目.总复习外还配有少量的数学探究题与IT活动题.设置数学探究题的目的是透过富有趣味性的题目,培养学生数学解难题技巧,激发学生探索与研究的兴趣;设置IT活动题的目的是让学生熟悉新技术的运用,帮助学生对数学问题的深度理解.
  以《必修4B》的第10章“续三角”为例统计:例题19个,即时练习题19个,跟进练习题15个,课堂练习题5个.课外练习中,初阶练习题53个,其中有4个开放式练习题;进阶练习题48个.本章总复习题中,初阶练习题19个,其中有1个开放式练习题;进阶练习题26个,多项选择题14个,公开试题目5个,香港竞赛题4个,数学探究问题2个,IT活动题目6个.
  对应地对人教A版《必修4》第1章“三角函数”进行统计:例题25个,课内习题58个,课外练习A组题61个,B组题15个,探究题7个,IT活动题目1个.由此可见,人教A版《必修4》课内练习还是做的很扎实.课外练习共76个题,比《必修4B》的第10章“续三角”课外练习159个少了83个.
  4.2 例习题的综合性程度   例习题的综合性分为四种类型:类型1:与三角领域内其他知识的综合;类型2:与数学其他领域内知识的综合;类型3:与其他学科知识的综合;类型4:与具有实际生活背景的问题综合.
  仍以《必修4B》的第10章“续三角”为例,根据上述综合性的分类标准来统计:例题中属类型1有14个,类型2有2个,类型3有2个,类型4有1个;习题中属类型1有159个,类型2有30个,类型3有14个,类型4有12个.由此可见,《必修4B》的第10章“续三角”中的例习题,主要体现了三角知识在三角领域内的运用,突出对三角知识的理解与掌握,同时也兼顾到数学学科内各分支知识的联系,以及三角知识在其他学科上的综合应用.
  人教A版《必修4》第1章“三角函数”中,例题中属于类型1的18个,类型2的3个,类型3的2个,类型4的4个;习题中属类型1的61个,类型2的3个,类型3的2个,类型4的6个.可见,人教A版《必修4》主要关注学生对三角基础知识的理解和掌握,也注重三角知识在实际生活中的应用.
  5 启示
  5.1 香港教材内容丰富详实、系统性较强
  相对于英国和美国的三角函数教材,香港教材少了反三角函数内容.但相对于人教A版《必修4》,香港教材多了简单的三角方程、海伦公式、余切函数、正割函数、余割函数等.人教A版《必修4》虽然也出现过积化和差与和差化积8个公式,但因这8个公式只出现在例题和习题中,教材并没有把它们当公式用,也没有编排相应的巩固练习题,加之高考又不考,所以,这8个公式学生学了等于没学,在学生的知识链上没有留下多少记忆的痕迹.这样看,其实香港教材还多了积化和差与和差化积公式.我们常将三角学划分为“三角函数与方程”、“三角恒等变换”和“三角学的应用”.相对于这种划分,香港三角函数教材内容是完整的、丰富详实的,系统性较强.人教A版《必修4》相对于香港教材和2003年前的大陆旧教材,删减内容过多.没有了简单的三角方程,学生连已知三角函数值求角都不会做,因而连一些简单的三角函数应用问题也处理不了;不学积化和差与和差化积公式,若有稍微综合一点的三角恒等变形或证明问题,學生是没办法处理的.我们新的课程标准和新教材编写,要借鉴香港教材对三角函数内容的取舍方法.
  5.2 关注三角函数知识与大学数学的衔接
  我们都知道,无论是大学文科数学或理工科数学,在学习微积分内容时,都会学习求函数的定义域、值域、极限、微分、积分等知识,都会用到6个三角函数和4个反三角函数的知识及恒等变换技巧.从2003年开始,虽然高校出版的大学微积分教材多少会参照高中的课程标准,但是很少能找到衔接好高中知识的大学教材,因此大多数微积分教材得不到大一与大二学生的认可.由于高校的录取数量逐年增加,参加高考的学生75%以上都能被不同层次的各类大学录取,因此,不少二本或三本大学新生的数学基础并不算好,也不具备自学高中三角函数知识的能力;加之大学没有安排时间补习那些被弱化和被删减的知识,这样,相当一部分学生学习大学微积分很吃力,甚至不及格.参考英美各国教材和香港的教材,我们要树立长远的课程和教材理念,不要过度弱化或删减高中三角函数核心内容,为使学生学好大学微积分,高中应为他们打好相应的基础.
  5.3 进一步凸显习题设置的层次性
  习题既是知识的应用,又是知识和能力的再生.从上文研究可以看出,香港教材在习题设置上很有创意,内容丰富、层次感强.这种细化分层具有一定的弹性,照顾到了不同基础学生的意愿,让他们有很大余地去选择课内与课外的练习题;同时,这种细化分层使习题具有很好的坡度,知识点要求从单一到综合,技巧要求从易到难,容易使学生达到巩固和提高的目的.而且书中还附有答案,学生在练习过程中可以得到及时反馈,便于学生自学.我们的教材中习题分层简单,习题量小,因此学生的选择余地就小.不少老师为了弥补这一缺陷,就组织学生去找书商购买课外参考资料.经常因这些参考资料的质量参差不齐,影响了学生的课外学习.我们的教材编写者应该向香港的同行学习,学习他们对习题设置的理念与方法,能使我们的教材进一步凸显习题的层次性,发挥习题应有的功能和价值.
  参考文献
  [1] 文炳辉 杨仲明 张兴仁.新高中数学与生活系列教材[M].香港:朗文教育出版社,2009年.
  [2] 人民教育出版社 课程教材研究所 中学数学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书数学必修4[M].北京:人民教育出版社,2007年.
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