澳大利亚IB数学教材特点的介绍

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  【摘要】本文就澳大利亚IB(International Baccalaureate)数学教材中函数部分内容的整体特色,以具体的例子来介绍,旨在说明该套教材在某些方面有一定的特点,值得我们教材编写人员和教研人员的学习和借鉴.
  【关键词】澳大利亚IB;数学教材;函数;特点
  1IB介绍
  IB(International Baccalaureate)是一个非盈利性的教育基金会,成立于1968年,总部设在日内瓦,在北京、布宜诺斯艾利斯、纽约、新加坡等11个城市设有办事处.整个IB的课程分为四个阶段:小学项目(PYP)、中学项目(MYP)、大学预科项目(DP)和IB职业相关课程(IBCC).无论是在哪个阶段,课程都十分关注培养学生的国际视野.DP阶段(Diploma Program)是整个IB课程系统中最早开设的阶段(1968年).这个阶段的课程对16到19岁的学生开放.整个课程为时两年,相当于中国的高二、高三,完成DP阶段的课程后即可进入大学进行学习.整个课程分为六门学科组课程和三门核心课程.每一门学科组课程都分为高等级课程(Higher Level)和标准等级课程(Standard Level).对于高等级的课程,学生被要求完成至少240小时的课程,对于标准水平的课程,学生至少要完成150小时的课业.
  2IB数学教材及其特点
  笔者在研读澳大利亚高中IB数学教材(MATHEMATICS HIGHER LEVEL (CORE))(3版3次)后,发现该套高中教材有一定的特色.该套教材是由Fabio Cirrito为主编,Nigel Buckle,lain Dunbar为数学丛书编者的一套国际文凭大学预科数学高级教材.该套教材共27章,1068面,1997年由澳大利亚IBID出版社首次出版,目前已经是第3版3次印刷.该套教材的每次修订都在广泛征求一线教师、教研人员和学生的意见的基础上,进行了大量的修订,使得教材日趋完善.学生只有学完教材中的知识内容,考试合格方可进入国际文凭大学.该套教材内容涉及到我国现行普通高中数学课程标准的大部分内容,但其编写顺序、知识的呈现方式和方法有些不同,现将这套教材的函数部分(一次、二次函数,绝对值函数,分段函数,方程和不等式,多项式,二项式定理,图形的变换,指数函数、对数函数和幂函数,数列,三角函数和反三角函数,复数等)的若干特点归纳、整理成文,与同行交流.
  2.1开篇整体介绍
  教材第一章(Chapter 1Theory of Knowledge)主要介绍数学在古代和现代文明的发展史中扮演着重要的角色,特别是在天文、航海、建筑、桥梁等方面的影响,并列举了大量的实例.并且还介绍了数学的公理体系和几条公理,证明的几种方法——列举法,直接证明和间接证明(反证法)以及数学悖论.同时还介绍了理论数学和应用数学的相关知识,数学的美与和谐.最后,列举了几道经典题目,如孪生数的对数猜想、哥德巴赫猜想、求梅森数和立体几何等问题,这些问题看似简单,但解决起来非常复杂,甚至目前为止还没有解决的一些问题.
  从开篇第一章可以看出,编者通过详细的实例——从古到今的数学的用处,数学的美,数学应遵循的公理体系,证明的方法,以及一些问题抛给学生,让学生体会到数学不仅有用,而且还存在很多未能解决的问题,激发学生的求知欲望.我们的教材出版机构和教材编写人员在组织编写教材时,能否在开篇不讲具体的知识,而是通过具体的实例和图形,将数学的作用、结构和遵循的方法,数学解决的主要问题简单地进行说明,让学生对数学有整体的了解和全面的认识.
  2.2呈现直观、易懂
  数学教材中通常包含文字、符号、图形和表格语言,但作为数学学科来说,抽象是数学学科的主要特征,很多教材通过大量的文字来阐述公式或者一个定理,学生望而生畏.若能通过图表形式呈现,学生容易直观地理解并记忆.澳大利亚这套国际文凭大学预科数学教材中,有多处将难以理解的数学解题思想和方法,归纳和总结等通过图表的形式呈现,直观、容易理解.
  (1)综合除法的表格表示
  若多项式A(x)=a3x3 a2x2 a1x a0除以(x-k),所得的商是多项式Q(x)=b2x2 b1x b0,余数是常数R,则有A(x)x-k=Q(x) Rx-k.如何确定b2,b1,b0,R的值,可以通过综合除法来求,也可以编制如图1所示的表格,通过表格可以直接写出b2,b1,b0,R的值,即
  b2=a3,b1=a2 kb2=a2 ka3,b0=a1 kb1,R=a0 kb0
  (2)函数与关系的图形表示图2
  如图2所示,从图形上可以看出,函数是一种特殊的关系,是关系的子集.另外,复合函数的存在性(即两个函数能否复合),复合后的定义域和值域与复合前函数的定义域和值域的关系,通过图3、4所示的图形和表格,可以将它们的关系直观化和可视化,可以知道复合函数(gf)的定义域、值域和函数f,g的定义域、值域的关系,即复合函数gf存在的前提是rfdg,同样地,复合函数fg存在的前提是rgdf,一目了然,便于学生理解和掌握.
  (3)用短句(口诀)帮助记忆图5
  如图5,例如在讲三角函数时,每个象限内三角函数值的符号,学生刚开始时很难记忆.但通过记忆如右的简单图形和短句(All Stations To City)就可以知道各个象限内三角函数值的符号的正负,即在第一象限内,所有三角函数值为正;在第二象限内,只有正弦函数值为正,其他三角函数值为负;第三象限内,只有正切函数值为正,其他三角函数值均
  为负;在第四象限内,只有余弦函数值为正,其余均为负.
  2.3注重通性通法
  该套教材函数部分内容始终与图形紧密结合,注重通性通法,结合函数图形可以解决很多问题,如函数的零点,方程的解和不等式的解集.例如在第三章多项式(Polynomials)中,内容涉及到多项式的剩余定理、因式定理、绘制一般多项式函数的图像,根据函数图像了解根的情况.余数定理,即对于任意多项式P(x)=anx an-1xn-1 an-2xn-2 … a1x a0来说,除以(x-α)的余数是P(α);因式定理,若(x-α)是多项式P(x)的一个因式,当且仅当P(α)=0.上述两个定理的证明容易,有了这两个武器后,勾勒一般函数(高于3次)的图像并非难事.多项式的分解和穿过x轴的关系如下:   (1)当P(x)=(x-a)(x-b)(x-c)…,其中a≠b≠c≠…,曲线将穿过x=a,x=b,x=c,…,在每一个点,曲线穿过该点的形状是如图6所示,共4种情形.
  (2)当P(x)=(x-a)2(x-b)(x-c)…,其中x=a时P(x)=0二重根,且a≠b≠c≠…,函数y=P(x)的曲线穿过x=a时,符号不改变,曲线在x=a附近的形状如图7所示,共2种情形.
  (3)当P(x)=(x-a)3(x-b)(x-c)…,其中x=a时P(x)=0三重根,且a≠b≠c≠…,函数y=P(x)的曲线穿过x=a,曲线穿过x=a时的图像如图8所示,共2种情形,根据上述三点可以勾勒一部分函数(n≥3)的图像,特别是容易因式分解的多项式的函数图像.
  实际上,学生若能掌握上述三点,在研究一些函数的单调性、凹凸性和极值很有好处,避免了繁琐的求导计算.不过,本方法也存在一些弊端,难在将一些多项式正确地进行分解因式.另外,本套教材还充分利用变换的观点,即利用平移、旋转、反射和放缩的变换的思想,从基本的图形开始,通过分析图形的变换,最后达到能够绘制复杂的图形,直观地分析图形的性质.
  2.4与技术结合紧密
  澳大利亚这套教材充分利用信息技术,使用数学软件,图形计算器(T1-83)等,帮助学生发现问题,分析问题和解决问题,特别是将学生从繁杂的计算、图形的绘制中“解放”出来,用更多的时间进行构思和创造性的研究.例如利用图形计算器解方程(组)、不等式(组),计算组合数和三角函数,作函数的图像,根据函数图像研究函数的性质,以及在同一坐标中作不同函数的图像,通过比较函数图像,研究各种变换(平移、旋转、伸缩、对称和反射)对函数图形的影响,将抽象的问题通过直观的图形体现.另外,图形计算器还能够作两组关联数据的散点图,根据散点图来选择哪类函数进行拟合,计算一组数据的平均值、方差、标准差和期望值等等.总之,与新技术紧密结合是该套教材的一大特点,鼓励学生充分利用新技术来做数学,减少繁杂重复的计算.
  2.5习题量多、偏应用
  本套教材在每节后面配有大量的习题,如在解含有绝对值的一次式方程(Linear Equations involving Absolute values)时,本节有两道例题,在后面配有八道练习题,每道练习题有2~12个小题,难度从低到高,内容涉及到各个方面,并且有些超难题.练习题的配置还有一个显著特点,那就是偏重应用.实际上,函数部分习题主要考察学生的运算能力和推理能力,很难与实际生活结合起来.
  本套教材的例题和习题,有很多题来源于实际生活.例如在讲指数函数模型时,有关细菌随时间的增长,矿物质随时间的减少,机器随时间折旧,光的强度通过水域时强度减弱等等,涉及到医疗、卫生、环境和科技等各个方面.同样,对于对数函数模型,数列(等差、等比,复利率和养老金),三角函数等等,几乎涉及到社会生活的方方面面,让学生感知到数学的应用和魅力.
  2.6注重内容连贯
  本套数学教材非常注重内容的连贯性.首先,讲代数的基本知识,如数轴、无理数、绝对值以及区间的表示方法;其次,讲二(一)次函数、方程和不等式,解一次、二次方程组等.最后,讲多项式,二项式定理,函数与关系,图形与变换,指数函数和对数函数,数列和级数,三角函数及其应用,复数(复数的几何表示和几何属性,复数的三角表示,复数域内多项式方程及其解,三角不等式、德模弗定理、代数基本定理)等等.通过连续地将函数知识介绍完,有利于学生系统地理解和掌握函数的知识,更加符合学生的认知规律.另外,统计与概率方面按照统计(描述数据、分析数据、统计测量),计数原理,概率,离散随机变量(数学期望与方差、二项分布、超几何分布、泊松分布、正态分布)等顺序,按照内容的关联度,连贯地串联而成,便于学生系统地了解和掌握知识.
  2.7关注数学与文化
  本套教材关注数学的本质内容的同时,注意文化的熏陶.例如在“指数函数和对数函数”章中,介绍了自然对数的底e历史,通过复利的计算,即当n趋于无穷大时的极限,即limn→∞1 1nn=e=2.71828…;再例如在对数函数的发现问题上,真数的乘除可以化为指数的加减运算,大大地减少了人类的运算量.关于对数的发明问题,苏格兰数学家、神学家纳皮尔(John Napier)和瑞士数学家布尔基(Jobst Bürgi),是否独立发表,谁先谁后的争议上都有介绍.实际上,纳皮尔于1614年出版了关于对数讨论的小册子,而布尔基于1620年独立地出版了他的发现.最后,在讲二项式定理时,展开项的系数与Pascal三角形数一致,在本书中,还提到了Pascal早期的概率理论的研究,同时提到了中国古代数学家杨辉对“杨辉三角形”的研究,且比Pascal的研究早很多年,等等.
  2.8重视演绎推理和细节
  该套教材的编写在关注合情推理的同时,始终按照传统的数学教材编写方式编写——演绎推理,特别关注数学的严谨性,同时也注重现代数学理论,经典方法与现代信息技术结合,让学生感知到不仅是学习数学,而是某种程度上参与数学问题的讨论.通常是介绍定理,从不同方面来证明,对于数学例题,从不同角度进行解答,规范解题步骤,最后达到定理的应用和总结.
  该套教材在细节方面也特别注意,譬如在讲复合函数时,通常情况下为什么有fg≠gf?对数的真数为什么不能为负数?等等,都很注重.
  2.9注重总结与归纳
  本套教材非常注重总结与归纳,例如解三元一次方程组时,把解的情况与空间三个平面的关系对应起来,并列出了空间中三个平面的8种位置关系.再例如二次函数ax2 bx c=0(a≠0)的根的三种情形;关系的四种类型(一对一、一对多、多对一、多对多),只有一对一才是函数关系,其他情况不是函数关系,并配有图示.在函数与关系章节中,列举了两个变量x,y的9种关系,它们分别为y=mx c,y=ax2 bx c,y=ax3 bx2 cx d,y=a×bkx c,y=ax-b c,y=ax b和y=alogb(x-c),y=a(x-b)2 c,(x-a)2 (y-b)2=r2,分别绘制它们的图形和进行了性质的说明.再譬如用正弦定理解三角形时,当已知锐角α和两边a,b,有四种可能情况,已知钝角α和两边a,b,有两种情况,均配有图示.
  3总结与反思
  本套澳大利亚IB高级大学预科数学教材是按照IB课程标准编写,有些内容比我国按现行课程标准编写的数学教材要难,例如在复数内容上,在概率统计内容上,在微积分内容上,甚至在函数内容上,有很多内容超出了我国现行数学教材的难度和深度,有些知识内容在我国教材中出现一点点,甚至没有出现.如复数的三角表示,代数基本定理,德模弗定理及复数的应用.再比如如何求三角函数(sin x,cos x,tan x)的反函数等,在我国现行教材中就没有出现.我们国家的教材建设经过一代又一代人的努力,积累了很多优点,希望我们的教材编写单位在发扬传统教材优点的同时,广泛吸取国外优秀教材编写经验,特别是国际上反响比较好的数学教材,共同提高我们的数学教材编写质量,培养出更加优秀的、与国际接轨的优秀数学人才.
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