◆蒋培杰　曹轩

高中数学实验室的发展

◆蒋培杰曹轩

定义与高中数学实验室相关的几个概念，按照发展规律将高中数学实验室的发展分为三个阶段。在这个基础上，阐述图形计算器在概念课、实验课和统计概率模块的应用，以及动态数学软件在教学中的应用，并讨论这些应用的优缺点。

高中数学实验室；图形计算器；动态数学软件

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.03.152

1　前言

现代教育技术正改变中学数学教学方式，ICMI 12的72个正式报告中多至8个报告有关技术与数学教学，还有第18、19两个课题研究分别就数学教学如何应用技术进行讨论［1］。2014年3月，教育部《中小学“数学实验室”建设的研究》开题大会在北京召开，大会对高中数学实验室建设的国家标准等问题做了讨论，对研究做了具体规划。会议讨论了建立数学实验室国家标准的重要意义，提出了数学实验室建设的目的、数学实验室的功能、数学实验的作用以及如何建立数学实验室的国家标准等问题。

目前，全国各地已经建成一些有特色的高中数学实验室，并投入使用。然而调研发现，目前多数一线数学教师并不知道什么是高中数学实验室，不了解实验室的功能和意义。因此，介绍高中数学实验室对一线数学教师而言已经十分必要和迫切。

2　高中数学实验室相关的核心概念

本研究中与高中数学实验室相关的核心概念有三个：数学实验室、图形计算器和数学实验室教学。

数学实验室目前，对于数学实验室并没有统一的标准。一般认为，数学实验室应该包括桌椅、交互式白板、投影、计算机、手持学习终端（平板电脑或图形计算器）、物理传感器、传统教具、立体几何模型、器材存储柜等硬件设备，几何画板、超级画板、数学插图、算法框图辅助教学系统、统计分析软件SPSS、Maple等软件。本文中，数学实验室指至少包含桌椅、交互式电子白板、计算机、图形计算器硬件设备和几何画板软件设备的可容纳40人以上的多媒体教室。

图形计算器图形计算器是一种具有函数作图功能、动态图形功能、解方程（组）功能、数据处理功能、简单的编程功能和进行一些数理模拟实验等功能的计算器。它可以直观地绘制各种方程曲线和函数图象，还可以进行轨迹跟踪、动态演示，具有一定的交互性，是一种现代手持技术。

数学实验室教学数学实验室教学指利用数学实验室的软、硬件综合设备进行教学，既包括在实体数学实验室内进行的教学活动，也包括利用数学实验室内的设备（尤其是图形计算器，学生人手一台）在其他多媒体教室进行的教学活动。

3　高中数学实验室发展的三个阶段

高中数学实验室教学并非一个全新的问题，从最初的机器教学（程序教学），到CAI（计算机辅助教学），再到信息技术与数学课程整合，以至现在的数学实验室教学，它们之间有一种传承关系。因此，可以认为高中数学实验教学的发展已经历三个阶段。其中，第一个阶段以几何画板为主要的探究技术支持，第二个阶段以图形计算器为主要的探究技术支持，第三个阶段以初步成型的高中数学实验室综合软硬件设备为探究的技术支持。

以几何画板为主要的探究（实验）技术支持较早的以几何画板为数学探究的技术支持的研究可以追溯到20世纪90年代末期。比如：陶维林于2000年在《数学通报》上发表的利用几何画板做实验发现新的曲线的文章；李劲松在《辽宁师专学报》上发表的《以几何画板为平台数学实验室的创设》则明确提出创设以几何画板为主要技术支持的数学实验室。这些研究受当时教育潮流的影响，大部分是数学CAI方面的研究。此后有数千篇关于几何画板教学应用的文章出现，涉及高中数学教学的方方面面，如今几何画板辅助高中数学教学已经常态化。张景中对比了几何画板与超级画板等软件的功能与设计思想，总结了几何画板用于数学实验的优、缺点［2］。几何画板与其他动态数学软件诸如超级画板等已经在不少数学实验教学中得到应用。

以图形计算器为主要的探究（实验）技术支持在几何画板作为数学探究技术支持的同时，图形计算器逐渐走进课堂教学。在2001年，《数学教育学报》刊出的《谈谈图形计算器对我国数学教育的影响》一文提出，利用图形计算器与多种理、化、生等自然科学实验的探头相连接，就构成小型理科实验室。学生通过实验收集数据、进行数据统计，用直线或曲线进行拟合，建立数学模型对事物的发展做出预测，把他们所学到的数学知识用到实际问题的解决之中。这是统计概率方面的数学实验。Alan T.Graham则研究了使用图形计算器帮助字母运算的学习［3］。在图形计算器环境下，学生可以通过给变量赋值体验到变量变化对运算结果的影响，从而更好地理解字母运算。目前图形计算器已经成为中学数学实验室建设的必备（核心）硬件设备。

以高中数学实验室软硬件设备为探究（实验）的技术支持经过以上两个阶段的发展，尽管还没有高中数学实验室建设的统一标准，不少学校已经建成有自己特色的高中数学实验室。此时的数学实验可以综合几何画板、超级画板等数学软件以及图形计算器等硬件设备作为数学探究（实验）的技术支持。

4　图形计算器的在高中数学教学中的应用

在高中数学教学中，图形计算器的使用是一个比较热门的话题。一般认为，高中数学中有一些内容适合利用图形计算器进行教学，图形计算器的使用有助于一些概念课、实验课和探究课的教学。

图形计算器应用于概念课的教学利用图形计算器在函数作图、方程曲线、随机模拟、数据处理等方面的强大功能，可以改善数学课程内容的呈现方式与学习过程，缩短认知路径。图形计算器的使用可以让概念教学更加自然、生动。如在偶函数概念的教学中，可以利用图形计算器做出大量简单的偶函数的图象，让学生观察并找出图象的共同特征，从而导出偶函数的概念。这种“观察现象——总结规律——提炼概念”的方式，可以帮助学生更直观地建构数学概念。利用图形计算器围绕数学概念的学习和理解展开，但不能滥用技术，图形计算器只是辅助思考和理解，不能代替思考，更不能替代必要的作业和训练。

图形计算器应用于数学实验的教学本文中所提出的数学实验与物理、化学实验的含义相近，指利用图形计算器或者其他设备寻找学习对象数学上的规律，提出猜想或者检验某个已有的猜想，为猜想提供一些不完全归纳意义上的证据的一种综合活动。图形计算器应用于数学实验的教学目前有借助图形计算器的随机功能，创设随机问题模拟数学情境。在这样的情境下，学生可以动手操作，观察和获取模拟实验的结果，如抛硬币的随机试验和通过模拟“撒豆子”计算圆周率等。模拟实验主要依靠图形计算器的简单编程功能。此外，很多数学探究教学也同时是数学实验教学。如利用图形计算器作函数y=Asin（ωx+φ）的图象像，观察振幅（或相位等）对该类函数图象的影响，从而得出规律，等等。

图形计算器应用于统计概率模块的教学在统计概率的教学中，图形计算器的使用已经较成熟，相关的研究也已经不少。Alan Graham开发了很多图形计算器用于统计教学的案例，阐述了图形计算器可以帮助学生获得重要的统计学洞见和深刻的统计学思想。Jonaki Ghosh的研究记述了高一学生使用图形计算器进行概率模块学习的整个过程。授课在常规教室进行，使用的图形计算器是Casio CFX 9850。研究发现，利用图形计算器能有效实现随机数、随机试验和样本空间等概念的教学，凸显了频率和概率的联系与区别。研究记录了课堂教学后学生的主要反馈：“这些课帮助我探索和理解了概率的基本原则和思想。”“这些课让我清楚明白了频率和概率的区别，并让我深刻认识到了两者之间的联系。”研究得出一些结论：学生能根据自己的需要利用图形计算器做模拟试验，能体验到数学发现的喜悦；图形计算器辅助教学较传统教室能更集中学生的热情和兴趣；图形计算器的使用可以增进交流，提出比传统课堂更多的问题；图形计算器可以通过大量试验帮助学生估计随机事件的概率，突出频率和概率的区别［4］。

5　动态数学软件在高中数学教学中的应用

几何画板在一些概念课的教学方面，应用几何画板可以将数学概念的形成过程呈现出来，可以直观看到各种模式中数量关系的变化，可以把数和形的内在关系及其变化动态生动地展现出来，让学生可以从这个过程中观察、实验、思考并建构数学概念。在解题教学方面，一些有关函数含参的问题可以借助于几何画板做出图象，观察图象的动态变化，进而把“数”的问题转化为“形”的问题，把抽象的问题转化为直观的问题，对解题有很大的帮助。在平面几何解题教学中，几何画板作图漂亮且十分方便，借助几何画板可以呈现解题从审题到回顾的全过程。

超级画板由于几何画板更偏重“形”的方面，在代数、统计、算法等方面不能很好地满足教学的需要，超级画板在某种程度上弥补了这些不足。超级画板集成了几何画板（动态几何）、PowerPoint演示文稿、Excel电子表格、Mathematics符号运算、VB算法编程等多种软件的基本功能，并在此基础上增加了动态测算、逻辑、动画、自动推理等功能［2］。因此，超级画板与几何画板相比，其功能更为强大，并且更方便用于一线教学。遗憾的是，超级画板部分功能需要付费使用，这一点影响它的使用范围。

6　结语

高中数学实验室已经逐渐进入学校，不少学校已经开始使用高中数学实验室进行教学。作为一线教师，了解高中数学实验室、了解图形计算器等实验室技术的使用，不仅可以拓展自己的视野，还可以为未来更好地应用高中数学实验室技术进行教学做好准备。

［1］曹一鸣.数学教育研究与发展趋势：第12届国际数学教育大会的启示［J］.数学通报，2012（11）：25-27，37.

［2］张景中，彭翕成.三款数学教育软件的比较与设计思想分析［J］.中国电化教育，2010（1）：107-113.

［3］Graham A T. Building a versatile understanding of algebraic variables with agraphic calculator［J］.Educational Studies in Mathematics，2000，41：265-282.

［4］Ghosh J. Exploring Concepts in Probability: Using Graphics Calculators［J］.AMT，2004，60（3）：25-31.

G633.6

B

1671-489X（2016）03-0152-02

作者：蒋培杰，桂林中学，桂林市优秀数学教师，研究方向为数学教育（541001）；曹轩，宜昌市夷陵中学，研究方向为代数（443005）。