安徽省肥西縣上派初級中學(xué)數(shù)學(xué)課題組 衛(wèi)德彬 李祖海 劉 輝 (郵編:231200)
學(xué)習(xí)心理學(xué)指出:不同的年齡、經(jīng)驗(yàn)程度與學(xué)習(xí)能力密切相關(guān).現(xiàn)行全日制義務(wù)教育《數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》通盤考慮了九年的課程內(nèi)容,把“統(tǒng)計(jì)與概率”作為一個完整的學(xué)習(xí)內(nèi)容板塊,與“數(shù)與代數(shù)”、“圖形與幾何”及“綜合與實(shí)踐”一起貫穿于義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程始終,將“概率統(tǒng)計(jì)”放到與代數(shù)、幾何同等重要地位.統(tǒng)計(jì)與概率作為教材中一個新的內(nèi)容進(jìn)入數(shù)學(xué)新課程,必然帶來許多教學(xué)上的問題.因此,對初中統(tǒng)計(jì)與概率的難點(diǎn)剖析及教學(xué)策略的探究就顯得十分迫切.
統(tǒng)計(jì)與概率研究的對象、研究的思路與方式、以及獲得的研究結(jié)論的性質(zhì),都與初中學(xué)生過去所接觸到的數(shù)學(xué)內(nèi)容有根本的不同.他們以往學(xué)習(xí)的代數(shù)、幾何屬于“確定性”數(shù)學(xué),而統(tǒng)計(jì)與概率屬于“或然性”數(shù)學(xué),這對初中生來說是一個大的飛躍.由于知識儲備的不足以及新的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生已有的認(rèn)知水平存在的較大落差,初中生在學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)與概率的知識方面面臨著許多的困難.下面就這部分的難點(diǎn)作一點(diǎn)具體分析.
統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究對象是客觀現(xiàn)象總體的數(shù)量特征和數(shù)量關(guān)系,以及通過這些數(shù)量方面反映出來的客觀現(xiàn)象發(fā)展變化的規(guī)律性.知識結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立,而學(xué)生學(xué)習(xí)這一新知識的知識儲備卻很少.盡管教材編寫大都從對一組數(shù)據(jù)的收集、整理、計(jì)算入手,把學(xué)生熟悉的平均數(shù)的概念及計(jì)算作為學(xué)習(xí)新概念的起點(diǎn),為學(xué)生正確理解“考察對象”的意義做鋪墊,但教師教學(xué)時(shí)往往忽略了這一鋪墊.
用樣本的特征來估計(jì)總體相應(yīng)的特征,這與學(xué)生習(xí)慣的代數(shù)運(yùn)算、幾何推理很不一致,學(xué)生原有的數(shù)學(xué)知識(經(jīng)驗(yàn))的定勢影響著統(tǒng)計(jì)思想方法的滲透.
學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)實(shí)踐的貧乏使得理解“為什么要用樣本估計(jì)總體”有難度,再加上抽樣的隨機(jī)性以及用不同樣本估計(jì)總體可能帶來的偏差又會造成學(xué)生“操作”與“認(rèn)可”的困難.
方差是衡量一組數(shù)據(jù)波動大小的特征數(shù).它與平均數(shù)不同,學(xué)生幾乎沒有相關(guān)的預(yù)備知識,他們難以理解數(shù)據(jù)的“波動”,對方差的引入感到茫然.
方差的定義抽象、復(fù)雜、邏輯性強(qiáng),這與以形象思維為主的初中學(xué)生的思維距離較大,教師教學(xué)時(shí)若過于直接,沒有真正帶動學(xué)生經(jīng)歷統(tǒng)計(jì)活動的全過程,不能展示方差概念的引入、構(gòu)造乃至形成、修正的創(chuàng)造活動,就難以獲得對方差概念的正確認(rèn)識.
對于容量較大或數(shù)據(jù)較為復(fù)雜的樣本,計(jì)算方差非常繁雜且易出錯,學(xué)生很不習(xí)慣,往往因缺乏耐心而退卻,給鞏固深化概念造成障礙.
方差用“s2”表示,與學(xué)生知識結(jié)構(gòu)中諸種表示符號不一致,也會造成不適應(yīng).
了解數(shù)據(jù)的分布規(guī)律,學(xué)生雖有把考試成績列出各分?jǐn)?shù)段人數(shù)的經(jīng)驗(yàn),但分?jǐn)?shù)段(組距)為10分是固定的,而現(xiàn)實(shí)大量數(shù)據(jù)在刻畫分布規(guī)律時(shí),組距、組數(shù)需要學(xué)生自己決定,幾次嘗試也難以確認(rèn)哪種方法合適,又無法用結(jié)果驗(yàn)證,這對學(xué)生長期形成的固定的解題思路和肯定的結(jié)論是一次很大的沖擊.他們習(xí)慣得到明確固定的分組方法,而不適應(yīng)自己選擇組距、組數(shù),因而處理問題時(shí)猶豫不決,束手無策,這是列頻數(shù)分布表的主要困難.
對一組數(shù)據(jù)列頻數(shù)分布表,其過程繁瑣費(fèi)時(shí),要求學(xué)生十分認(rèn)真仔細(xì),稍有疏忽便前功盡棄,這與初中學(xué)生自制力差、精力集中時(shí)間短、意志薄弱的特點(diǎn)形成較大反差,頻頻失敗肯定會造成學(xué)生心理上的壓力.
試驗(yàn)頻率穩(wěn)定于理論概率,它是用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)隨機(jī)事件發(fā)生的概率的基礎(chǔ).但對于初中學(xué)生的知識結(jié)構(gòu),難以給出一個理論解釋,只有借助于大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行感悟、體會、認(rèn)可.我們實(shí)際教學(xué)時(shí),由于教師主觀上忽視和客觀上學(xué)時(shí)不足,很少引導(dǎo)學(xué)生親自動手實(shí)驗(yàn),收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并將結(jié)果與自己的猜測進(jìn)行比較、篩選,或者沒有反復(fù)經(jīng)歷這一試驗(yàn)過程,不能消除錯誤生活經(jīng)驗(yàn)的遷移,造成認(rèn)知困難.
隨機(jī)現(xiàn)象的結(jié)果事先無法預(yù)料,“大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)頻率可作為事件發(fā)生的概率估計(jì)值.”的數(shù)學(xué)思想非常抽象、高度概括,這對于初中學(xué)生思維水平和知識經(jīng)驗(yàn)無疑都存在大的跳躍.我們無法像解方程那樣設(shè)計(jì)題組有易到難,給學(xué)生搭幾步臺階,只能在大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生體會、感悟,這是學(xué)習(xí)內(nèi)容與教學(xué)方法本身的困難.
列舉法要求不重不漏的列舉出所有在尋找答案時(shí)應(yīng)當(dāng)加以考慮的各種可能,須思考縝密,十分細(xì)心.這對學(xué)生思維水平和做題習(xí)慣是全新的挑戰(zhàn).
根據(jù)以上分析,初中統(tǒng)計(jì)與概率的的教學(xué)必須突出重點(diǎn),突破難點(diǎn),針對不同的學(xué)生基礎(chǔ)和不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容,鋪墊階梯,創(chuàng)設(shè)情境,喚起學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)知識和經(jīng)驗(yàn),使破解難點(diǎn)成為發(fā)展學(xué)生思維水平、增強(qiáng)學(xué)習(xí)意志和信心,從而獲得更廣泛的知識和經(jīng)驗(yàn)的契機(jī).因此,在教學(xué)中,要切實(shí)作好以下工作:
關(guān)于方差概念的教學(xué),在學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)里,往往喜歡用平均數(shù)來衡量一組數(shù)據(jù).例如小明三次數(shù)學(xué)考試的成績是:90,95,100;小穎成績是:80,80,80.他們通過比較自然判斷小明成績好,因?yàn)樗钠骄指?如果只是比較二者誰成績穩(wěn)定,顯然是小穎,但用哪個指標(biāo)來佐證小穎的穩(wěn)定性好于小明?平均數(shù)、中位數(shù)、眾數(shù)等“平均尺度”皆不奏效,這就為引入新的特征量做好了鋪墊.
也可以拋給學(xué)生有爭議的現(xiàn)實(shí)問題讓他們裁決,激發(fā)求知的內(nèi)驅(qū)力.在引出方差概念時(shí),提出“選拔參加2008北京奧運(yùn)會的男子10米氣步槍射擊選手,甲、乙隊(duì)員各射擊5發(fā),預(yù)賽成績?nèi)缦拢ōh(huán)):
甲:10.9,7,8.2,10.5,8.4
乙:9,9.3,9.6,8.6,8.4
學(xué)生觀察、分析、計(jì)算數(shù)據(jù),幾經(jīng)討論也不能斷定.他們急于想解決但僅憑已有知識又無法解決,這就造成了認(rèn)知上的“沖突”,激發(fā)起求知欲望,就為引入方差做好心理上的準(zhǔn)備.
再如概率的學(xué)習(xí).隨機(jī)現(xiàn)象表面看毫無規(guī)律,出現(xiàn)哪一種結(jié)果事先無法預(yù)料,概率不能提供準(zhǔn)確無誤的答案,例如,你從裝有99個紅球、1個黑球的袋中隨意摸出一個,不能保證就是紅球;如果天氣預(yù)報(bào)“明天下雨的概率是90%而后天是10%”,但有可能明天晴后天卻下雨;在擲硬幣游戲中,盡管國徽朝上的概率是50%,連擲5次國徽朝下,再擲第6次也不一定是國徽朝上.這些會給學(xué)生造成誤導(dǎo)和成見,學(xué)習(xí)概率沒有價(jià)值,意義不大,影響著學(xué)習(xí)的動因及熱情.這就需要我們引導(dǎo)學(xué)生從他們熟悉的感興趣的現(xiàn)象入手,經(jīng)歷動手操作、收集和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),成功地做出判斷與選擇,體驗(yàn)概率思維方式的不可替代性及在現(xiàn)實(shí)生活中的價(jià)值,激發(fā)探究樂趣,培養(yǎng)學(xué)習(xí)信心.
統(tǒng)計(jì)與概率內(nèi)容的設(shè)置,除了讓學(xué)生學(xué)習(xí)一些最基本的統(tǒng)計(jì)分析的方法,而更重要的是要讓學(xué)生體會統(tǒng)計(jì)的作用和基本思想.本學(xué)段的學(xué)生對現(xiàn)實(shí)社會環(huán)境中的問題具有越來越強(qiáng)烈的興趣,這種興趣是學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的一種極好的動力,教學(xué)時(shí)應(yīng)著重于對現(xiàn)實(shí)問題的探索,引導(dǎo)學(xué)生通過對各種案例的分析使學(xué)生認(rèn)識到統(tǒng)計(jì)與概率的廣泛應(yīng)用,以及對制定決策的重要作用.教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生的自身特點(diǎn)提供豐富的、反映統(tǒng)計(jì)與概率思想方法的探索素材,引導(dǎo)他們把對統(tǒng)計(jì)與概率的探索從日常生活發(fā)展到現(xiàn)實(shí)社會和科學(xué)技術(shù)中感興趣的領(lǐng)域.如在統(tǒng)計(jì)的教學(xué)中可以引入以下的例子:根據(jù)往年本地同一階段時(shí)間的氣溫記錄預(yù)測下一年本地這段時(shí)間的氣溫情況,根據(jù)對公共汽車不同時(shí)間客流量的統(tǒng)計(jì)合理地安排發(fā)車等等.
尋求學(xué)生數(shù)學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)中與難點(diǎn)最接近的知識或經(jīng)驗(yàn),作為新知識生成的“固著點(diǎn)”.例如用樣本估計(jì)總體的數(shù)學(xué)思想,這種估計(jì)在現(xiàn)實(shí)生活和學(xué)生經(jīng)驗(yàn)中是很常見的,可引導(dǎo)學(xué)生搜集、舉例,比如購瓜子時(shí)先品嘗幾粒,買本子時(shí)先翻幾頁看看,媒體就某一話題的民意調(diào)查,商場櫥窗的展品,我們體檢時(shí)的抽血檢驗(yàn)等等 ……,把這些學(xué)生熟悉的實(shí)例作為“固著點(diǎn)”,引導(dǎo)他們分析、概括,再聯(lián)系教材相關(guān)知識,就能順暢納入認(rèn)知結(jié)構(gòu),自然滲透統(tǒng)計(jì)思想方法.
搭橋設(shè)梯,分化學(xué)生認(rèn)知水平與難點(diǎn)的落差.例如在總體和樣本概念的形成過程中,要解決統(tǒng)計(jì)中為什么要研究樣本的問題.而在學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)中,涉及的考察對象往往較少或有限,數(shù)據(jù)容易測定,可以全面準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì),不必抽樣調(diào)查.這時(shí)需要讓學(xué)生體會,在大多現(xiàn)實(shí)問題中,全面統(tǒng)計(jì)相當(dāng)困難甚至是不允許的,例如遇到以下情況:
(1)考察對象的全體數(shù)量太大,不可能一一統(tǒng)計(jì).如要了解一塊試驗(yàn)田里玉米植株的高度,只能從中抽取一部分(如50株)測量.
(2)考察帶有破壞性,一一考察就失去了實(shí)際意義.如考察某批炮彈的殺傷半徑,只能從中抽取一部分(如10發(fā))爆炸試驗(yàn).
為了進(jìn)一步體會總體與樣本的聯(lián)系與區(qū)別,可設(shè)計(jì)下列兩個問題作為化解難點(diǎn)的階梯.
問題1 要了解全市100萬市民2007年收入水平,從中隨機(jī)抽取了500名市民.100萬市民2007年的收入與從中抽取的市民2007年的收入有什么聯(lián)系?(學(xué)生體會得到:總體、樣本都是由個體組成的,樣本是總體的一部分,樣本在一定程度上反映總體情況,因而可以“用樣本特征去估計(jì)總體相應(yīng)特征”.)
問題2 能不能把這500名市民2007年的收入與100萬市民2007年的收入等同起來?若抽取5000名呢?50000名呢?500000名呢?(學(xué)生討論得到:樣本畢竟是總體的一部分,而不是全部,樣本特性與總體特性是有差別的,樣本容量越大,對總體的估計(jì)就越精確.)
這樣總體和樣本內(nèi)在聯(lián)系就清晰明確了.
例如方差概念的形成過程,可以在引導(dǎo)學(xué)生解決一個實(shí)際問題的活動中完成.質(zhì)檢員為了比較甲、乙兩臺機(jī)床產(chǎn)品的質(zhì)量,從中抽取10件測量其直徑,尺寸如表所述(單位:毫米).同學(xué)們?nèi)绾伪容^兩臺機(jī)床的穩(wěn)定性能?
受前面知識及學(xué)生思考習(xí)慣的影響,他們會分別求兩組數(shù)據(jù)的平均數(shù),結(jié)果相等.但學(xué)生不會認(rèn)定兩臺機(jī)床性能一樣穩(wěn)定,教師因勢利導(dǎo),展開問題:實(shí)際生產(chǎn)中,對產(chǎn)品尺寸的偏差是有限制的.經(jīng)詢問質(zhì)檢員,標(biāo)準(zhǔn)是零件直徑與規(guī)定尺寸偏差不超過0.1毫米時(shí),可視為合格,超過0.1毫米時(shí)視為不合格.那么,甲、乙兩臺機(jī)床合格產(chǎn)品各多少件?不合格產(chǎn)品各多少件?
2.1 內(nèi)源性細(xì)菌的除去 SD大鼠40只,用普通飼料喂養(yǎng)1周。在大鼠飲用水中加入氨芐西林2.4 mg∕mL、鏈霉素0.5 mg∕mL,除去大鼠口腔內(nèi)的內(nèi)源性細(xì)菌,連續(xù)3 d。第3天用棉簽取大鼠口腔唾液,接種在TPY固體培養(yǎng)基上,37℃厭氧培養(yǎng)48 h,觀察口腔內(nèi)細(xì)菌生長情況。實(shí)驗(yàn)大鼠從第3天開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束都喂養(yǎng)致齲飼料2000#。
易看出,機(jī)床甲合格產(chǎn)品4件、不合格產(chǎn)品6件,機(jī)床乙合格產(chǎn)品9件、不合格產(chǎn)品1件.這一明顯的數(shù)字對比足以說明,生產(chǎn)的零件在符合規(guī)定方面,機(jī)床乙比機(jī)床甲好.在事實(shí)面前,機(jī)床甲承認(rèn)偏差多、波動大,但它自恃與機(jī)床乙平均數(shù)相等,就向我們挑戰(zhàn):你們能否設(shè)計(jì)一個新的特征數(shù),來衡量兩組數(shù)據(jù)的波動大?。窟@就自然進(jìn)入新特征量的研制過程.
能否對各數(shù)據(jù)與其平均數(shù)之差進(jìn)行累加?(不能.經(jīng)計(jì)算,甲、乙兩組數(shù)據(jù)與其平均數(shù)差的和都等于0,這個設(shè)想不成功.)
怎么造成的累加之和等于零?(因?yàn)檎?、?fù)偏差相互抵消.)
怎樣才不會造成正、負(fù)偏差相互抵消呢?(各偏差先取絕對值再相加,或各偏差平方后再相加.)
教師順?biāo)浦鄄杉{先把各偏差平方后再相加的辦法,這個“和”用符號Y來表示.請同學(xué)們計(jì)算y1、y2(y1=0.26mm2,y2=0.08mm2).
顯然y1>y2,由此說明數(shù)據(jù)乙比數(shù)據(jù)甲波動小,這與我們的觀察、判斷是一致的.
有意發(fā)難:當(dāng)用我們設(shè)計(jì)的特征數(shù)y理直氣壯地衡量甲、乙兩臺機(jī)床的穩(wěn)定性時(shí),機(jī)床甲卻提出了一個要求:仍抽取我的10件零件,但要抽取機(jī)床乙的100件零件.同學(xué)們能否答應(yīng)?
學(xué)生肯定不會答應(yīng),盡管機(jī)床乙偏差小較穩(wěn)定,但多個累加其和增大,會導(dǎo)致,結(jié)論將與事實(shí)相反.
看來,我們的特征數(shù)Y還不完善,它受樣本容量的影響.如何排除這一影響?
以前人們對某個問題的調(diào)查一般是普查,但這種調(diào)查方法的局限性很大.出于對費(fèi)用和時(shí)間的考慮,人們逐步認(rèn)識到需要進(jìn)行抽查.
抽查與普查相比有如下優(yōu)點(diǎn):可行性抽樣調(diào)查,可大大地節(jié)省人力、物力、財(cái)力和時(shí)間;及時(shí)性抽樣調(diào)查,收集資料的時(shí)間短,能及時(shí)地進(jìn)行反饋并作出科學(xué)、合理的決策.科學(xué)性抽樣調(diào)查是以概率統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ),通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的分析,可充分利用資料中的信息做出比較深刻且較全面的結(jié)論.教學(xué)時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際問題的需求,選擇不同的方法,合理地選取樣本并從樣本數(shù)據(jù)中提取需要的數(shù)字特征.不應(yīng)把統(tǒng)計(jì)處理成數(shù)字運(yùn)算和畫圖表.對統(tǒng)計(jì)中的概念應(yīng)結(jié)合具體問題進(jìn)行描述性說明,不應(yīng)追求嚴(yán)格的形式化定義.
概率是研究隨機(jī)現(xiàn)象的,即從隨機(jī)現(xiàn)象中研究其規(guī)律.它為應(yīng)用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問題提供了新的思想和方法.因此,概率教學(xué)的核心問題,是讓學(xué)生了解隨機(jī)現(xiàn)象與概率的意義.教學(xué)中教師應(yīng)借助日常生活中具體的、可操作的大量實(shí)例,鼓勵學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)、自主探究,正確理解隨機(jī)事件發(fā)生的不確定性及其頻率的穩(wěn)定性,逐步體會概率的意義及頻率與概率的區(qū)別.還可以利用計(jì)算器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),從直觀上認(rèn)識頻率的穩(wěn)定性,嘗試澄清日常生活遇到的一些錯誤認(rèn)識,如“中獎率為1/1000的彩票買1000張一定中獎”“若干個人抓鬮先抓和后抓抓中的可能性不一樣”等等.
應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生把概率與統(tǒng)計(jì)聯(lián)系起來看問題,通過頻率來估計(jì)事件的概率,通過樣本的數(shù)據(jù)對總體的可能性作出估計(jì)等.許多的概率模型是建立在大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,例如,天氣預(yù)報(bào)中降雨的概率,防洪標(biāo)準(zhǔn)的制定等.同時(shí),要使學(xué)生在隨機(jī)實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù),并了解這些數(shù)據(jù)的概率含義,在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)了解其中所蘊(yùn)含的隨機(jī)性,不應(yīng)把數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理理解為只是純數(shù)字的運(yùn)算.
對于諸如繪頻數(shù)分布直方圖之類的問題,繁雜耗時(shí),稍有不慎,頻數(shù)累計(jì)就出現(xiàn)錯誤,常使學(xué)生畏懼并產(chǎn)生逆反心理.教學(xué)時(shí),首先教育學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)態(tài)度,養(yǎng)成認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)習(xí)慣.讓學(xué)生知道,從實(shí)踐中測量得到的一組數(shù)據(jù),常使人看起來雜亂無章,毫無規(guī)律.經(jīng)過繪頻數(shù)分布直方圖,清晰形象,特征明了,規(guī)律顯現(xiàn),在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用非常廣泛.進(jìn)一步結(jié)合學(xué)生熟悉的實(shí)例,如成績分布圖,工程進(jìn)度統(tǒng)計(jì)圖,商業(yè)營銷某商品的統(tǒng)計(jì)直方圖等,介紹頻數(shù)分布直方圖在表征統(tǒng)計(jì)規(guī)律上的突出效果及在現(xiàn)實(shí)生活的廣泛應(yīng)用,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī),培養(yǎng)良好的意志品質(zhì).其次在具體統(tǒng)計(jì)頻數(shù)時(shí),采用一個學(xué)生讀、一個學(xué)生累計(jì)、其余學(xué)生監(jiān)督的方式進(jìn)行唱票,保證正確率.實(shí)際練習(xí)時(shí),也可分組完成,分工協(xié)作,確保一次成功.
研究性學(xué)習(xí)不僅使學(xué)生鞏固了本部分所學(xué)的統(tǒng)計(jì)知識、提高了能力,還學(xué)到了一些書本上學(xué)不到的東西,如人際交往、社情教育、服務(wù)意識、科學(xué)的態(tài)度和科研的艱辛等,從而培養(yǎng)了學(xué)生從事科學(xué)研究的精神和品質(zhì),為學(xué)生的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ).
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