数学史与数学教学的融合：HPM的理论基础与实践方式

在近几年的数学教学领域，HPM逐渐为人们所熟知。HPM是英文History and Pedagogy of Mathematics的缩写，拥有两个方面的涵义：一个是指在国际数学教育会议上专门讨论数学史和数学教学融合的研究团体[1]，一个则是指这个团体的研究对象——数学史如何与数学融合在一起共同促进学生的发展。这样一个研究团体从1972年第二届数学教育会议成立以来，一直没有间断活动，可见其十分重要，对其理论基础和实践策略的讨论就具有重要的意义。

一、数学史与数学教学的融合

学者指出，数学史在我国作为一门独立的学科在近几十年来有了长足的发展，但是数学史的研究颇有孤芳自赏的味道，很少关注社会的需要。然而，数学史学术研究的目的，最终一定要为满足社会需要服务，包括教育需要。如何能够让整个数学界都来重视数学史，特别让师生渗透到广大数学教育领域，是一个非常重要的问题。

简单来说，数学史就是研究数学生成和发展的历史，大体上分为“内史”和“外史”的研究[3]，“内史”考察数学理论成果的历史形态和历史轨迹，包括数学成果产生的年代、最初的形态和后来的演变、创立者的贡献、数学成果的传播等，“外史”则是内史的拓展，以考察数学发展与社会生活各方面的关系为主，包括数学发展与哲学、科学技术、经济、军事、宗教等方面的关系，数学事业的发展，数学教育等。

所谓数学史与数学教学的融合，就是在数学教学中，根据教学目的和教学进程的需要，将数学史有机地融入到教学过程中，促进学生掌握数学概念、方法和思想。概括来说，数学史融入数学教学，具有如下意义。

1.让学生学习有文化的数学。在数学教学中，有机地融入数学史，让学生看到数学在人类文明进程中的产生、发展和影响，就会使学生认识到，数学并非是冷冰冰的数字关系和理性思维，而是人类发展历程的一部分，是人类璀璨文化的重要代表，从而在学习数学的同时，获得文化的熏陶。

2.加深学生对数学概念、方法的认识。数学最为基本的知识就是数学概念和方法，这些知识恰恰因为其抽象性让很多学生对之望而却步。在数学教学中融入数学史，可以让学生更加清楚数学概念如何经由日常生活经验上升为抽象的概念和方法，在经历历史的过程中获得知识的建构，使抽象的数学概念和方法显得新鲜而生动。

3.让学生理解数学哲学和数学思想。数学教育的目的，并不仅仅是为了让学生掌握解题的方法，甚至也不是让他们学会解决问题的能力，更重要的是让他们理解数学哲学和数学思想，掌握数学的思维方式，为他们未来的成长提供有效的营养。数学史深化了人们对数学本质、数学特点与数学科学价值的认识，揭示了数学活动的本质和数学问题在数学发展中的作用，因此有助于学生更加深入地理解数学哲学和数学思想，学会数学创造的思维模式。

4.提升学生兴趣，培养学生学习数学的积极态度。很多研究表明，学生学习数学的动机不高，主要原因在于其抽象性，这种抽象性让数学知识与学生的日常生活经验距离太远。在教学中融入数学史，可以从三个方面有效地提升学生的兴趣：（1）数学史本身就是人类探索的过程，故事容易为学生所接受；（2）通过数学知识生成的历史增强学生的体验性，增加数学知识的亲近感；（3）数学家成长的故事也可以很好地提升学生学习数学的积极态度。

二、PHM的理论基础

虽然数学史融入数学教学的意义如此重大，然而任何意义必须通过实践才能够真正实现，而要使实践达致理想，则必须体会其内在的机理，也就是要理解PHM的理论基础。

1.重演法则

重演法则（recapitulation law）是生物学的一个重要概念，就是假设个体的发展会重演种系的发展，比如生物学家就观察到，人的婴儿在胚胎到出生这个阶段重新演化高级哺乳动物由低级动物进化过来的历史。德国生物学家海克尔就认为：遗传和适应是生命的两种建设性的生理机能，而遗传的过程就是重演的过程。他还第一个把这一生物学的法则移植到心理学领域：“儿童精神的发展不过是系统发生进化的一个简短复制”。

运用到数学教学上，重演法则意味着人类学习数学的过程，在某种程度上就是要重演古人数学思考和探索的过程。法国数学家庞加莱（Henri Poincaré，1854-1921）甚至这样说过：“动物学家认为，动物胚胎的发育还在短暂的期间内，经过其祖先演化过程的一切地质年代而重演其历史，看来思维的发展亦复如此。教育工作者的任务，就是要使儿童思想的发展踏过前人的足迹，迅速地走过某些阶段，科学史应当是这项工作的指南。”

从某种意义上来说，并没有多少实证理论支持数学学习中的重演法则，但事实上，学生的思维总是从形象到抽象，从生活到数学，从感性到理性，这一过程正是复制人类祖先发现数学的过程。例如在几何的学习上就可以生动地体现重演法则。几何学的历史分为三个阶段：无意识的几何学、科学的几何学、论证的几何学。在具体的教学过程中，教师一般也是让学生首先通过简单的工艺劳作，或是通过对自然界中的现象的观察，无意中熟悉大量的几何概念，例如点、线、面、角、三角形、四边形、圆、球、圆柱、圆锥等。随后，引导学生在这些感性知识的基础上建立科学的几何学，这时学生可以通过实验（使用罗盘和标尺，直尺和半圆仪，剪刀和浆糊，简单的模型，等等）发现一系列几何事实。最后，当学生们已经相当成熟时，才能够以论证的或演绎的形式向他们讲授系统的几何学。在这个过程中，我们会发现数学教学越是真实地演化数学知识演进的过程，学生对之理解得越深刻。

2.创生原理

创生原理（genetic principle）和重演法则有着密切的联系，它具体有两个方面的涵义：第一，数学学习要在一定程度上重演数学发展的历史；第二，数学学习的过程，不是外在系统的、逻辑的知识强加给学生的过程，而是一个自然的“创生”过程，只有这样，数学才能够成为学生素质的一部分。

和重演法则不同的是，创生原理并不认为学生学习数学过程是对祖先的重演，但它认同的是人类有着相类似的思维结构，这种结构构成了我们思考数学的物质基础和“自然本质”，在这个方面，我们和古人并没有特别大的区别，既然如此，我们必然会通过重复古人的方式来学习古人历经艰辛所发现的知识。

不过，数学教育学者们强调，这种重复的过程，并不是把知识所谓一个既定的结果让学生去“纳入”，而是通过对发现过程的有限经历来获得知识，从而理解知识的来龙去脉，就好像知识是他们创生出来一样。

在这里，需要关注的是“有限”这两个字，这意味着在学生的学习中，教师不应当让他们重复过去的无数个错误，而仅仅是重复那些关键性的步子。什么是关键性的步子？只有在在了解人类是怎样获得某些事实或概念的过程之后，我们才能更好地判断我们的孩子应当怎样去学习这些知识。

3.建构主义

建构主义发端于皮亚杰的发生认识论，他认为：“认识的获得必须用一个将结构主义（Structurism）和建构主义（Constructivism）紧密地连结起来的理论来说明，也就是说，每一个结构都是心理发生的结果，而心理发生就是从一个较初级的结构转化为一个不那么初级的（或较复杂的）结构”。也就是说，在数学学习过程中，学生通过主动的建构建立起自我的关于数学的结构，而这个结构又成为其进一步建构数学的中介，进一步的建构又不断推动结构由简单走向复杂。

如果说皮亚杰更强调知识本身的结构的话，后来的建构主义者则更强调学生在建构过程中的主动积极性，以及建构过程中现实场域和人际互动的作用。这些思想认为所有的知识，都是学生已有的经验和新的知识交互作用的结果，数学学习并非是一个被动的吸收过程，而是一个以主体已有的知识和经验为基础的、在特定的场景中主动的建构过程。

建构主义为HPM的实践提供了必要性和可能性。首先，建构主义表明，学生的数学建构必须基于一定的背景，在信息丰富而又比较规则的背景下，学生建构得最为成功。数学史通过对数学发现的历史的讲述，重新复现了数学发现的典型场景，对于学生数学知识的建构是最为有利的；其次，学生对数学知识的建构，均需建立在原有知识的基础上，需要通过一步一步的阶梯来达到高层次的水平，数学史将数学发现的过程按逻辑地呈现出来，给学生就提供了这样一个阶梯；再次，数学知识的建构，也是学生自我经验和先人智慧“视界融合”的过程，古人通过数学史，更充分地“表达”了自己的观念，因此能够让学生获得更好的建构。

三、HPM视野下的数学教学实践

虽然我们理解了HPM的原理，但是这个思想究竟如何在数学教学实践中运用，依旧是一个问题。这里一个首要的问题就是数学史料如何才能够融入到数学的课堂教学中。

从现有的实践来看，数学史料包括三种：第一手文献，也就是数学家原初在发现数学知识时所写的笔记、著作等，如《墨子》中的关于圆的“一中同长也”理论；第二手文献，也就是史学家根据一手文献所写的历史，比如编年史、问题史等；教学材料，是学科专家或者教育专家根据历史文献结合具体的数学教学内容编写到教学材料中的数学史内容，具有很强的针对性。

三种不同的文献，教师在运用的时候采取的方式是不同的。一般来说，对于第一手文献，由于大量散见于各种文献之中，并不系统，语言上往往也有一定的障碍，对于数学教师来说运用起来有些困难，只有对某个数学问题深入钻研的时候才有应用的价值；第二手文献的好处在于它的系统性，能够对一个数学问题或者数学概念进行深入系统的梳理和分析，对于数学知识的发现、形成和完善过程有着清晰的描绘，不过，这种文献有可能与教学内容并不配套，有些时候会过浅或者过深，需要教师有选择地使用。至于第三种文献，原则上来说可以直接使用，但也可能教师自己的教学设计与原来的教学材料并不一致，这个时候照搬反而会形成一种限制，不如在第二手，甚至第一手资料中寻找合适的内容。

HPM数学实践的第二个问题就是如何将数学史有机地融入到课堂教学中，根据笔者的研究，发现数学史和数学教学的融入，主要通过三种方式来进行：数学史作为组织数学教学活动的依据、数学史作为数学教学内容的有机构成、数学史作为独立的数学教学内容。

1.数学史作为组织数学教学活动的依据

在具体的数学教学中，教师可以根据数学发现的历史进程进行设计，从而让学生能够重复数学发现的关键性步骤，加深对数学知识和方法的认识。比如在教学圆的概念时，教师通过研究数学史会发现，人类对圆的认识是从生产实践开始的，大约6000年前美索不达米亚人制造了第一个轮子，约4000年前，人们将木制的轮子固定在木架上，做成了最初的车子。会做圆并且对圆有了理论性的理解，则是2000年前的事情，我国的墨子就提出圆是“一中同长也”，而后，为了更好地作好圆，人们又进一步发现了圆周率，并且这一数字不断地得到精确。在这样的历史长河中，我们发现对圆认识的几个关键步骤：1.圆和其他平面形状不同；2.人们在生产实践中做圆的时候开始对圆的性质进行追寻；3.人类在对圆的认识中，不断对其性质通过数字加以精确。确定这些关键性的步骤之后，教师就可以根据这些步骤来设计数学活动，首先让他们对圆有感性的认识，然后逐步让学生“发现”圆是“一中同长”的性质，最后再确定圆周和半径之间的关系。在这样的教学活动中，虽然没有直接给学生讲授数学史，但是通过学生亲历古人数学发现的过程，对圆的认识逐步加深，在获得数学知识的同时，也获得把数学是生活的需要、数学是人对现实和自然的精确表征等数学思想。

2.数学史作为数学教学内容的有机构成

和上述策略不同，数学史作为数学教学内容的有机构成是直接把数学发现的进程拿来，在课堂教学中重演，让学生在栩栩如生的数学历史进行思考和创生，在学习数学的同时体验数学。比如，同样是教学对圆的认识，教师可以通过技术手段或者讲故事的方式，再现古人的发现圆、研究圆和精确与圆有关的重要数字等过程，将学生带入到历史场景中，和美索不达米亚人一起劳动和观察，和木匠师傅一起做圆，和墨子一起观察和思考，和祖冲之一起推演圆周率。

3.数学史作为独立的数学教学内容

在一些数学教学中，教师可以直接教学数学史而不刻意地教学数学知识和方法。可以直接做独立的数学教学内容的，包括数学发现的故事和轶事、数学悖论、历史名题、数学家传记等等。通过这些内容的教学，可以让学生养成数学精神、发现自己思维运作的规律，虽然没有直接教数学知识，但学生对此知识已经有机地掌握了，并从中学习到数学精神和数学思维方式。

上述由深到浅的数学史融入数学教学方式，还可以有更加细致的教学策略，对这些方式和策略的把握，可以让教师的数学课堂充满文化和生命的活力，充满逻辑和理智的思考，从而不断促进学生的数学素质的深入发展。

参考文献

[1] 徐利治，王前.数学哲学、数学史与数学教育的结合——数学教育改革的一个重要方向.数学教育学报，1994，3（1）.

[2] Furinghetti，F.& Radford， L. Historical conceptual developments and the teaching of mathematics：from philogenesis and ontogenesis theory to classroom practice.English，L.（Ed.），Handbook of International Research in Mathematics Education， New Jersey：Lawrence Erlbaum，2002.

[3] 萧文强.数学发展史给我们的启发.抖擞，1976（17）.

[4] 欧阳绛.数学的艺术.北京：农村读物出版社，1997.

[5] [美]乔治·波利亚. 数学的发现——对解题的理解、研究和讲授.刘景麟，曹之江，邹清莲译.北京：科学出版社，2006.

[6] [瑞士]皮亚杰.发生认识论.王宪钿等译.北京： 商务印书馆，1981.