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一、什么是小学数学应用题
唐彩斌:张老师把今天谈话的题目取名为《应用题的本质是数学建模》,是给我们一线教师“打气”的。现在,我们在教学时都不太有勇气说“应用题”,生怕自己太“落后”;也不太有底气说“数学建模”,总觉得还没有那“功底”。今天张老师把“应用题”亮堂堂地说出来,有一种释怀的感觉。不过,在日常小学数学教学中,很多名词盘绕其中,错综繁杂,让老师们很是烦恼。“问题”“习题”“文字题”“应用题”“问题解决”“解决问题”“综合应用”“实践活动”,它们之间到底是一种怎样的关系?当面对很多新教材把“应用题”改为“解决问题”,常常引人反问:把名字改为“解决问题”就解决问题了吗?张老师,您有怎样的看法?
张奠宙:应用题的出现源远流长。古埃及的纸草书、中国的《算数书》等古代数学典籍,都是应用题的汇编。数学的发展有两个原动力,一是要解决大自然和社会现实提出的数学问题,二是要解决数学内部生成的数学问题。前者的研究成果是应用数学,后者的研究成果成为纯粹数学。这二者相辅相成,相互渗透,共同发展。不过,归根结底,社会生产力和文化发展的现实需要是数学成长的本源。
在小学数学中,数的扩展以及相应的运算规则,属于纯粹数学范围;将这些规则和现实相联系,并应用于现实,则是小学应用数学的范围。数学是由问题驱动的。小学数学应用题教学,体现小学数学的应用,培养学生与此相关的数学思维模式。
如果说,应用数学是永存的,那么数学应用题教学也是永存的。只不过要“与时俱进”,不断改革而已。
20世纪下半叶以来,数学最大的进步是应用,“谁用的好,谁就赢了”(姜伯驹语)。计算机技术出现之后,应用数学的一个进展,是对一个个的具体问题建立一个个的数学模型。因此,用建立数学模型的观点加以诠释,是改革小学应用题教学的参照基点。
唐彩斌:看来,应用题的教学本身有其价值存在,关键是用怎样的高观点来统领它。为了方便我们后续的研讨,我们需要从数学的角度对“小学数学应用题”作概念的界定。张老师您怎么来界定?
张奠宙:“小学数学应用题”可以理解为:用算术方法求解的、用自然语言表达的复杂情境问题。它包括了三个要素。
(1)算术方法求解(包括一些简易代数的思考)。数学应用是一个很大的学术领域,这里只研究用小学数学方法可以求解的数学问题。解小学数学应用题主要是用算术方法,目前也使用一些简易的代数思想。
(2)用自然语言表达,即用文字叙述的问题。这是小学数学应用题的主要特点。西方有时把小学应用题称作“word problem”,即用自然语言表达的数学问题。它需要将自然语言文字翻译为数学符号构成的算式,然后再用数学方法求解。
(3)具有复杂的情境。应用题必须表达一种具体“情境”,无论是体现生活实际的,或者合理地虚拟编制的,都必须反映一种生动的具体情境,不能是纯粹的数学问题。情境往往有一些特定的常识性规律,在解题时需要加以剖析和运用。作为一种具有较高思维价值的问题,“应用题”所呈现的情境,应当具有挑战性,不同于课本引进新内容时所呈现的简单情境。例如,5个学生每人有3本书,一共有几本书?答案只要写出5×3=15就是。这也是应用性问题,却不是我们要研究的数学应用题。
二、数学应用题教学的本质是数学建模
唐彩斌:刚才,您特别强调“用建立数学模型的观点加以诠释,是改革小学应用题教学的参照基点”。什么是数学模型的观点?数学建模与解答应用题是一种怎样的关系?
张奠宙:数学建模是20世纪下半叶随着计算机技术的发展而形成的数学思想方法。目前已经成为数学应用的基本模式。数学模型,一般的说,是针对或参照某种事物系统的特征或数量相依关系,采用形式化的数学符号和语言,概括地或近似地表述出来的一种数学结构。就许多小学数学内容来说,本身就是一种数学模型:自然数是表述有限集合“数数”过程的数学模型;分数是平均分派物品的数学模型;元角分的计算模型是小数的运算;500人的学校里一定有2个人一起过生日,其数学模型叫做抽屉原理……在这个意义上,我们每堂数学课都在建立数学模型。
不过,应用数学的数学建模,是在狭义的意义下进行的。也就是说,数学建模,专指对一个个比较复杂的具体情境,建立一个特定的专用数学模型,并用模型来解决非常具体的问题。比如,中国人口增加模型、甲型流感传染模型、太湖水质模型等,非常具体、专门。
这样一来,小学数学应用题就和数学建模很相似了。二者都是对一个个具体情境给出数学描述,并解决这个特定的问题。也就是说,数学应用题教学,是对一种比较复杂的特定情境给出一个具体的模型。例如,鸡兔同笼是一个特定的问题,我们可以给出一种解法,它的代数模型是二元一次联立方程。
唐彩斌:你说“数学应用题教学的本质是数学建模”,我觉得非常重要。
我国小学数学中解答应用题,一般分为以下四步:(1)理解题意;(2)做解题计划;(3)按计划解答;(4)回答和检验。“数学建模的工作流程图”(如图),好像和应用题求解的过程很类似。
张奠宙:对啊!两者在基本步骤上大体相同,只不过小学应用题内容比较简单而已。我做的一张表格,也是描述二者之间的相似性。
每一道小学数学应用题的教育价值,在于能将情境“数学化”,即将文字的表述转换为数学符号或图像的表示;将蕴藏在情境内的数量关系列为算式;用数学演算求得算式的答案,最终通过检验肯定“解答”的适切性。这些数学活动为日后学习更复杂的“数学建模”做好必要的准备。
因此,可以说,小学数学应用题教学,乃是将来学习数学建模的基础。
三、“问题解决”与应用题教学改革
唐彩斌:刚才张老师帮助我们沟通“数学建模”与“应用题”之间的关系,盘旋在我们脑子里的类似关系还不少。如“问题解决”与“应用题”。大家都知道“问题解决”源自美国,从国际数学教育比较的角度,怎么理解“问题解决”?
张奠宙:20世纪60年代的美国新数学运动,到20世纪70年代归于失败。当时提出的口号叫做“回到基础”。又过了10年,美国数学教育界觉得仅仅强调“打基础”是不够的,因而在1980年提出了“问题解决”的口号,意在提倡“探究性”的思考,发展学生数学思考的能力。2008年,美国总统授命组成的“全美数学咨询委员会”,又提出“成功需要基础(Foundations for Success)”的口号。这是美国式的“折腾”。因此,“问题解决”是一个时期数学教育的导向性口号,并非针对应用题改革而提出。
简单地说,美国数学教育界提出的所谓“问题解决”,专指解决“非常规问题”。目的是为了培养学生的探究意识和创新精神。在学生的认知水平上,要解决非常规问题,没有现成数学问题求解模式可以模仿,需要独立思考,通过自己的探索获得解决问题的途径。这是具有一定创新意义的数学思维过程。
唐彩斌:国外的“问题解决”的观念对我国的应用题教学有什么借鉴与启示呢?
张奠宙:我国在常规应用题的教学上,成绩很好。例如用分数求解一些现实生活中“平均分配物品”的问题、加减乘除四则运算的一步或两步应用题,学生掌握得也很不错。但是,在提出问题、分析问题、灵活地处理应用性问题上面,比起欧美诸国的教学,有一些弱点。
在非常规的应用问题教学上,我国积累了一些按照问题情境分类的教学。例如行程问题、工程问题等,有专门的训练,基本面也是好的。但是,总体上较窄、较难、较偏。
总之,“问题解决”作为一种数学教育的全局性理念,有助于应用题教学的改革。
唐彩斌:如果用“问题解决”代替“数学应用题”教学,您觉得是否合适?
张奠宙:我认为不够妥当。理由有二。
第一,问题解决和数学应用题教学是从属关系。应用题只是问题的一部分,问题解决是解应用题的上位概念。因此,用“问题”的共性,取代了“应用题”的特性,混淆了二者间的逻辑关系。例如,我们本来是研究“低年级小学生问题”,结果却用了“研究学生”的标题。“大帽子”把小问题的特性掩盖了。
第二,“问题解决”是美国针对“回到基础”提出来的口号,意思是强调“探究”“发现”“创新”。可是实行了多年之后,美国又提出“成功需要基础”,又强调起基础来。所以,应用题教学,不能只强调“自主创新”,还要注意“打好基础”。没有基础怎么创新?
四、应用题要有类型,但是不要“类型化”
唐彩斌:倡导问题解决仍然需要扎实的基础,要解决非常规的问题仍然需要常规问题解决的基础。好比中华武术的境界“无招胜有招”,但是要达到“无招”还是要从“基本招数”开始。如果没有基本的招数,结果不是无招,而是没招。
下面,我们讨论一个大家关心的问题:应用题的分类。按理来说,分类是认识事物的第一步,也是一种一般方法,分类是很自然的事。但近来一说起应用题的分类总有提倡机械记忆、套用公式之嫌,应用题到底要不要分类?该怎么分类?
张奠宙:我想应用题要分类,要有类型,但是不要“类型化”。小学数学应用题可以有三种分类。
(1)按数学模型分类。如四则运算的算术模型、统计模型、随机模型、一元一次方程的代数模型,等等。
(2)按情境熟悉程度分类。如日常生活情境模型、模拟现实情境模型、科学技术模型,等等。
(3)按特定情境的数量关系分类。如行程问题、工程问题、流水问题、折扣问题,等等。
唐彩斌:按数学模型来分,从小学数学的几个领域来看,似乎还少了图形与几何方面的应用题。
张奠宙:小学数学的内容比较简单,方程、函数、曲线都无法触及,更不谈微积分。所以根据小学数学应用题涉及的数学知识,大多都归结为“四则运算”模型。小学里图形与几何方面的问题主要是求图形的周长、面积和体积,其实质还是四则运算模型。
五、应用题教学与联系学生生活实际
唐彩斌:第二种分类维度是从问题情境的熟悉程度以及问题的来源出发。应用题需要应用,当然必须与现实生活紧密相连。但过分拘泥于生活原型,难免出现牵强附会的案例。应用题与生活情境到底是一种怎样的关系呢?
张奠宙:顾名思义,数学应用题要有用,自然要联系实际情境。能把学生自己的生活体验融进数学课堂,是大家的共同追求。问题在于,学生的生活情境毕竟是有限的。应用题中能够直接和学生的生活相联系的只能是少数。在应用题教学中,大量使用的是科学模型,例如,行程问题中速度、时间、路程之间的关系,乃是物体运动的物理模型。另一种是模拟现实模型,比如鸡兔同笼问题,完全是一种假想的模拟情境。
儿童有丰富的想象力,模拟情境往往比真实情境更真切。一个不争的事实是,现在的孩子爱看动画片,那里出现的都是模拟假想的情境。“孙悟空”“大灰狼”“圣诞老人”“白雪公主”“喜羊羊”等都是虚拟的。数学应用题中著名的鸡兔同笼问题就是虚拟情境,比有些矫揉造作的“现实情境”要高明得多。
记得20世纪30年代,小学数学教材里有和尚吃馒头问题:“一共有100个和尚和100个馒头。大和尚一人吃三个馒头,小和尚三个人吃一个馒头,问各有大小和尚几人。”这是很有童趣的问题,现在却不见了,很是遗憾。
唐彩斌:其实,有些数学历史名题,即使是现在也能激发孩子的学习兴趣。说起真实性,有一道题是最典型的,常常被文化名人所提及。记得曾有相声演员编了这样的段子:“有一个水池,打开进水管注满水池要3小时,打开出水管放完整池水要2小时,现在同时打开进水管和出水管。要多少时间才能把一池水放完?日常生活中哪会同时打开出水管和进水管(除非忘记了),真是吃饱没事干。”张老师您怎么看待这样的讽刺?
张奠宙:这样的情境在以前农田的灌溉中偶尔能碰到,也不是很典型的。实际上,作为一种数学模型,在现实生活中还是有的,如:飞机的能源消耗与补充、排队进场与出场、草场里草的生长与割去、人体的新陈代谢、社会人口的增减、湖泊的污染与治理、家庭的收入与支出,等等。这些现象都是正、反两个方面同时进行着的,都类似于水池同时进水与出水的情境。这种数学模型反映了一种动态平衡的问题。
小学应用题能够和学生生活情境相联系的多半涉及“买卖关系”。我们应该充分利用,但也不能“除了超市,就是商店”,还应努力开辟一些小学生喜闻乐见的现实情境,国内外有一些优秀实例值得我们借鉴。
唐彩斌:生活情境是表面的,数学模型才是最为根本的。你说的第三种分类:即按情境内容分为“行程问题”“工程问题”,等等,是否必要?如何处理比较合适呢?
张奠宙:将问题按照情境内容进行分类是正常现象。在微积分课程里要讨论瞬时速度问题、切线问题、曲边梯形问题;微分方程课程里有热传导方程、电磁波方程;中学数学也要研究抛物问题、单摆问题、等周问题、投影问题、掷骰子问题等。小学里常见的问题及数量关系有:
行程问题路程=速度×时间
工程问题工作量=工作时间×工作效率
价格问题总价格=单价×数量
利息问题利息=本金×利率
利润问题利润=成本×利润率
折扣问题金额=价格×折扣率
百分数问题 数量=总量×百分比
其中涉及的利息、利润、速度、效率等概念,并非数学内容,而是属于物理学、经济学的问题。今天,国家实行社会主义市场经济模式,经济学的一些初级术语在日常生活中经常出现,语文课、社会课又不详细研究,责任就落在数学课身上。让孩子们了解这些规律,是小学数学课程的有机组成部分,责无旁贷。
实际上,应用题的分类不是我们要不要的问题,而是客观存在的现象。将一类情境中发生的问题给以特殊的名称,说到底,不是我们数学教育工作者进行这样的分类,而是客观世界本来就有这样的不同的情境。
唐彩斌:对于这种分类,过去搞得过细、异化了。当学习完“梨树有20棵,苹果树比梨树多8棵,苹果树有多少棵”,老师强调:看到“多”就想到“加”,于是,当看到“梨树有20棵,比苹果树多8棵,苹果树有多少棵”,学生总是先想到“加法”,结果错了。当学习完“科技书有20本,故事书比科技书的2倍还多2本,故事书有多少本”,老师强调:看到“倍”想到“乘”,看到“多”想到“加”。于是,当看到“科技书有20本,比故事书的2倍还多2本,故事书有多少本”时,学生总是先想到用“乘加”,结果又错了。
张奠宙:以上的异化现象,都来自固化数学的某种模型。讲死了,思维变得机械了。
实际上,一类问题,比如行程问题,都只是一个名词,便于称呼而已,并非一个数学领域。尽管题目花样翻新,也可以出得很难,但总不过是s=vt这样的数量关系的各种不同变式。宏观地看,没有单独设立一个数学课题的必要,
但是,也不能走向另一个极端:不讲类型。有的地方不准叫“应用题”,今天学“铅笔有几枝”,明天学“燕子飞走了”,不做一些基本的分类和概括,实际上是作茧自缚、矫枉过正的表现。
总之,要类型,但是不要“类型化”。这就是我们的结论。
唐彩斌:过去传统应用题还按步数分:一步、两步和多步应用题;按内容和难易来分,可分为一般应用题、复合应用题和典型应用题。典型应用题中就有和差问题、和倍问题、差倍问题、追及问题、盈亏问题、相遇问题,等等。这样分类您怎么看?
张奠宙:这些分类,都是从教学需要出发的。由易到难,循序前进,总要按部就班地排出一个次序来。因此是教学需要的,是有必要的。不过,这种分类不涉及数学应用题的数学本质,学生并不需要知道。
至于和差、和倍、差倍这样的分类。我觉得可能太细了。临时作为一个名词叫叫,未尝不可。对于数学的困难生,为了辨别各种不同的算式,可能起一定的作用。但是,它毕竟只起一个临时“标签”的作用,并不是非学不可的“知识内容”。
分类可以越分越细,没完没了地分下去。但是,只有被广泛承认和使用的分类才有“知识性”价值。否则只是在小范围使用,不过是一种临时使用的“标签”而已,不需要长期记住。打个比方,作为地理学知识,中国分为省(山东),省分为市(烟台),就到此为止了;至于烟台下面分为各个区,是地方的标签,就不是大众需要的知识,大众不需要长期记忆。
因此,我认为,“和倍”“差倍”这样的分类,没有知识价值,不需要长期记忆。临时作为一个名字称呼一下,当个“标签”,对于有些学生可能有些帮助,但是过后就忘了。
六、小学数学中的算术模型与代数模型
唐彩斌:从数学上看,有些分类具有较高的知识价值。比如,算术模型和代数模型就需要加深理解。那么什么是算术,什么又是代数呢?
张奠宙:算术中的基本对象是数,包括数的表示、数的意义、数之间的关系、数的运算等。算术模型是一串“数字”的运算流程。代数中的基本对象除了数,还出现了更具广泛意义的基本对象:符号。代数模型是方程或函数,包含未知数符号的等式关系或其他结构。
什么是“代数”?代数建模的核心思想是“文字参与运算”。一个习惯的说法是:“代数就是用文字代表数”。其实不妥。比如,小学里讲自然数的乘法交换律,就写了AB=BA,这里,用A、B代表任意的自然数,可是和代数无关。代数的实质是用文字代表未知数,而且由文字代表的“未知数”和已知数可以进行运算,即进行“式”的运算。
从算术向代数过渡,是学生数学学习过程中极为重要的转变阶段。学生从“数的运算”过渡到“式的运算”,就好像人发明了汽车那样,运行速度大幅提高。代数运算的通性通法,取得了极高的思维效率。但是,人不能每时每刻都在坐车,走路仍然是必须的、基本的。这就是说,算术方法依然有其重要的存在价值。
唐彩斌:算术方法与代数方法有怎样的区别?有一道题被广泛认为是传统应用题中的难题:“有一个煤矿,原来计划上半年生产660万吨煤,实际每个月比计划多产22万吨煤,实际多少月完成?”能不能以此来说明一下?
张奠宙:在小学数学教学中,用列方程的方法解应用题和用算术方法解应用题,都以四则运算和常见的数量关系为基础,都需要分析题目中的数量关系,根据四则运算的意义解答,这是它们的共同之处。但用代数的方法和用算术的方法是不同的建模过程。让我们看下面的例子。
(1)算术建模,是给出一种算法。(张天孝老师称之为“计算表征”)
实际每月完成数是(660÷6)+22,于是有答案:
完成时间=660÷[(660÷6)+22]=5。
这是通过一串已知数的运算组合,最后得到结果。
(2)代数建模,是给出一个算式。(张天孝老师称之为“数量关系表征”)
设实际完成月数是□,那么(660÷□)就是每月实际完成数。
110=每月计划完成数=(660÷□)-22,
于是得到有符号的算式——代数模型:
(660÷□)-22-110。①
我们无法直接计算出□,但是可以进行“式”的运算:
(660÷□)=110+22=132,②
□=660÷132=5,③
这里,①、②、③中□的值是相同的。
(3)用符号的算术模型。我们还可以这样思考:
设实际完成月数是□,那么
□=660÷实际每月完成数=660÷(计划每月完成数+22)
=660÷(110+22)=5。
这里也有符号代表数,却完全是算术思维,与代数无关。
(4)用代数方法启发算术思维。
由③式知
□=660÷实际每月完成数=660÷(660÷6+22)=5,
最后二者是统一的。
算术思维和代数思维思考的方向不一样。打个比方,如果未知数在对岸,那么算术方法好像摸着石头过河找到未知数,代数方法好像用绳索将对岸的未知数捆好拉过河来,二者的思考方向刚好相反。但是从上面的分析来看,代数的表征和算术的表征是可以相互沟通的。至于完整的“式”的运算,是学习负数以后的事情,要到初中才能够完成。但是在小学里有所渗透,使得算术和代数的思维逐步融合起来,这是未来努力的方向。
唐彩斌:如果学会了代数方法,是不是算术的方法就没有价值了?曾听说一位数学家在回忆自己成长历程的时候,特别提到:他在读小学的时候,老师就是要他们做一些“以后用代数很简单但是用算术方法不那么容易”的题,对他学习数学很有帮助。算术方法是有其独特的作用吗?
张奠宙:在面对现实问题时,我们首先使用算术方法思考,简单的问题用算术模型就解决了。例如我们到商场购物,自然用算术方法计算付款找零。算术方法是一切数学问题求解的基础。对于比较复杂的应用性问题,代数方法开始显示优势,但是算术方法在训练学生独特思维、承担分析数量关系的基础方法上,其作用仍然不可替代。以大家熟悉的我国古代数学名题“鸡兔同笼”为例来说明。
“今有鸡兔同笼,上有35头,下有94脚,鸡兔各几何?”
这一问题的代数模型是解二元一次联立方程。小学生不可能用这样的数学知识来解题。即使成人已经掌握了求解联立方程的知识和技能,也喜欢用算术模型来求解。
唐彩斌:是的。国内外许多数学家与数学教育家对中国的古算题“鸡兔同笼”问题情有独钟。波利亚列举了“鸡兔同笼”问题的四种解法,并特别欣赏“金鸡独立”这一解法。金鸡独立解法的思路是,如果笼中的鸡全部独立单脚着地,做“金鸡独立”状,而笼中所有的兔也学鸡立起前两脚而只有后两脚着地,那么这时地上的脚比原先少了一半,只有47只。为什么有47只脚在地上呢?此时,一只鸡对着一只脚着地,而这时一只兔却对着两只脚着地。与头数相比,每多一只脚,说明就有一只兔。原来有(47-35=)12只兔,鸡就有(35-12=)23只了。
张景中院士对于鸡兔同笼问题的解法也很巧妙。他假设鸡的两只翅膀也变成了两只“脚”,这样的话,35个头就一共有(4×35=)140只“脚”,可实际上只有94只脚,这说明140只“脚”中,除了真正的94只脚外,其余的(140-94=)46只是假脚,即实际上笼中共有鸡(46÷2=)23只,有兔(35-23=)12只。
算术方法也有其教学价值。曾经有人设想,完全抛弃算术方法解应用题,一开始就向小学生介绍方程解法。这种设想看来也是有失偏颇的。
张奠宙:是的,如果这样学习代数,代数将成无源之水!正如双脚走路是基础,驾驶汽车不能取代走路。你总不能把车停在床边,你总要走到车库里去嘛!实际上,列方程时的数学思维,主要还得用算术方法过渡。没有算术的第一步,就难有代数的第二步。如果使得算术与代数完全脱离,使得学生没有对比,看不出算术的缺点和代数的优点,体会不到代数方法的优越性,那么代数也是很难学好的。
七、策略及检验
唐彩斌:策略在学生解答应用题的过程中有着重要的作用,也越来越受到老师们的关注。那么,小学常见的策略有哪些呢,或许最为熟悉的策略就是“线段图”了。我们常常在课堂上听到老师在学生碰到问题的时候就启发“能不能画画线段图”。画线段图似乎成了解决应用题的“万能策略”了。
张奠宙:用线段图表示数量关系是一种有效的教学方法。不过线段图不是目的,只是手段。上海顾汝佐老师曾经形象地描述过线段图是拐杖,不是棍棒。人们认识一种数量关系,要经过具象—表象—抽象的过程:先是把线段图画在纸上,可以看,有具体形象;然后是在脑子里画图,形成表象;最后,直接面对数量关系,完全抽象地进行思考。比如一些关键字词(对应关系、文字说明等)可以帮助学生理解题意,构成概念图式。图式也有多种不同的形式。
唐彩斌:在课标教材的编写中,出现了一类以前教材中没有的内容:教学“策略”单独成课。比如:专门上一节课“转化的策略”“列举的方法”,等等。您怎么看这样的安排?
张奠宙:与常规的应用题课相比,这样的策略课就是非常规课,是便于学生探究、反思、活动的课。常规的是基础,非常规的是有益的补充,丰富学习活动。这种策略的专项教学,有利于提升学生解决问题的能力,不过“度”的把握也很重要,如果为“策略”而策略,可能得不偿失,应该把策略的习得融入问题的解决中。
唐彩斌:从解决问题的步骤来说,最后一步是回答与检验。有人认为是形式的完整,并不重要。因此在教学中常常有老师说“由于时间的关系,今天的应用题就不要答了”。也有人认为这是重要的一步,是学生反思自己解答过程、检验结果是否正确的步骤,更是实现元认知发展的重要环节。张老师您怎么看?
张奠宙:建立模型的核心是弄清数量关系,并加以表示。真正解决问题必然会检验。教学是模拟过程,可以把重点放在构建模型上,但是不能忽视模型的检验。最好能够给学生一些问题单帮助他们反思检验,比如试问:得到的结果是否符合实际情况?计算的过程是否合理?除了这种方法是否还有更好的方法?这一类问题具有怎样的特点?这既是一种数学素养,也是学生良好的元认知的表现。
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