給學生一個驚豔的經驗 : 以探索為核心的幾何臆測與論證活動
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給學生一個驚豔的經驗 : 以探索為核心的幾何臆測與論證活動. 鄭英豪 臺北市立教育大學 數學資訊教育學系. 先從 PISA( 數學素養 ) 的考題說起. 追蹤並報告 十五 歲學生在接近中等教育結束時的數學素養水準 個人能在 多樣不同的情境之下 ,將情境問題 轉化 成數學問題、 使用 數學及 詮釋 數學的能力 包括數學 推理 及 使用 數學概念、程序、事實、工具來 解釋 、 描述 及 預測 現象 我們不知道為什麼第一,也不知道為什麼退步,因為我們完全不知道 素養是什麼. PISA 幾何題:例 1. 這是哪一種錐體?. PISA 幾何題:例 1. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
臺北市立教育大學 數學資訊教育學系 鄭英豪 [email protected]
給學生一個驚豔的經驗給學生一個驚豔的經驗::
以探索為核心的幾何臆測與論證活動
鄭英豪臺北市立教育大學 數學資訊教育學系
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先從 PISA(數學素養 )的考題說起• 追蹤並報告十五歲學生在接近中等教育結束時的數學素養
水準• 個人能在多樣不同的情境之下,將情境問題轉化成數學問
題、使用數學及詮釋數學的能力• 包括數學推理及使用數學概念、程序、事實、工具來解釋
、描述及預測現象
• 我們不知道為什麼第一,也不知道為什麼退步,因為我們完全不知道素養是什麼
我國 PISA 評量成績 ( 國際排名 )
閱讀 科學 數學2006 16 4 1
2009 23 12 5
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PISA 試題的意義幾何素養不是幾歲時學會什麼的問題
PISA 考驗的是• 學過的幾何知識,以及經驗過的幾何方法能不能用出來的問題
尤其是• 人在幾何情境中,有效解決問題的知識憶取與思維運作歷程
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反思幾何教學的迷思• 我們習慣以「年級」當作指標來度量學生的數學「程度」– 幾年級學過什麼、幾年級要(該)學什麼
• 也就是…– 知識、能力被「序列化」、「年級化」
• 漸漸地…– 時間還沒到的不用教、還沒教的不用會
• 但是– 知識真的不是這樣形成與被實際運用的
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我的關心
• 幾何思考究竟是什麼?包含哪些成分?
• 幾何思考如何教學?如何統整成分實施?
• 我不相信幾何思考是可以用層次編序教學培養出來的– 幾何的循序漸進與數與量的算術本質上不同
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幾何教與學的內涵…有哪些說法 (1)
van Hielevan Hiele 說思維層次:• visual/recognition
– 分辨、稱呼、比較及操弄幾何圖形。 • descriptive/analysis
– 以構成要素分析圖形,發現一群圖形共有的性質。 • relational/ordering
– 提出或理解非正式論證,以邏輯聯繫已發現的性質。 • formal/deduction
– 演繹證明定理,並且建立定理的網路結構。 • rigor/axiomatic
– 學生在不同的公設系統中建立定理並且分析比較這些系統。
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幾何教與學的內涵…有哪些說法 (2)
DuvalDuval 說了解成分:• 知覺的 (perceptual)
– 看到幾何圖形時辨識到的構形與關係• 序列的 (sequential)
– 依次序逐次作出基本單元而組合成整個圖形的瞭解• 論說的 (discursive)
– 對一個幾何圖形基本的名稱、假設、已知條件的瞭解• 操作的 (operational)
– 對圖形進行分解組合、放大縮小、平移旋轉等操作以獲得解題或論證靈感的瞭解
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幾何教與學的內涵…有哪些說法 (3)
DuvalDuval又說幾何歷程:• 視覺 (visualization)
– 對於圖形空間表徵的認知• 表象圖形 (線條與原型形狀的組構物 )
• 洞察幾何意義 (角、平行垂直、等距等積 )
• 根據文字敘述的圖形再現
• 構圖 (construction)– 根據作圖工具對圖形的再製過程
• 推理 (reasoning)– 進行論說的過程
5(B)5(A)
2
3
視覺
構圖 推理
4 1
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幾何教與學的內涵…有哪些說法 (4)
FischbeinFischbein區分幾何物件意識:• 知覺影像 (perceptual image)
– 看到形狀、線條組、資訊的直接指涉• 圖形概念 (figural concept)
– 看見幾何結構,線段、角、關係…
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幾何教與學的內涵…有哪些說法 (5)
VinnerVinner & Tall& Tall區分幾何概念意識:• 概念心像 (concept image)
– 心念中的第一連結物件• 有名字的形狀、看起來像的形狀
• 概念定義 (concept definition)– 抽象意念對應的幾何結構
• 具有一定特性的形狀
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從來沒有誰說幾何的教與學是先形狀、元素、關係然後才推理證明
幾何的學習歷程本質上就是一直在「運思」,只是
運思的對象 ( 形體、構形 )愈來愈廣雜運思的嚴密 ( 邏輯、演繹 )愈來愈凸顯
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幾何運思活動的體驗與設計
大家來經驗一下一塊正方形的蜂蜜蛋糕,要均分給 4 個人• 可以怎麼分?• 還可以怎麼分?• 為什麼每一塊都一樣?
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可能引發的漸次策略• 四等分
• 平分,再平分– 等形平分– 等積平分– 等積分割
• 正方形的4
1
16
14
8
12
2
1
2
1
4
1
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孩子有哪些巧思
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這樣做照顧了… van Hielevan Hiele 思維層次• visual/recognition
–分辨、稱呼、比較及操弄正方形與子圖 • descriptive/analysis
–描述子圖的構成,指出均分的意義 • relational/ordering
–提出各子圖為均分的原因 • formal/deduction• rigor/axiomatic
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這樣做照顧了… DuvalDuval 了解成分• 知覺的 (perceptual)
– 看到正方形與各種四等分子圖• 序列的 (sequential)
– 依四等分的建構策略,逐步作出等分子圖• 論說的 (discursive)
– 論說與理解均分的原因• 操作的 (operational)
– 對正方形及已得子圖進行分解組合,獲得預期目標
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這樣做照顧了… DuvalDuval 幾何歷程
• 視覺 (visualization)– 將四等分轉換成圖形影像–視覺化各種四等分圖形
• 構圖 (construction)– 作各種四等分的子圖
• 推理 (reasoning)–再分割的推論–判斷是否均分
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這樣做照顧了… FischbeinFischbein 幾何物件意識• 知覺影像 (perceptual image)
– 看到正方形與分割線– 看到各自的子圖
• 圖形概念 (figural concept)– 看見子圖及其之間的幾何結構– 看見子圖與正方形的相對關係– 看見子圖等積截補的過程(動態心像)
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這樣做照顧了… VinnerVinner & Tall& Tall 幾何概念意識• 概念心像 (concept image)
– 單一切截– 四等分– 平分再平分
• 概念定義 (concept definition)– 多樣切截– 等積的四分之一– 等形的四個部分
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這樣的活動是在作什麼?
Boero :數學家數學家的的數學活動數學活動內涵內涵
數學情境
形式證明
嘗試推論檢驗探究
形成命題形成臆測
組織論述
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這是一種統整的幾何活動• 提供一個學生可以操作的開放式情境• 提出構圖與視覺活動
– 視覺式構圖、視覺推理– 以多樣的作品引發更進一步的操作– 挑戰所做是否滿足要求
• 提出推理與視覺活動– 判斷其他作品的正確性– 論述指定作品的正確性
• 量的取向• 形的取向
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也可以設計成這樣… ( 程序性反駁 )
• 提出一個偽命題的似真特例– 直角三角形斜邊上的高=斜邊長一半
• 要求學生構圖舉例,記錄資訊– 做出各種直角三角形,量出並記錄邊與角
• 區分正、反例• 找出正例的條件通性,修正原命題的前提
– 等腰直角三角形斜邊上的高=斜邊長一半
• 找出所有例的共通結果,修正原命題結論– 直角三角形斜邊上的高=兩股積 / 斜邊長
• 要求學生檢驗一般性或證明命題
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結語一:幾何的整合式學習活動成分• 觀察與辨識
– 已有的圖形與子圖、構形 ( 元素 ) 、相 ( 絕 ) 對關係
• 構圖的順序– 先決定什麼、依什麼條件、下一個是什麼
• 推理與猜想– 形變換的結果、怎樣可以達到目的
• 語彙與表達– 說到別人聽得懂、懂別人所說
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中小學幾何教學的困境• 我們其實教了很多東西
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• 我們也有很高階的幾何問題
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學校課程中的幾何挑戰也很難
已知度量與關係,求度量 M//N ,∠ 1=30°, 2=45°∠ 。求 x
1
2
x
M
N
已知關係,求證 /檢驗關係四邊形 ABCD 中, AB//CD , AB = CD 。求證 ABCD 是平行四邊形
A
DC
B
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但實際上…五年級學生記住的幾何性質
正方形 長方形 梯形四邊相等 85.7 四個直角 77.5 一對邊平行
77.1
四個直角 80 對邊平行 62.9
兩對邊平行 45.7
對邊等長 40
平行四邊形 菱形 鳶形對邊平行 80 四邊等長 60 0
對邊平行 40
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…小學生的幾何知識調查• 橢圓、半圓歸類為圓形• 不會留意圖形是否具有封閉性• 受到整體視覺的影響• 正方形就一定要是水平的呈現• 有弧度的角也可算是正方形• 菱形與正方形相互混淆• 長方形就一定要長長的,• 長方形與平行四邊形上學生容易產生混淆• 兩邊短短底邊長長的銳角三角形才會是三角形• 面積、體積、周長三者混淆• 體積與重量的概念無法區辨清楚• 牛奶盒學生會說盒子是「高高的」不是「寬寬的」
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而且…國中生眼力也差不多下列哪些是 ... G7 G8 G9
銳角三角形 4.9 7.9 32.7
正三角形 80.3 78.1 86.1
等腰 三角形 4.1 6.6 15.5
正方形 68.0 69.7 77.1
矩形 (長方形 ) 12.7(41.8) 20.2(36.4) 31.8(38.0)
平行四邊形 20.5 25.5 38.4
菱形 17.2 22.7 38.0
圓 13.9 8.3 18.8
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…國中生也沒多會算
G7 G8
正確 37.0 47.1
缺漏 20.3 12.6
空白 42.7 40.3
v
p
uu
v
wp
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…學了證明也一樣
如圖,請證明:「設 A 為圓心, AB為半徑, AB 的垂直平分線交圓周於一點 C 。則△ ABC 為正三角形。」
可接受 24.6
不完備 35.0
不當的 0.3
直觀反應 2.8
空白或無推論 37.4
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連背性質都背不準
國一 314人 選正確 再選 1 再選 2 再選 3 再選 4
選擇率 70.4 58.3 10.8 46.5 6.69
□ 平角是 180 度。 ( ) 1∠ +∠ 2 +∠ 3 =
180° ( ) 2∠ +∠ 3 +∠ 4 =180° ( )∠3 +∠ 4 = 180° ( ) 1∠ +∠ 2 +∠ 4 =180°
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編織的問題:跳躍與斷裂• 少了那不起眼卻又關鍵的一步
–似乎聽得懂,但是–學生「會」(動機、能力)做嗎?
• 教材中會用色彩凸顯幾何資訊讓學生具焦在應注意的資訊上,這個動作,學生自己「會」做嗎?
• 忽略了語言、表徵與數學內涵的差異性–用文字與口語傳遞幾何資訊時,真正被理解的
幾何資訊是什麼?–對應在幾何脈絡中的樣貌是什麼?
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結語二:回歸構形的教學焦點• 幾何單元真正的學習對象是構形而非圖形
– 幾何世界是由線段、角、點所構成的– 圖形是構形的組合介面而非思維目的
• 幾何性質是構形間的關係而非圖形的特性– 所有的構形關係都不是為圖形而開發的
• 構形應在複雜中被辨識而非典型呈現• 構形與其關係要讓學生看得見而非聽得到
– 老師愛講愛寫,學生只好聽聲音看文字
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總結:數學教師的挑戰:編織學習脈絡• 「圖形」與「構形」
– 輪廓外觀 vs. 邊、角• 「描述」與「推論」
– 時鐘是圓形,所以是線對稱 vs. 鐘面數字不對稱
• 「命名」與「定義」– 角柱的側面是長方形(正方形)– 圓柱有沒有邊
• 「探索」與「解題」– 在開放性情境中 vs. 在限定問題中
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謝謝各位的聆聽