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几何画板──21世纪的动态几何
  勿容置疑,计算机进入数学教学必将带来教学内容、教学方法、教学模式的深刻变革。然而,从我国中小学数学CAI的发展情况来看,教师在课堂上使用计算机的很少,绝大多数还是“粉笔加黑板”的教学模式,学生并未真正成为学习的主体。除了观念上的原因,很大程度上在于优秀教学软件的缺乏。最近,笔者看到了人民教育出版社出版的《几何画板》软件,通过学习、探索,发现它是一个非常优秀的CAI工具,将其应用于课堂教学,必将发挥重要的作用。下面谈谈我学习这一软件的体会。

一、一种形象化的强有力的几何工具

 

  几何画板是探索几何学奥秘的强有力的工具,利用这个画板可以做出各种神奇的图形。比如:

  各种平面几何图形(图1);

                             

  勾股定理的动态模型;

  透视图形;

  动态正弦波;

  各种函数曲线;

  数据图表。

    使用常规工具(如纸、笔、圆规和直尺等)画图,画出的图形是静态的,很容易掩盖一些重要的几何规律。而使用《几何画板》,可以画出有几何约束条件的几何图形。另外,《几何画板》可以在图形运动中动态地保持几何关系,可以运用它在变化的图形中发现恒定不变的几何规律。比如,用其画点/画线工具画出一个三角形后,可以用鼠标任意拖动三角形的顶点和边,就可以得到各种形状的三角形。我们也可以让三个顶点在三个圆上运动,作一个动态的演示,这时就可以说:“这就表示一个任意三角形”。在此基础上,还可以做出它的三条中线,演示不管三角形如何变化,其三条中线总是交于一点。所有这些,只要教师几分钟的操作,而不必计算机人员的参与。

  我们知道,数学是研究数量关系和空间形式的科学,《几何画板》能很好地把数和形的潜在关系及其变化动态地显示出来,随时观察到各种情况下的数量关系及其变化。像上述任意三角形的例子,如果测算出三角形各个边的长度,可以发现,三角形变化时,三个长度也在变化。这更好地说明了任意三角形,而不致引起"一个三角形在运动,只是从不同角度观察三角形"的误解。

二、“做数学”的实验室

  在数学科学研究中,数学家需要反复实验才能发现规律,然后才是进行严格的逻辑论述和证明。而在学校数学教学中,数学知识都是学生通过听教师口头讲述获得的,几乎没有实验。学生多半是在听数学,听那些缺少发现过程的结论。数学学习不应是一个被动吸收知识、记忆、反复练习强化的过程,一个有意义的学习过程,是学生以一种积极的心态,调动原有的知识和经验,尝试解决问题,同化新知识并建构新的认知结构的过程。所有的新知识只有通过学生再创造的活动,使其纳入原有的认知结构中,才可能成为有效的知识。在这个过程中,如果能给学生创设一种积极的探索问题的情境,给学生的比较和抽象创造一种活动的空间和条件,他们就能在问题解决过程中理解和掌握抽象的概念。只有这样,学生获得的才是真正的数学经验,而不仅仅是一些抽象的数学结论。

  《几何画板》提供了一个十分理想的“做数学”的环境,完全可以利用它来做数学实验。比如下面的实例:

  我们可以画一个圆,然后在圆上和圆外各取一点,作其连线的垂直平分线,轨迹跟踪这条直线,再让圆上的点在圆上运动。我们会发现垂直平分线的轨迹的包络线竟是双曲线(图2);接着,我们可以拖动圆外的点到圆内,则又发现了新内容,其轨迹的包络线又成了椭圆(图3)。在上面的拖动过程中,圆外的点的位置不同,双曲线的形状也不同(点在圆外),椭圆的形状也不同(点在圆内)。进一步,点在圆上和点在圆心各是什么样子呢?通过一个简单的拖动过程,可从一个角度说明椭圆和双曲线是统一的,都是二次曲线,并且还能表示出特例的情况。

    1995年夏季学期,两个美国初中二年级学生David Goldeheim和Dan Litchfiled应用《几何画板》发现了又一个任意等分线段的方法;东北育才学校一名学生发现了广义蝴蝶定理。抛开这些问题自身的意义不说,他们处理问题的过程(猜测,验证,论证),对我们的数学教学也是一种启示。

三、对数学教学的启示

  应用计算机辅助教学能很大程度地改变我们当前数学教学的现状。在未来的数学教育领域,计算机将发挥越来越重要的作用。计算机辅助教学不再是可有可无的。它将引起内容、方法、模式等一系列方面深刻的变革。

  随着计算机日益走入人们的生活,大部分算术、代数的纸和笔的运算将为技术所替代。数学教育应用更多的时间让学生去思考和理解更本质的方面,学会提出问题和抽象概括,从而达到帮助学生更深入地思考数学,应用数学。学校的数学教学应更重视培养学生对数学思想、方法及其应用的理解和掌握,重视现实问题的解决。

  布鲁纳有一句名言,任何知识都能够以合适的方式教给任何年龄的学生。这里,合适的方式是关键。而计算机正好提供了这种可能。面向21世纪,在课程建设过程中,在充分考虑社会进步、学科发展的基础上,建立一个“以学习者为中心”的课程体系,让学生充分利用现有的技术,从所熟悉的事实现象出发去观察、探索、发现规律,是课程设计者所面临的重要问题。


   
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