Wiadomości ogólne
- Czas trwania zajęć: ok. 40 minut + 5 minut na wykład
- Kontekst w jakim wprowadzono doświadczenie:
Doświadczenie warto zrealizować w klasie drugiej lub trzeciej, gdy uczniowie mają utrwaloną wiedzę dotyczącą trójkątów prostokątnych.
- Określenie wiedzy i umiejętności wymaganej u uczniów przed przystąpieniem do realizacji zajęć:
Uczniowie potrafią obliczać długości boków trójkątów prostokątnych w oparciu o twierdzenie Pitagorasa.
Jeśli uczniowie mają niewystarczającą wiedzę na temat liczb niewymiernych, warto doświadczenie poprzedzić np. krótkim, 5-cio minutowym wykładem nauczycielskim z uwzględnieniem rysu historycznego, dotyczącego odkrycia niewspółmierności – jako pierwiastków z liczb, które nie są kwadratami liczb wymiernych. Należy (ponownie) zadbać, by nie utrwaliło się przekonanie, że tylko tego typu liczby mogą być niewymierne (np. przez przypomnienie liczby π).
- Cele osiągnięte z wykorzystaniem doświadczenia:
Nauczyciela:
- zapoznanie uczniów ze sposobem konstruowania odcinków o długościach wyrażonych liczbą niewymierną z wykorzystaniem twierdzenia Pitagorasa,
- kształcenie umiejętności dobierania właściwego modelu uzasadniającego poprawność konstrukcji.
Uczniów:
- będziesz umiał konstruować wiele odcinków o długościach niewymiernych wykorzystując twierdzenie Pitagorasa.
- Pojęcia kluczowe:
- odcinki o długościach niewymiernych,
- twierdzenie Pitagorasa,
- symetralna odcinka.
- Potencjalne pytania badawcze:
- Jak można konstruować odcinki o długości wyrażonej liczbą niewymierną (postaci √n, gdzie n jest liczbą naturalną, ale nie jest kwadratem innej liczby naturalnej), mając do dyspozycji wyłącznie odcinki o długościach wymiernych?
- Hipoteza sformułowana przez uczniów:
- Naturalna hipoteza nr 1 brzmi: Z wykorzystaniem twierdzenia Pitagorasa.
- Hipoteza nr 2 to najprawdopodobniej: „TAK” lub „NIE”.
Doświadczenie
- Zmienne występujące w doświadczeniu:
- zmienna niezależna: niewymierna długości odcinka - boku trójkąta prostokątnego,
- zmienna zależna: długości pozostałych dwóch boków pozwalających taki odcinek uzyskać,
- zmienna kontrolna: sposób obliczenia długości boku trzeciego – uzasadniający sposób konstrukcji (w oparciu o twierdzenie Pitagorasa).
Instrukcja wykonania doświadczenia:
W przypadku wykonywania konstrukcji na komputerze uczniowie mogą cały czas pracować w parach.
Zadanie A
1. Zapoznajcie się ze sposobem konstrukcji odcinków o długościach niewymiernych √2 oraz √3. Przedyskutujcie w parach jak należy wykonać każdą z konstrukcji.
1+1=2
12+12=(√2)2
Ten odcinek skonstruowano jako przeciwprostokątną trójkąta prostokątnego o dwóch przyprostokątnych długości 1, bo wg twierdzenia Pitagorasa suma kwadratów długości przyprostokątnych równa jest kwadratowi długości przeciwprostokątnej.
4-1=3
22-12=(√3)2
22=(√3)2+12
Ten odcinek skonstruowano jako przyprostokątną trójkąta prostokątnego o drugiej przyprostokątnej długości 1 i przeciwprostokątnej długości 2, bo wg twierdzenia Pitagorasa suma kwadratów długości przyprostokątnych równa jest kwadratowi długości przeciwprostokątnej.
(tu warto zaplanować stopklatkę, by sprawdzić czy wszyscy uczniowie dobrze zrozumieli ideę konstrukcji – odsłuchujemy minimum po jednym wyjaśnieniu dla każdego odcinka, prosimy o korektę pozostałych uczniów).
2. Przeczytajcie pytanie badawcze/problemowe. Postawcie indywidualnie swoją hipotezę i zapiszcie ją wraz z pytaniem badawczym/problemowym – każdy w swoim w zeszycie.
3. Wykonajcie teraz konstrukcję odcinka o długości √5 jako przyprostokątną lub przeciwprostokątną wykorzystując jedną z poniżej przedstawionych możliwości.
(praca w parach po uprzednim omówieniu każdej koncepcji – minimum należy odsłuchać propozycje kolejnych kroków konstrukcyjnych):
1+4=5
12+22=(√5)2
lub
9-4=5
32-22=(√5)2
32=(√5)2+22
Konstrukcję możecie także wykonać na komputerze.
(po zakończeniu zadania – stopklatka; pokazanie poprawnej konstrukcji dla każdej wersji, wyjaśnienie dodatkowych wątpliwości uczniów).
4. W zespołach czteroosobowych spróbujcie znaleźć sposób na skonstruowanie odcinka o długości √6 z wykorzystaniem twierdzenia Pitagorasa. (Podpowiedź: spróbujcie zapisać liczbę 6 jako sumę kwadratów lub różnicę kwadratów dwóch liczb wymiernych). Po trzech minutach przedstawicie rezultat waszej pracy.
Tu stosujemy kolejną stopklatkę i omawiamy wyniki poszukiwań, a najprawdopodobniej – ich brak; następnie przeformułowujemy (formułujemy nowe) pytanie badawcze/problemowe: Czy każdy odcinek o długości wyrażonej liczbą niewymierną można skonstruować w sposób przedstawiony w instrukcji?
5. Sformułujcie kolejną hipotezę nr 2. Zapiszcie pytanie badawcze/problemowe i hipotezę nr 2 w zeszycie.
6. Nie zawsze jest łatwo wymyślić jak liczbę „nie kwadratową” przedstawić w postaci sumy lub różnicy kwadratów dwóch innych liczb naturalnych. Czasem się tego po prostu nie da zrobić. Czy zatem matematyka jest wobec takich liczb „bezsilna”?
Zapoznajcie się z wynikiem badań Basi, która wymyśliła „sposób” na √6.
OPIS POMYSŁU BASI.
Po długich, bezskutecznych poszukiwaniach sposobu na skonstruowanie odcinka √6 odkryłam, że bez trudu umiem skonstruować odcinek dwa razy dłuższy. Wystarczy później podzielić ten odcinek na połowę:
2∙√6=√22∙√6=
=
=√24
24=25-1
24+1=25
(√24)2+12=52
Wniosek Basi:
Odcinek o niewymiernej długości √24 powstanie jako przyprostokątna, gdy druga przyprostokątna ma długość 1, a przeciwprostokątna ma długość 5. Odcinek o długości √6 otrzymamy dzieląc √24 na połowę (symetralną).
7. Jeśli wystarczy nam czasu, możemy polecić parom wykonanie konstrukcji wg pomysłu Basi lub od razu przejść do podsumowania końcowego:
W tym miejscu podsumowujemy uzyskane wyniki doświadczenia. Warto, by uczniowie poznali jaki jest ich aktualny pogląd na rozwiązanie problemu (inwentaryzacja ilościowa hipotezy nr 2). Można także wykorzystać poniższą listę wyboru, za pomocą której uczniowie dokonają samooceny swej aktualnej wiedzy i umiejętności oraz przekażą nauczycielowi IZ o realizacji celów doświadczenia:
- potrafię wymyślić sposób na konstruowanie wielu odcinków wymiernych,
- sądzę, że wszystkie odcinki √n typu można skonstruować z wykorzystaniem twierdzenia Pitagorasa lub przez podział uzyskanych tym sposobem odcinków na równe części, albo ich zwielokrotnianie,
- nie jestem pewien, czy wszystkie odcinki √n typu można skonstruować z wykorzystaniem twierdzenia Pitagorasa lub przez podział uzyskanych tym sposobem odcinków na równe części, albo ich zwielokrotnianie,
- chciałbym poznać ostateczną odpowiedź na pytanie badawcze – podjąć dalsze badania.
Ponieważ celem doświadczenia nie jest uzyskanie przepisu (algorytmu) dla każdego możliwego przypadku, powinno pojawić się naturalne zapotrzebowanie na kontynuację badań. Pracę domową proponuję zatem sformułować wariantowo – uczniowie wybierają konstrukcję, która chcą zrobić:
- odcinka, gdy sposób jest łatwo wymyślić np. √10,
- trudniejszego do wymyślenia np. √11,
- lub jeszcze trudniejszego np. √54.
- Podsumowania doświadczenia:
Doświadczenie jest kilkuetapowe, dlatego bezpośrednio w instrukcji przedstawiłem propozycję niezbędnych podsumowań częściowych tzw. stopklatki oraz propozycję podsumowania końcowego.
- Propozycja dokumentacji przeprowadzenia doświadczenia przez uczniów:
Dokumentacja doświadczenia przeprowadzonego przez uczniów powinna zawierać:
- Konstrukcję wykonaną klasycznie lub komputerowo (tu do wyboru programy umożliwiające wykonanie takiej konstrukcji: C.a.R., GeoGebra, Cabri…).
- Uzasadnienie arytmetyczne poprawności konstrukcji w oparciu o twierdzenie Pitagorasa (uczniowie dołączają właściwe - w zależności od wyboru sposobu konstrukcji).
- Informację słowną czy odcinek √5 powstanie jako przyprostokątna, czy przeciwprostokątną.
- Jeśli wykonamy punkt 7 instrukcji, należy konstrukcyjnie podzielić odcinek o długości √24 na dwie części, podpisując długość połowy jako √6.
Podstawa programowa
- Cele, które zostaną osiągnięte w wyniku przeprowadzenia doświadczenia przez nauczyciela i uczniów pod kierunkiem nauczyciela:
a) wymagania ogólne – cele
- II Wykorzystywanie i interpretowanie reprezentacji: uczeń używa prostych, dobrze znanych obiektów matematycznych, interpretuje pojęcia matematyczne i operuje obiektami matematycznymi.
- III Modelowanie matematyczne: uczeń dobiera model matematyczny do prostej sytuacji, buduje model matematyczny danej sytuacji.
- V Rozumowanie i argumentacja: uczeń prowadzi proste rozumowania, podaje argumenty uzasadniające poprawność rozumowania.
b) wymagania szczegółowe - treści nauczania
- 3 Potęgi: 1) uczeń oblicza potęgi liczb wymiernych o wykładnikach naturalnych;
- 4 Pierwiastki: 1) uczeń oblicza wartości pierwiastków drugiego i trzeciego stopnia z liczb, które są odpowiednio kwadratami lub sześcianami liczb wymiernych;
- 10 Figury płaskie: 7) uczeń stosuje twierdzenie Pitagorasa;
Materiały do pobrania
Słowniczek
EKSPERYMENT, prowadzony zgodnie z metodą naukową, rozumiany jest jako proces, w trakcie którego badacz, uczeń, wprowadza zaplanowaną zmianę jednego czynnika i bada, jakie ta zmiana przynosi rezultaty, uważając przy tym, by pozostałe czynniki pozostały niezmienne.
OBSERWACJA rozumiana jako zaplanowane gromadzenie faktów, bez wprowadzania jakichkolwiek ingerencji w badane zjawisko. W trakcie obserwacji nie występuje zmienna niezależna, ponieważ nie ingerujemy w badany proces.
Eksperyment i obserwacja są realizowane zgodnie z metodą naukową, a to oznacza:
Postawienie PYTANIA BADAWCZEGO - Pytanie może być zadane przez uczniów lub zaproponowane przez nauczyciela. Pozwala to ukierunkować myśli i skoncentrować się na badanym problemie, uświadamia, że badania naukowe są wynikiem zaplanowanego działania.Dobrze skonstruowane pytanie badawcze jest pytaniem otwartym - uczeń sam chce znaleźć na nie odpowiedź.
Kolejnym krokiem jest postawienie HIPOTEZY, czyli prawdopodobnej, przewidywanej i wymyślonej przez uczniów odpowiedź na pytanie badawcze. Pamiętajmy, że przed wykonaniem eksperymentu nie ma złych lub dobrych hipotez, każda, nawet najbardziej śmiała jest dopuszczalna.
Kolejny etap to określenie ZMIENNYCH:
- ZMIENNA NIEZALEŻNA czyli to, co zmieniamy.
- ZMIENNA ZALEŻNA czyli wielkość, którą będziemy mierzyć, obserwować.
- ZMIENNE KONTROLNE czyli wszystko to, co musi zostać niezmienne.
ZMIENNA ZALEŻNA to parametr mierzony podczas doświadczenia, zmieniający się w zależności od zmian ZMIENNEJ NIEZALEŻNEJ.
W doświadczeniu naukowym pojawiają się również PRÓBY KONTROLNE. Bez kontroli nie można jednoznacznie stwierdzić, czy wyniki doświadczenia są wiarygodne. Kontrola pozytywna to dodatkowa próba, którą przeprowadzamy identycznie, jak próbę badawczą, ale z użyciem takiego czynnika (jeśli jest znany), który na pewno wywołuje pożądany efekt. Z kolei kontrola negatywna to dodatkowa próba, ale bez użycia czynnika, o którym wiemy, że wywołuje badane zjawisko. Z założenia, wynikiem tej próby będzie brak zmiany mierzonego parametru. Nie w każdym układzie doświadczalnym da się zaplanować obie próby kontrolne.
Zajęcia z pytaniem problemowym zakładają dyskusję między uczniami na podstawie dodatkowych pytań lub przykładów dostarczonych przez nauczyciela. Zajęcia te kształcą umiejętność doboru i formułowania argumentów, słuchania osób o innym stanowisku oraz wyciągania wniosków. W wyniku dyskusji cenne byłoby wypracowanie stanowiska, by uczniowie przekonali się, że każda konstruktywna rozmowa powinna zakończyć się rzetelnym podsumowaniem.
Gry dydaktyczne wykorzystują czynnik zabawy, co wspomaga przyswajanie wiedzy przez uczniów. Gry rozwijają pomysłowość, aktywność, samodzielność, umiejętność pracy w grupie oraz uczą radzenia sobie z emocjami. Grając uczymy się przez działanie i przeżywanie. Sukcesem jest osiągnięcie celu, a nie wygrana z innymi, czy zajęcie pierwszego miejsca. Najważniejsza w grze jest dydaktyka. Wygrywać mają wszyscy.
Bibliografia
Tematykę związaną z twierdzeniem Pitagorasa uczniowie znajdą w każdym podręczniku matematyki np.
1. Matematyka 2. Podręcznik dla gimnazjum. Wydanie 2010. Praca zbiorowa pod redakcją M. Dobrowolskiej.
Informację o historii odkryć liczb niewymiernych znaleźć można np. w Wikipedii:
2. http://pl.wikipedia.org/wiki/Liczby_niewymierne
i pogłębiać ją korzystając z systemu kolejnych odsyłaczy. Proponuję także klasyczną lekturę:
3. „Śladami Pitagorasa” – Szczepana Jeleńskiego, Państwowe Zakłady Wydawnictw Szkolnych 1961, lub nowsze WSiP, Warszawa 1974.
