萬物皆數畢達哥拉斯

萬物皆數畢達哥拉斯

文/林原宏(國立臺中教育大學數學教育學系教授)、李英(數學教育文教工作專任老師)

 

  小朋友,你有沒有看過這樣用黑色、白色正方形地磚鋪出來的地板?如果讓你盯著這地板看個幾分鐘,你會想到什麼呢?

  在2500多年前,有個人參加宴會時看到類似這樣排列的地板,沒想到他竟然因此發現了三角形與正方形面積之間的關係,接著推論出所有直角三角形3個邊長之間的關係式,進而寫出了「畢氏定理」。(升上國中就會學到呵!)

  這個人是誰呢?他就是鼎鼎大名的畢達哥拉斯(Pythagoras, 西元前570年~西元前495年),古希臘的數學家、哲學家及音律學家。他與中國著名的孔子,大約是同一個時期。

 

生平

  畢達哥拉斯出生於地中海的薩摩斯島(Samos),他的家境富有,年少時期隨著經商的父親四處遊歷,30歲後到埃及與巴比倫學習數學、幾何、宗教、音樂等。50歲時,畢達哥拉斯回到故鄉薩摩斯,他還組織了一個專門研究數學及哲學的團體,後人稱之為「畢達哥拉斯學派」。

  小朋友,你知道這個學派的學員每次要進入團體研究學習時,可都要有通關密語的。喔不!是通關用的祕密符號。猜猜看,是什麼符號呢?答案是「五芒星」,也就是「」,要畫給守在門口的警衛看才可以進去喔,特別吧!

 

從地磚到畢氏定理

  先來介紹一下「黑白地磚」。小朋友,請看下面的圖案。有沒有看到橘色的、綠色的、藍色的大正方形及小正方形各一個?而且這些正方形是由黑色及白色的等腰直角三角形組合而成的。

  畢達哥拉斯看到「小的橘色正方形內的三角形數量」(4個),剛好是「小的綠色正方形內的三角形數量」(2個)加上「小的藍色正方形內的三角形數量」(2個)。(大正方形部分,請小朋友在後面的問題1做做看。)

  宴會結束後,回到家的畢達哥拉斯對於地板上的地磚還是念念不忘。

  他記得三個正方形圍住的形狀剛好是一個等腰直角三角形。他想:如果隨意畫一個直角三角形,將這個三角形的3個邊(例如分別是邊長a、邊長b以及邊長c),各自向外畫出分別是邊長為a、邊長為b以及邊長為c的三個正方形,這三個正方形的面積之間是否也有類似黑白地磚面積之間的關係呢?是否同樣能夠符合「以兩股長度為邊長畫出的2個正方形面積和」,等於「用斜邊長度為邊長所畫出的正方形面積」?

  接著,他馬上開始畫圖與證明,最後證明了任意直角三角形的三個邊長彼此間的關係式:a2b2c2 ,也就是大家所熟知的「畢氏定理」。例如:邊長分別為3cm、4 cm、5 cm的直角三角形,3×3+4×4=5×5。又例如邊長分別為5 cm、1 2 cm、13 cm的直角三角形,5×5+12×12=13×13。

 

對數字的狂熱

  畢達哥拉斯非常喜歡數字,可以說已經到了癡狂的地步。他認為宇宙萬物都是數,全部可以由整數或分數來表示。例如他認為1是純潔的、3是高尚的、4是聖潔的、10是萬物之母、……。

  他認為數字可以成就許多美的事物。如長與寬的比例是多少時,所形成的矩形最美?為此他提出了「黃金分割」與「黃金比例」,對之後的西方建築、繪畫、美學造成巨大影響。

  另外,你們若有學樂器或學校音樂課,是不是有教Do、Re、Mi等所謂的八度音、全音階?這也是畢達哥拉斯以特定的數字比例,設計琴弦的長度,而定出了這麼優美和諧的音階。

  你看,畢達哥拉斯是不是很厲害啊!

 

小故事大哉問

  小朋友,聽完以上故事,我們一起來討論看看下列問題:

  1. 故事裡黑白地磚圖案中,有大的橘色正方形、大的綠色正方形以及大的藍色正方形。 小朋友,請你數數看各正方形裡面分別有多少個三角形?請問數量是不是同樣符合「大的綠色正方形內的三角形數量」,加上「大的藍色正方形內的三角形數量」,剛好等於「大的橘色正方形內的三角形數量」?
  2. 下圖中,橫向點與點間的距離與直向點與點間的距離都是1公分。請你算出這三個正方形的面積各為多少?請問「1號正方形」的面積加上「2號正方形」的面積,是否等於「3號正方形」的面積呢?

代數之父花拉子米

代數之父花拉子米

文/林原宏(國立臺中教育大學數學教育學系教授)、李英(數學教育文教工作專任老師)

 

  小朋友,提到「阿拉伯」,你會想到什麼?石油?沙漠?駱駝?魔毯?還是阿拉丁神燈?哈哈!希望你有想到我們每天都會使用到的「阿拉伯數字」(現在已改稱為「印度-阿拉伯數字」)。

  以前,世界各地所使用的數字符號是不相同的,彼此很難溝通。現在都一樣了,變得超級方便。你知道促成這件事的大功臣是誰嗎?就是早期阿拉伯世界最傑出的數學家——花拉子米(Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi,約西元780年~西元850年),他同時也是著名的天文學家及地理學家。

  當我們想知道「杯子裡原有一些咖啡,加入75毫升的鮮奶,現在杯裡有225毫升的拿鐵咖啡。請問杯子裡原有多少毫升的咖啡?」用x表示原有x毫升咖啡,這題可以列成「x+75=225」。

  「冰箱裡有一包米,吃掉公斤,還剩下公斤,請問這包米原來重多少公斤?」用y來表示原來有y公斤的米,這題的解法可以列成 「y」。請你猜猜最早想出利用xyz這類符號來表示數量的人是誰?沒錯!就是花拉子米。

 

生平

  關於花拉子米的出生地點及時間,因為目前能掌握的資料很少,沒有人能確定。後來的人經由他的名字,猜測可能是在當時的波斯帝國東部(也就是現在的烏茲別克花拉子模州),但對於他發展長才的地點就非常確定了。

  花拉子米成年後到當時的文化、經濟中心巴格達城居住,他受邀至國王創立的研究中心「智慧館」(house of wisdom)擔任學者,將大量希臘與印度的數學、科學手稿翻譯成阿拉伯文。在飽讀世界知識的精華後,花拉子米進一步做出更深更廣的研究,陸續寫出兩本影響後世非常深遠的巨著。

 

代數之父

  由花拉子米撰寫的其中一本書為《印度數字算術》,簡稱《算術》。在這本書中詳細的介紹印度十進位制,及如何使用「1、2、3、4、5、6、7、8、9、0」來表示數量,還有加、減、乘、除等運算法則。另外,「演算法」的英文是「Algorithm」,小朋友,你知道它是怎麼來的嗎?是從這本書的拉丁文版書名中的一個字「Algoritmi」轉變過來的。

  他的另一本重要著作是《還原與平衡計算簡書》,簡稱《代數學》。花拉子米雖然不是歷史上第一個會解方程式的數學家,但他是第一位系統性寫出一元一次及一元二次方程式一般解法的人。而且除了用代數的方法,他還可以用幾何的方法來處理。

  小朋友,可不要以為這本書都在講怎麼解方程式呵!書中針對許多日常生活會遇到的問題都有提出實際的解決辦法。例如:土地如何劃分、工資如何計算、遺產如何分配等問題,可是非常實用的一本書!

  另外,「代數」的英文為「Algebra」,是由這本書書名中的一個字「al-jabr」演變過來的。哇!又是跟花拉子米有關,難怪後人尊稱他為「代數之父」。

  小朋友,升上國中後,你將正式體驗代數的威力,請拭目以待囉!

 

上至天文,下至地理

  在天文及地理學方面,花拉子米編製了阿拉伯最早的曆表《阿爾.花拉子米曆表》,被普遍使用於整個伊斯蘭世界100多年。他也編寫一本《大地形狀》,書中附有一張偏圓形狀的地圖,上面標示有經緯度、地形及氣候的劃分,還記載著537處地名。另外,他也對日晷的理論與結構做了重要改進,方便各地清真寺計算出做禮拜的正確時間。

  小朋友,關於阿拉伯世界,你不只知道「阿拉丁神燈」的故事,你現在還知道了巴格達城(現為伊拉克的首都),曾經出現過一位超級優秀的數學家呵!

 

小故事大哉問

  小朋友,聽完以上故事,我們一起來討論看看下列問題:

  1. 請問0、 1、 2、……、9這些數字符號,為什麼會從「阿拉伯數字」,改稱為「印度-阿拉伯數字」呢?
  2. 假如今天在巴格達城裡,有一個家庭的父親去世了,他們家唯一的駱駝是這位父親的遺產。父親在他的遺囑中寫著:「我死後要將我遺產的給我的好友阿丁,遺產的留給我的老婆,剩下的平均分配給我2個兒子。」 家人按照父親的遺囑將駱駝賣掉,獲得了80枚巴格達幣。請問他的每個兒子可以獲得幾枚巴格達幣?(請先用x表示兒子可以獲得的巴格達幣數量,再列出算式算算看。)

【108新綱教材理念】中年級幾何這樣教

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【108新綱教材理念】教好四年級四則運算

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【108新綱教材理念】生活中的列表與規律

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解鎖密碼「五五學習方陣」

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解鎖密碼「五五學習方陣」

解鎖密碼「五五學習方陣」

文/新北市私立及人小學 吳月貴老師

一、前言

  「五五學習方陣」是從一個簡單的數學小遊戲,歷經多年的教學應用及改良,成為今日有多版本的學習遊戲。「基礎版」是簡易的五五數學方陣,承襲當年看到的原始設計,只是將它廣泛應用於高年級數學領域各單元,作為單元複習或多單元統整複習,皆有不錯的成效;「進階版」的進階程度,來自誘答的複雜性,對學生而言,深具挑戰性;「統整版」是筆者發展的教學設計,融入多領域的知識內涵,讓學生藉由遊戲,熟練各領域的概念,藉此增進各項能力。每屆實施此教學活動,學生總是興致高昂,具有高度的完成動力,有助於對習題的精熟練習。

 

二、文獻探討

  筆者利用五五方陣設計一連串延伸的教學方陣,起源於大約三十年前在報紙副刊上看到的數學小遊戲。後來在各種數學遊戲書籍中所見到的許多「方陣」的數學遊戲,皆是指在每個格子中填上一個自然數,使直、橫、斜加起來都變成相同的數目,有三方陣、四方陣、五方陣等不同的數學益智遊戲(1)。有些書籍內容則將它命名為「魔方陣」,它根源於中國古時的「幻方」(2)。

  有一篇來自智利的4-5年級數學教學活動,名稱為「恆星益智遊戲。乘法遊戲」(3)。遊戲方式是利用12塊三角形重新拼排成六角星形,每塊三角形的邊上包含兩個乘法和一個答案,將兩塊三角形放在一起,使乘法和答案緊挨著,最後會出現一個漂亮的六角星形。這種利用兩個邊緊挨著「題目-答案」組合的遊戲方式,即為本文學習方陣的解鎖方式。

 

三、動手做數學方陣

  製作五五數學方陣需要一些訣竅和時間,先以三三數學方陣為例,說明它的製作方式及需要注意的小妙招。後文的五五方陣或其他方陣則依此法衍生。

步驟一:畫「空白表格」,如下圖:

  先畫好一個 3格×3格的三三數學方陣,英文字母是決定數字卡的方向。此圖是在PPT上繪製出的表格。

步驟二:製作「解答」,如下圖:

  依序將設計好的算式及答案,填在相鄰的邊上,此為「解答」。例如:「26+34=60」,「26+34」置放在數字卡E的下方,「60」置放在數字卡B的上方;「8×17=136」,「8×17」置放在數字卡E的右方,「136」置放在數字卡A的左方。選擇PPT繪製,便是因為圖文皆可旋轉角度,方陣裡的算式或答案可以依照構思作排列。

步驟三:製作「題目」,如下圖:

  將解答沿著方陣的經緯線剪開,成為一張張如下圖的數字卡,再重新隨機安置,變成「題目」。製作題目時需要注意英文字母的方向。

 

四、數學方陣在教學上的應用

(一)「基礎版」五五數學方陣

  學生拿到數學方陣的題目後,先沿著方陣的經緯線剪開,成為一張一張的數字卡,再按照相鄰為正確的題目及答案的組合來重新拼排。

  當學生嘗試幾次遊戲後,會發覺有些數字卡的上下、左右方有一些空白處,進而察覺該數字卡應該置放於方陣的旁邊或四個角落,而加速他們完成數學方陣,不過並不影響學生對數學基礎概念複習的初衷。此款能加速完成的數學方陣設計為「基礎版」。

  在多年設計五五數學方陣的經驗中,任何單元的數學概念皆可入題,只要題目不過長,以計算題為佳,畢竟當初設計的起點就是為了加強學生的計算能力。此款「基礎版」共需要40組題目和答案。

▲ 圖A

  在同一個五五數學方陣中,可以選擇同一個單元入題,當作單元複習,以上圖圖A為例,那是五年級上學期「多位數的乘除法」單元,遊戲設計目的即為供學生增進該單元的計算能力;也可以多個單元入題,當作總複習,以下圖圖B為例,那是融合五年級下學期「分數」、「體積」、「容積」、「時間的計算」等單元的設計。

  下圖圖B是「基礎版」的題目,下圖圖C是它的解答。在學生完成方陣組合的過程中,曾經詢問老師:為什麼有時候同一份五五數學方陣上會出現重複的英文字母?老師笑而不答,只告訴學生:那是提醒作答者要將數字卡擺正!事實上,那是別有用意的設計。

  在圖C解答中,第一橫排的英文字母是「ORDER」,第二橫排的英文字母是「CANDY」,第三橫排的英文字母是「PIZZA」,第四橫排的英文字母是「SNACK」,第五橫排的英文字母是「SUGAR」,它的設計是方便老師批閱或對答案,還可以順便檢驗學生對英文單字的認識。

▲ 圖B

▲ 圖C

(二)「進階版」五五數學方陣

  下圖圖D是五年級下學期「小數的乘除法」單元,任何一張數字卡的上下、左右方都有題目或答案,也就是學生不能再心存僥倖想快速完成,他們必須一題一題計算,先找出兩兩相對的「題目-答案」組合,再依照線索拼排成正確的方陣。此款必須按部就班計算的數學方陣設計為「進階版」。

▲ 圖D

  此款「進階版」共需要40組位於經緯線上正確的題目和答案,和另外10組分別散置在周圍邊上混淆作答的題目和答案。這10組題目和答案的誘答性愈高,愈能增加完成此方陣的難度,教師可以依照學生程度進行設計。

(三) 跨領域的「統整版」五五學習方陣

  「統整版」為融合數學、國語、自然、社會、英文等多項領域而設計的進階版五五學習方陣。要選擇哪些領域、那些單元入題,以教學目的導向,可靈活運用,增添教學趣味,提高學習成效。

  下圖圖E是融合數學、國語的「基礎統整版」,因為在某些數字卡的周圍仍可見未安排題目或答案,所以作答者能先行大致安排方陣周圍的數字卡,接著再逐步破解、尋找每一組答案。

  下圖圖F是融合數學、國語、社會、自然、英文的「進階統整版」,因為每一張數字卡的周圍都有題目或答案,作答者必須逐步破解、尋找每一組答案,因為其中有些誘答的題目或答案干擾遊戲進行,所以還要兼顧排列位置,最後才能完成拼圖。這款設計頗受學生喜愛,因為可以檢驗自己對課程內容的複習程度,還能紓解評量考前的緊張壓力。

▲ 圖E

▲ 圖F

 

五、後語

  經過多年的教學應用,發覺完成方陣需要多項能力,從最基礎的計算能力,到高階的組合邏輯,尤其是誘答性高的進階版數學方陣。進行方式可以採取以單元複習為目的,讓學生熟練該單元的概念或計算技能;有時則是期中、期末評量前的「減壓」複習,學生透過它更加精熟學習重點,但卻以為只是遊戲而樂於完成;我們還嘗試運用在大型的親子數學闖關遊戲中,讓學生組隊,藉由分組合作學習,完成解鎖五五數學方陣的任務,家長可從旁協助小組成員,進而了解自己孩子的能力高低,是一舉多得的活動及教材設計。

  在設計五五數學方陣的過程中,製作解答、重新安排題目的步驟相對簡易,真正繁複的部分是在電腦PPT上的作業。未來若能寫出程式設計軟體,教師只需要選擇想製作的學習方陣種類,例如:二二方陣、三三方陣、四四方陣、五五方陣……,再鍵入所需要的題組,即可自動、隨機組成基礎版、進階版、統整版的學習方陣,甚至變成學習遊戲軟體,讓學生可以在家操作、複習功課,相信必能促使學生樂在學習中。

 

(點我下載PPT)

六、參考書目

1. 文明豐編著(1987)。《增進計算能力的數學遊戲》。臺北:益群書店。

2. Claudia Zaslavsky(2002)。《生活科學28民俗數學遊戲》。陳昭蓉譯。臺北:遠哲科學教育基金會。

3. Pérez ,M.C. (2016)。JUEGO PUZZLE ESTELAR. JUEGO DE MULTIPLICAR(恆星益智遊戲。乘法遊戲)。(2022-8-21)
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國小數學-Wordwall-四年級

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