Начала систематического курса стереометрии в средней школе

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

им. Ф. Скорины»

Математический факультет

Кафедра МПМ

РЕФЕРАТ

Начала систематического курса стереометрии в средней школе

Исполнитель:

Студентка группы М-32 ____________ Кольцевая А.Ю.

Научный руководитель:

Канд. физ-мат. наук, доцент ____________ Лебедева М.Т.

Гомель 2007

Содержание

Введение

1. Методика изучения параллельности прямых и плоскостей. Методическая схема изучения теорем и их доказательства (на примере признака параллельности прямой и плоскости)

1.1 Методика изучения аксиом стереометрии

1.2 Методика изучения параллельности прямых и плоскостей

2. Методика изучения перпендикулярности прямых и плоскостей. Методическая схема изучения признака перпендикулярности прямой и плоскости

Заключение

Литература

Введение

При изучении аксиом важно, чтобы учащиеся поняли абстрактный характер геометрических понятий, увидели процесс абстрагирования в действия и научились замечать его в окружающей действительности.

Изучая геометрические понятия “линия”, “точка”, “прямая”, “плоскость” и др., учитель акцентирует внимание учащихся на том, что каждое из них – результат абстрагирования (отвлечения) от реальных объектов.

Например, линия границы на карте – полоса определённой ширины (существенное свойство границы) для пограничников.

Как видно, в зависимости от цели рассмотрения в одном случае существенными свойствами границы являются одни свойства, а в другом – другие. В качестве примеров, позволяющих представить себе плоскость, выбираем ровную поверхность стола, гладкую поверхность озера, участок поля, простирающийся до горизонта.

В данном случае, как и для прямой, плоскость представления неограниченно продолженной во все стороны, т.е. абстрагируемся от свойства ограниченности каждого из перечисленных объектов.

1. Методика изучения параллельности прямых и плоскостей. Методическая схема изучения теорем и их доказательства (на примере признака параллельности прямой и плоскости)

1.1 Методика изучения аксиом стереометрии

Построение системы аксиом стереометрии происходит по двум направлениям: 1) переформулирование аксиом планиметрии для пространства; 2) добавление новых “специфических” аксиом стереометрии.

Первое из них осуществляется через принятие аксиомы: “В каждой плоскости пространства справедливы (выполнимы) все аксиомы планиметрии”. Второе состоит в формулировании нескольких аксиом принадлежности для пространства. В учебнике Погорелова использовано второе направление. Т.к. вводится новый геометрический образ – плоскость, то её основные свойства в пространстве выражают аксиомы:

С₁. Какова бы не была плоскость, существуют точки, принадлежащие этой плоскости, и точки, не принадлежащие ей.

С₂. Если две различные плоскости имеют общую точку, то они пересекаются по прямой, проходящей через эту точку.

С₃. Если две различные прямые имеют общую точку. То через них можно провести плоскость, и притом только одну.

Таким образом, система аксиом стереометрии состоит из аксиом планиметрии и группы аксиом С.

Методическая схема изучения аксиом стереометрии

1. Разъяснить абстрактный характер геометрических понятий.

2. Разъяснить сущность аксиом и их роль в построении геометрии, сформулировать аксиомы.

3. Проиллюстрировать аксиомы на моделях.

4. Закрепить аксиомы путём логического анализа их формулировок.

5. Закрепить аксиомы в процессе их применения к выводу первых следствий геометрии принадлежности в пространстве, к решению задач.

Проиллюстрируем схему на аксиомах группы С.

1. Понятие плоскость, точка, прямая – абстрактны, т.к. в каждом из случаев отвлекались от свойств ограниченности, линейных размеров, возможной ширины, которыми обладали эти предметы в окружающей действительности.

2. Перечисленные свойства позволяют строить сечение многогранников, доказывать следствия, вытекающие из аксиом.

3. В качестве иллюстрации аксиом на модели воспользуемся рисунком куба, по которому учащиеся могут ответить на следующие вопросы: перечислить точки, принадлежащие плоскостям: (ABC),(AA₁B₁),(D₁C₁C),(A₁B₁C₁); назвать плоскости, которым принадлежат точки D₁,C,B₁,A,M,N; назвать линии пересечения плоскостей (AA₁D₁) и (ABC), (DD₁C₁) и (BB₁C₁); имеют ли они общие точки; можно ли провести плоскость через следующие пары прямых: AB и AD, A₁B₁ и BB₁, A₁D₁ и C₁C, BC и AA₁.

4. Аксиома С₁: “Какова бы ни была плоскость, существуют точки, принадлежащие этой плоскости, и точки, не принадлежащие ей”. Её анализ можно направить вопросами: О каких геометрических фигурах говорится в этой аксиоме? - О плоскости и точках. Что именно говорится о плоскости и точках? - На каждой плоскости имеются точки, принадлежащие ей; для каждой плоскости можно указать точки, которые ей не принадлежат. Сколько утверждений сформулировано в аксиоме С₁? Сформулируйте их по отдельности. - Сформулированы два утверждения: 1) какова бы ни была плоскость, существуют точки, принадлежащие ей; 2) какова бы ни была плоскость, существуют точки, не принадлежащие ей. Какими другими словами можно заменить слова “какова бы ни была плоскость”?

5. На рисунке изображены две различные плоскости a и b, имеющие общую точку A. Сколько общих точек имеют плоскости a и b?

Т.к. плоскости – неограниченны и используя аксиому С₂, получаем ответ: бесконечно много точек, расположенных на прямой, являющейся их линией пересечения.

Задача: Можно ли через точку пересечения двух данных прямых провести третью прямую, не лежащую с ними в одной плоскости? Объясните ответ.

По аксиоме С₃ пересекающиеся данные прямые задают положение одной из плоскостей в пространстве. В пространстве найдётся прямая, не принадлежащая данной плоскости (применяем аксиому С₁, по которой выбрав любую точку, не принадлежащую построенной плоскости, и точку пересечения данных прямых, строим искомую прямую). Такую прямую можно построить.

Роль аксиом в построении геометрии хорошо видна при доказательстве первых следствий, которые в действующем учебнике представлены в виде теорем.

Т.15.1. Через прямую и не лежащую на ней точку можно построить плоскость, и притом только одну.

Для лучшего выделения всех предложений, используемых при доказательстве следствия, целесообразно доказательство оформить в виде таблицы с двумя колонками “утверждения” и “на основании”.

Теорема доказана.

Т.15.2. Если две точки прямой принадлежат плоскости, то вся прямая принадлежит этой плоскости.

Т.15.3. Через три точки, не лежащие на одной прямой, можно провести плоскость, и притом только одну.

Следствие из Т.15.2.Плоскость и не лежащая на ней прямая либо не пересекаются, либо пересекаются в одной точке.

Выяснить, следствиями из каких аксиом являются сформулированные теоремы? (аксиома 1, аксиома С₃).

Учащимся необходимо объяснить, что доказательство приводится не только с целью убеждения в истинности какого-либо предположения, но и для того, чтобы свести данное предположение к ранее известным, показать, каким образом из аксиом, определений и уже доказанных теорем следует данное предположение.

1.2 Методика изучения параллельности прямых и плоскостей

Содержание: определения параллельных и скрещивающихся прямых в пространстве, теорема о существовании и единственности прямой, проходящей через данную точку параллельно данной прямой, транзитивность параллельности прямых, параллельность прямой и плоскости (определение и признак), параллельность плоскостей (определение и признак), изображение пространственных фигур на плоскости.

Наряду с обычными целями обучения геометрии здесь большую роль играет цель формирования у учащихся пространственного представления и воображения.

Методика изучения определения параллельных и скрещивающихся прямых построена с помощью логической операции отрицания: “Две прямые в пространстве называются параллельными, если они лежат в одной плоскости и не пересекаются”. “Прямые, которые не пересекаются и не лежат в одной плоскости, называются скрещивающимися”. Точный смысл понятий: “прямые не пересекаются”, “прямые не лежат в одной плоскости” может быть получен с помощью операции отрицания понятий “прямые пересекаются”, “прямые лежат в одной плоскости”.

Методическая схема изучения параллельных и скрещивающихся прямых в пространстве

1. Сообщить определения;

2. проиллюстрировать эти понятия на модели куба, классной комнате, рисунке;

3. провести логический анализ формулировки определения;

4. выполнить задания на нахождение параллельных и скрещивающихся прямых на модели (рисунке) куба;

5. сопроводить показ параллельных и скрещивающихся прямых соответствующими обоснованиями.

Для облегчения логического анализа определений и построения отрицания полезно на доске выполнить следующие записи:

1. прямые a и b пересекаются: имеют общую точку, и притом только одну;

2. прямые a и b не пересекаются: не имеют общих точек или общих точек более одной.

Понятие параллельного проектирования вводится с помощью генетического определения. В соответствии с общей особенностью генетических определений используется методическая схема изучения параллельного проектирования:

· одновременно проговорить определения и произвести построения (выполняется учителем);

· одновременно проговорить определения и показать соответствующие построения на готовом рисунке (выполняется учеником); стереть имеющийся на доске рисунок;

· одновременно проговорить определение и выполнить новый рисунок (выполняется учеником).

Методику изучения теорем и их доказательств рассмотрим на примере признака параллельности прямой и плоскости: “Если прямая, не принадлежащая плоскости, параллельна какой-нибудь прямой в этой плоскости, то она параллельна и самой плоскости”.

Методическая схема:

1) подвести учащихся к теореме, сформулировать ее;

2) выполнить рисунок, краткую запись теоремы;

3) сообщать общую идею теоремы;

4) привести план доказательства;

5) предоставить учащимся возможность самостоятельно осуществить док-во;

6) осуществить доказательство (ученик);

7) закрепить доказательство путем его воспроизведения;

8) применить теорему к решению задач.

Подведение учащихся к теореме: на стол положим спицу а₁, вторую спицу положим так, чтобы она была параллельна спице а₁.

Вопрос: что можно сказать о взаимном расположении спицы а и поверхности стола?

После опыта задается вопрос: Какую теорему можно сформулировать?

Идея доказательства: (после выполнения рисунка и краткой записи теоремы).

Выполним доп. построение: через параллельные прямые а и а₁проведем плоскость a₁.

Док-во от противного:

Учтем, что все общие точки плоскостей a и a₁ должны принадлежать прямой а₁.

План доказательства:

1) проводим плоскость a₁;

2) делаем допущение, что ане параллельна a;

3) рассмотрим точку А, точку пересечения прямой а и плоскости a;

4) приходим к выводу, что прямые а и а₁ пересекаются;

5) противоречие;

6) а//a.

После проведения доказательства решим следующую задачу:

Пусть SABC тетраэдр. MKP- середины ребер SA, SB, SC

Как располагаются прямые MK, KP, MP относительно ABC?

MK -средняя линия DASB => MK //AB => MK//ABC. Аналогично для др. прямых.

2. Методика изучения перпендикулярности прямых и плоскостей. Методическая схема изучения признака перпендикулярности прямой и плоскости

Содержание: определения: перпендикулярных прямых, перпендикулярных прямой и плоскости, перпендикуляра к плоскости, расстояние от точки до плоскости, наклонной, прямоугольной проекции наклонной, перпендикулярных плоскостей, теоремы о перпендикулярных прямых, признак перпендикулярности прямой и плоскости, теорем о связи между параллельностью и перпендикулярностью прямых и плоскостей в пространстве, теорема о трех перпендикулярах, теорема о перпендикулярных плоскостях.

Т.к. в учебнике Погорелова не вводится понятие о перпендикулярных скрещивающихся прямых то: пряма а, пересекающая плоскость a, называетсяперпендикулярнойк плоскостиa, если она перпендикулярнак любой прямой в плоскостиa, проходящей через точку пересечения прямой а с плоскостьюa.

Определения, приведенные в этой теме, относятся к генетическим (конструктивным), поэтому при их изучении используют методическую схему, определенную в “2” для параллельного проектирования. Согласно определения к плоскости проводим прямую, кот. пересекает ее в некоторой точке А. В этой плоскости найдется прямая, проходящая через точку пересечения.

Если эта прямая перпендикулярнакданной прямой, то ее называют перпендикулярнойк плоскости. По рисунку куба попросить учащихся обозначить ребра куба, перпендикулярные к плоскостям AA₁BB₁, ABCD, D₁C₁CD, и назвать плоскости, которым перпендикулярны ребра C₁D₁, A₁D₁, BC.

Признак перпендикулярности:

Если прямая, пересекающая плоскость, перпендикулярна кдвум прямым в этой плоскости, то она перпендикулярнак плоскости.

Сформулировать эту теорему учащиеся смогут сами, используя приведенную выше задачу (например, ребро А₁D₁ перпендикулярнок плоскости DD₁C₁ => А₁D₁^DD₁ и А₁D₁^D₁С₁ т.е. двум прямым лежащим в этой плоскости).

Методическая схема изучения признака перпендикулярности прямой и плоскости

1) подвести учащихся к признаку, сформулировать его;

2) выполнить рисунок, краткую запись теоремы;

3) сообщать общую идею доказательства теоремы;

4) выполнить доп. построения;

5) сообщать идею доказательства теоремы в более конкретной форме ;

6) привести план доказательства;

7) изложить доказательство ;

8) закрепить доказательство по частям;

9) воспроизведения доказательства полностью;

Для того чтобы подвести учащихся к теореме можно воспользоваться и др. моделью, состоящей из листа картона и нескольких спиц. С ее помощью показать, что если прямая перпендикулярнатолько к одной прямой, расположенной в плоскости a, то этого не достаточно, чтобы прямая а была перпендикулярнакплоскости a.

В учебнике дано слово “пересекающиеся” прямые. Здесь приведено традиционное доказательство, основанное на применении признаков равенства треугольников. Одно из первых доп. построений- проведение через точку А произвольной прямой Х, что необходимо для того чтобы доказать справедливость определения прямой, пересекающей плоскость, этой плоскости. Вторая часть доп. построений: AА₁=AА₂, произвольная прямая СВ, пересекающая прямые b, х, с. А₁С, А₁Х, А₁В, А₂С, А₂Х, А₂В - для образования треугольников, равенство которых будет доказано.

План доказательства:

При наличии подробного плана доказательства краткую запись делать не целесообразно. Оставшаяся часть проводится устно.

Пункт 1 плана можно осуществить, направляя учащихся вопросами типа: Какую фигуру надо рассмотреть? Какое ее свойство нужно установить?

После того как доказано, что для DА₁СA₂ выполняется равенство А₁С=A₂С?, Почему А₁С=А₂С? Почему А₁В=А₂В? Почему DА₂ВС=DА₂ВС? и т. п.

Заключение

При изучении аксиом целесообразно показать, что многие из них появились в результате наблюдения и абстрагирования различных видов практической деятельности.

Например, при ознакомлении учащихся с аксиомой прямой линии: “Через две различные точки пространства проходит, и притом только одна, прямая” можно рассказать о способе распиловки бревна на доски вручную.

Эффективными для развития пространственного воображения является использование шарнирных моделей, умение учащихся моделировать условия задач с помощью подручных средств. При изучении многогранников полезны каркасные модели тел, изготовленные учащимися.

Литература

1. К.О. Ананченко «Общая методика преподавания математики в школе», Мн., «Унiверсiтэцкае»,1997г.

2. Н.М.Рогановский «Методика преподавания в средней школе», Мн., «Высшая школа», 1990г.

3. Г.Фройденталь «Математика как педагогическая задача»,М., «Просвещение», 1998г.

4. Н.Н. «Математическая лаборатория», М., «Просвещение», 1997г.

5. Ю.М.Колягин «Методика преподавания математики в средней школе», М., «Просвещение», 1999г.

6. А.А.Столяр «Логические проблемы преподавания математики», Мн., «Высшая школа», 2000г.