Методика изучения многогранников в школьном курсе стереометрии

Как и для многогранника, конструктивные определения можно дать многоугольникам многогранной поверхности. [2]

4) Другой подход к определению многогранника представлен в книге В.Г. Болтянского «Элементарная геометрия» [7], построенный на основе вейлевской векторной аксиоматики геометрии. Этот подход не применяется в школьных учебниках, но для примера можно привести одно из определений.

При вейлевском изложении геометрии первоначальными понятиями являются точка, вектор и следующие операции над ними: паре точек сопоставляется некоторый вектор, сумма векторов, произведение вектора на число и скалярное произведение, а также их свойства.

Наиболее известным примером многогранника является параллелепипед. Его можно описать следующим образом. Берется параллелограмм ABCD и из его вершин откладываются равные векто­ры АА1=ВВ1 =СС1 =DD1 =e, где с      не параллелен плоскости параллелограмма ABCD (рис. 1.3). [7]

Определение частных видов многогранников (призмы, пирамиды и др.) в данном подходе  практически не отличаются от определений в школьном курсе, однако интересен сам подход к определению на основе другой аксиоматике.

Таким образом,  определение многогранника может быть дано различными способами, и в разной литературе и в разных учебниках можно встретить различные подходы к определению.

Можно  дать понятию многогранника как дескриптивное, так и конструктивное определение, как определение, основанное на наглядном представлении, так и строгое. Можно определить многогранник как тело и как поверхность. Различны также определения многогранника, данные на основе различных аксиоматик. В школьных учебниках чаще дается какое-то одно определение, но полезно учащимся показывать и другие способы определения многогранника.

Как и при введении понятия многогранника, существуют различные  способы введения выпуклых многогранников и правильных многогранников. Рассмотрим эти способы подробнее.

1.2 Подходы к определению выпуклого многогранника.

После введения понятия многогранника в школе, как правило, рассматривают выпуклые многогранники. Удачным считается подход, когда сразу дается определение выпуклого многогранника и для него определяются элементы, что сделать легче. Изучение свойств как выпуклых многоуголь­ников, так и выпуклых многогранников занимает очень большое место в школьном курсе геомет­рии. Однако точный смысл понятия «вы­пуклый» в средней школе не раскрывается и причины, заставляющие требовать вы­пуклости рассматриваемых многоугольни­ков и многогранников, нигде не объясняют­ся. Учащиеся часто вообще не воспринима­ют смысла прилагательного «выпуклый» и лишь по привычке, машинально в ответ на предложение изобразить какой-либо че­тырехугольник рисуют фигуру, изображен­ную на рисунке l.4,а (а иногда даже фигуру, изображенную на рис 1.4,б), а не фигу­ру, изображенную на рис l.4,в. При этом может показаться, что лишь недостаток об­щей математической культуры заставляет их считать все четырехугольники выпуклы­ми, подобно тому как наиболее слабые школьники иногда не в состоянии предста­вить себе четырехугольника, отличного от прямоугольника (рис. 1.4,б), параллело­грамма или, в лучшем случае, от трапеции. В некоторых случаях игнорирование усло­вия о выпуклости многоугольника или мно­гогранника оказывается даже совершенно законным - какую, например, ценность имеет оговорка о выпуклости в теореме: сумма углов выпуклого n-угольника равна (n - 2) .180°  Условие этой теоремы пол­ностью сохраняет силу и для невыпуклых (простых) многоугольников; так, например, ясно, что сумма углов и невыпуклого четы­рехугольника (рис. 1.4,в) равна 360°. Прав­да, приводимое в школе доказательство теоремы справедливо лишь для выпук­лых многоугольников.

Понятие выпуклого многогранника чаще всего вводят по аналогии с выпуклым многоугольником. Очень хорошо эта аналогия просматривается в учебнике Александрова [3]. Существует два способа определения выпуклого многогранника. Многогранник называется выпуклым, если он лежит по одну сторону от каждой из ограничивающих его плоскостей. Такой подход принят в учебниках [4] и [22]. Либо многогранник называется выпуклым, если любые две его точки могут быть соединены отрезком. Такое определение дается в учебнике [28]. В учебнике [3] за основу берется второе определение и доказывается возможность другого (в нашем случае первого) определения.

Остановимся подробнее на втором определении. Чаще всего в геометрии рассматривают связные фигу­ры, т. е. такие, в которых любые две точки можно соединить линией, целиком принад­лежащей этой фигуре. При этом соединяю­щая линия может оказаться довольно слож­ной (рис 1.5). Естественно выделить класс фигур, для которых в качестве линии, со­единяющей две ее точки  А, В, всегда мож­но выбрать самую простую линию - прямо­линейный отрезок АВ. Такие фигуры на­зываются выпуклыми.

Фигура F называется вы­пуклой, если вместе с каждыми двумя точ­ками  А, В она целиком содержит и весь отрезок АВ. Примеры выпуклых фигур показаны на рис.1.6; на рис. 1.7 изображены неко­торые невыпуклые фигуры.

Кроме плоских, можно рассматривать пространственные выпуклые фигуры (их обычно называют выпуклыми телами). Примерами могут служить тетраэдр, параллелепипед, шар, шаровой слой и другие.

Выпуклые тела в прост­ранстве можно определить как пересечение некоторого множества полупространств. Простейшими выпуклыми телами являются те, которые можно представить в виде пере­сечения конечного числа полупрост­ранств. Такие выпуклые тела называются выпуклыми многогранниками.

Свойство, положенное в основу опреде­ления выпуклых фигур (существование в фигуре прямолинейного отрезка, соединя­ющего любые две ее точки), с первого взгляда может показаться несущественными, даже надуманным. В действительности же выделяемый этим определением класс выпуклых фигур является весьма интерес­ным и важным для геометрии. Дело в том, что «произвольные» геометрические фигу­ры могут быть устроены необычайно слож­но. Например, определить, находится ли точка А «внутри» или «вне» замкнутого многоугольника, изображенного на рис1.8, совсем не просто. Если же рассмат­ривать фигуры, не являющиеся многоугольниками, то можно столкнуться и с гораздо большими сложностями. Существует, например, плоская фигура, ограниченная не пересекающей себя замкнутой линией и в то же время не имеющая ни площади, ни периметра . Для выпуклых фигур такие чудовищные явле­ния не могут иметь места: внутренняя об­ласть выпуклой фигуры сравнительно про­сто устроена, любая ограниченная плоская выпуклая фигура обладает определенными площадью и периметром, а пространствен­ное выпуклое тело - объемом и площадью поверхности и т. д. Таким образом,  выпуклые фигуры со­ставляют класс сравнительно просто устро­енных фигур, допускающих изучение геометрическими методами.

С другой стороны, класс выпуклых фигур является достаточно обширным. Так, все фигуры и тела, рассматриваемые в элементарной геометрии, либо являются выпуклыми, либо представляют собой несложные комбинации выпуклых фигур и тел. [6]

1.3 Подходы к определению правильного многогранника.

После введения выпуклых многогранников изучаются их виды: призмы, пирамиды и их разновидности. Практически во всех учебниках они определяются одинаково. А при введении определения правильного многогранника авторы учебников расходятся во взглядах. Поэтому интересно рассмотреть различные подходы к определению понятия правильного многогранника и их методические осо­бенности.

В различных учебниках по стереометрии используются разные определения этого понятия. Так, в учебнике [4] и других выпуклый многогранник называется правильным, если все его грани - равные правильные многоугольники и, кроме того, в каждой вершине сходится одно и то же число ребер. В учебнике [22] вместо условия равенства правильных многоугольников требуется, чтобы правильные многоугольники были с одним и тем же числом сторон. Пособие А.Д. Александрова и других [3] по сравнению с учебником [4] накладывает дополнительное требование ра­венства всех двугранных углов правильного многогранника. При этом многогранник называется выпуклым, если любые две его точки соединимы в нем отрезком.  [3]

Учебное пособие [16] дает такое определение: выпуклый многогранник называется правиль­ным, если все его грани - конгруэнтные правильные многоугольники, и все его многогранные углы имеют одинаковое число граней. 

  В [15] многогранник называется правильным, если все его грани - равные правильные многоугольники и все многогранные углы равны. И, наконец, в книге [9] сказано: многогранник называется правильным, если все его грани ­равные правильные многоугольники, и все его двугранные углы равны.

Как видим, во всех перечисленных учебниках даются раз­личные определения понятия правильного многогранника, использующие разные свойства правильных многогранников.

  Перечислим их:

1°. Выпуклость многогранника.

2°. Все грани - равные правильные многоугольники.

3°. Все грани - правильные многоугольники с одним и

тем же числом сторон.

4°. В каждой вершине сходится одинаковое число ребер.

5°. Все многогранные углы имеют одинаковое число гра­ней.

6°. Равны все многогранные углы.

7°. Равны все двугранные углы.

Возможны и другие свойства правильных многогранников,

например:

8°. Равны все ребра многогранника.

9°. Равны все плоские углы многогранника.

Какие же свойства следует взять для определения пра­вильного многогранника? Каким методическим требованиям оно должно удовлетворять?

Нам представляется, что для отбора свойств в определе­нии правильного многогранника нужно руководствоваться следующими требованиями:

- Всякое определение должно быть полным, т. е. вклю­чать те свойства, которые полностью определяют данное по­нятие. Иными словами, любое свойство данного понятия должно быть выводимо из свойств, перечисленных в опреде­лении.

- Всякое определение должно быть по возможности эко­номным, т. е. не содержать лишних свойств, которые выво­дятся из остальных свойств правильного многогранника.

- Определение понятия правильного многогранника должно отражать уже имеющиеся представления учащихся о слове "правильный" (правильный многоугольник, правильная пирамида и т. д.).

- Определение понятия правильного многогранника должно быть пространственным аналогом определения понятия правильного многоугольника на плоскости.

- Определение правильного многогранника должно до­пускать возможные обобщения, например, на случай полу­правильных и топологически правильных многогранников.

- Определение должно быть педагогически целесообраз­ным, т. е. свойства, включенные в него, должны в той или иной степени использоваться при изучении правильных мно­гогранников, нести определенные педагогические функции.

Пространственными аналогами определе­ния правильного многоугольника являются определения, данные в пособиях [15]и [9]. К числу достоинств этих опре­делений мы относим и то, что в них отсутствует требование выпуклости, которое, с одной стороны, является довольно сложным для учащихся, а с другой - фактически не используется при доказательстве теорем и решении задач. К недостаткам этих определений следует отнести то, что они не обобщаются на случаи полуправильных и топологически правильных многогранников. Например, равенство двугранных углов не переносится на случай полуправильных много­гранников.

Для определения топологически правильных многогранников следует использовать свойства, носящие топологиче­ский характер. Такими свойствами из перечисленных выше являются 3°, 4° и 5°. Поэтому лучше всего для этих целей подходит определение правильных многогранников, данное в учебнике [22].

Таким образом, мы видим, что ни одно из рассмотренных выше определений правильного многогранника не является универсальным,   т. е. удовлетворяющим всем требованиям. В зависимости от целей обучения следует выбирать и соответствующее им определение. Так, если надо только ознако­мить учащихся с определением правильного многогранника, установив аналогию с определением правильного многоуголь­ника, не исследуя при этом подробно свойства правильных многогранников, то целесообразно использовать определения, данные в пособиях [15] и [9]. Если же мы  хотим рассмотреть свойства правильных многогранников более подробно, в ча­стности перейти к полуправильным и топологически пра­вильным многогранникам, то лучше всего обратиться к оп­ределениям из учебников [4] и [22]. [29], [27]

2.Изучение многогранников в школьном курсе математики.

В школьных учебниках после изучения «бес­конечно-протяженных» и в силу этого весьма абстрактных геомет­рических фигур: прямых и плоскостей (вернее сказать, их взаимного расположения в пространстве) изучаются зримые, «конечные», даже, можно сказать, осязаемые пространственные фигуры, и в пер­вую очередь многогранники. Многогранник {точнее, модель много­гранника) можно изготовить, повертеть в руках, «развернуть» его поверхность или даже «разрезать» - посмотреть на сечение. В дан­ной теме это весьма существенно, и учителю необходимо использо­вать значительно расширившиеся возможности привлечения наглядности, наглядных средств (не забывая уделять достаточное внима­ние и построению проекционных чертежей). О наглядных средствах поговорим немного позднее.

Можно указать на такие две проводимые методологические линии в изучении геометрии многогранников: это их классификация и изу­чение различного рода количественных характеристик. Конечно, эти линии переплетаются между собой. В данной теме рассматри­ваются простые характеристики - численные: длины ребер, высоты, величины углов, площади поверхностей, - и качественные, типа «правильности». Собственно говоря, качественные характеристики - ­это одна из основ классификации многогранников. Если исключить стоящие чуть в стороне от ведущей линии курса правильные много­гранники (пять «платоновых тел»), то логическую схему классификации «школьных» многогранников можно описать примерно следующим образом. Рассматриваются (и строго опреде­ляются) только два вида многогранников: призмы и пирамиды. Конечно, внутри этих видов проводится грубая классификация по числу углов - призмы и пирамиды бывают n-угольными, где n = 3, 4, 5,… .  Более детальная классификация - по взаимному располо­жению ребер и граней, по виду граней. Для призм  она относительно «разветвленная»:

И далее:

Школьная классификация пирамид менее разветвленная:

Первая задача учителя - добиться от всех учащихся знания этой классификации в том виде, в каком она подается в учебном пособии, т. е. в виде соответствующих определений. И у ученика, и у учителя при изучении данной темы может возникнуть вполне естествен­ный вопрос: почему столько внимания (и столько задач) посвящается всего лишь трем частным типам многогранников - параллелепипе­дам, правильным призмам и правильным пирамидам? Причин по крайней мере три: 1) эти многогранники нужны для дальнейшего построения теории (главным образом теории объемов); 2) они обладают симметрией, как многие формы природы и творения рук человеческих (скажем, архитектурные формы);         3) они обладают «хорошими свойствами», т. е. для них можно сформулировать и доказать достаточно простые теоремы.

Последнее преимущество обусловлено свойствами симметрично­сти; с другой стороны, как раз «хорошие свойства» и используются в теоретических целях. Все теоремы этой темы относятся к «избран­ным» многогранникам, причем совсем просто доказываются и на­половину имеют вычислительный характер (т. е. вид формул). По­этому вторая задача учителя - добиться знания учащимися всех теорем (с доказательствами).

Третья по счету, но первоочередная для учителя задача - на­учить школьников решать задачи. Практически все задачи (упраж­нения) темы вычислительные, большую часть из них составляют простые или совсем простые задачи, и здесь перед учителем рас­крываются большие возможности в  продолжение линии обучения школьников эвристическим приемам решения задач. В задачах на­ходят отражение и главные методологические идеи решения задач - аналогия стереометрии с планиметрией, све­дение стереометрических задач к планиметрическим.

Рассмотрим изучение темы «Многогранники» в школьных учебниках. Для примера возьмем учебники разного уровня изложения материала: предназначенные для общеобразовательной школы, для гуманитарных классов, для классов с математическим уклоном.

       2.1 Учебник Атанасяна Л.С.

Рассмотрим изучение темы «Многогранники» по учебнику Атанасяна. Этот учебник предназначен для общеобразовательной школы. Остановимся на нем подробнее.

Данная тема изучается в главе 3. На изучение ее отводится 12 уроков. Ниже приведено поурочное планирование в таблице.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6