SHG1:可以。
訪談員:怎麼做?
SHG1:只要先畫出它的…(學生畫另一外一條段)就是B D長這樣,這是B D對角 線,可能還要垂直(學生過線外一點作垂直),然後再在這一邊隨便找一 個點出來,再去畫線。
訪談員:就是以這種方法畫出來的四邊形…
SHG1:就會疊在一起。
(逐字稿 HHG327‐328)
第二節 幾何知識對視覺化轉化幾何推理之影響
無庸置疑,幾何知識在幾何推理中扮演重要的角色,因此具備不同程度幾何知識的學生,
他們在視覺化轉化幾何推理過程中應有不同的表現。下面將分別從不同的任務中,分析具備 不同幾何知識程度的學生,在視覺化轉化幾何推理的歷程中之影響。
(一)任務一
能夠繪畫並解釋通過 A、B 兩點的圓有無限個的關鍵,主要在於知道畫圓的關鍵是先確 定圓心,並找到與 A、B 兩點距離相等的點,而這些點都落在A B的中垂線上。因此,學生的 中垂線知識是影響解題的因素之一,從訪談學生回答「多向度幾何知識問卷」中,表4-39 說 明他們有關中垂線的定義(第 1(3)題)、圖形(第 4(3)題)、性質應用(第 7 題)和推理(第 11 題)的作答表現。其中,低幾何知識的學生可以正確畫出中垂線的圖形,但無法處理有關 定義、性質應用和推理的問題;具備中或高幾何知識的學生普遍掌握中垂線的相關概念,他 們之間的差異主要來自於有關視覺化轉化幾何推理的層次,高幾何知識的學生能在單一子圖 中,以全等三角形的方式證明有關中垂線的概念,而中幾何知識的學生卻能提出一些從圖形 物件想到的概念,未能完整敘述原因。其中,有關中垂線性質的應用是指使用「中垂線上的 點到線段兩端距離相等」的性質以計算線段的長度,這個概念與任務一的內容有密切的關係,
除了四位低幾何知識的學生都沒有作答這一題外,學生SMG1 則未有應用相關概念解題,顯 示他對上述性質可能不清楚或概念沒有被觸發。
表4-39. 訪談學生有關垂直平分線問題的作答表現
低幾何知識 中幾何知識 高幾何知識
SLP1 SLG1 SLP2 SLG2 SMP1 SMG1 SMP2 SMG2 SHP1 SHG1 SHP2 SHG2
定義 圖形 性質 推理 1 2 2 3-1 3-1 3-1 3-1
註:代表具備相關概念;代表未能回答相關問題;推理部分的數字代表視覺化轉化幾何推理的階層
表 4-40 總結 12 位訪談學生在任務一的推理歷程。任務一的解題關鍵是能夠視覺化「通 過 A、B 兩點的圓有無限個」,一開始就能看到這個關鍵的學生分佈在具備不同程度幾何知識 的訪談對象中,換句話說,這個視覺化過程與學生所具備的幾何知識沒有直接的關係,但能 夠說明這無限多個圓的確切位置,就跟學生所具備的幾何知識有密切的關係。在具備中或高 幾何知識的學生中,他們都清楚畫圓的關鍵是要確定圓心位置跟半徑長度,因此,不管他們 一開始就看到無限個圓,直接使用他們有關中垂線的知識解釋現象,還是一開始只看到有限 個圓,在作A B 為直徑的圓時被其中垂線觸發無限個圓的想法,他們都知道必須找到與 A、B 距離相等的點來構圖或解釋。比較特別的是,如同在「多向度幾何知識問卷」中的表現,學 生SMG1 在解題過程中沒有畫出中垂線或提及相關概念,但他懂得以尺規作圖的方式找到 A、
B 距離相等的點,藉由改變半徑的多少來說明這樣的圓有無限多個。由此顯示,豐富的幾何 知識可以幫助學生找到不同的解題或推理方式,也是引導解題的關鍵因素。
表4-40. 訪談學生在任務一中視覺化轉化幾何推理歷程總結
學生 視覺化轉化幾何推理歷程
SLP1 無限個圓作A B 為直徑的圓(中垂線)中垂線上的點到 A、B 距離等
SLG1 無限個圓作A B 為直徑的圓(中垂線)……
SLP2 有限個圓作A B 為直徑的圓(中垂線)無限個圓中垂線上的點到 A、B 等距
SLG2 有限個圓作A B 為直徑的圓無限個圓找到 A、B 距離相等的點作中垂線
SMP1 無限個圓作中垂線中垂線上的點到 A、B 距離等
SMG1 無限個圓找到 A、B 距離相等的點
SMP2 有限個圓作A B 為直徑的圓(中垂線)無限個圓中垂線上的點到 A、B 等距
SMG2 有限個圓作A B 為直徑的圓無限個圓找到 A、B 距離相等的點作中垂線
SHP1 無限個圓作A B 為直徑的圓找到 A、B 距離相等的點作中垂線
SHG1 有限個圓作A B 為直徑的圓(中垂線)無限個圓中垂線上的點到 A、B 等距
SHP2 有限個圓作A B 為直徑的圓(中垂線)無限個圓中垂線上的點到 A、B 等距
SHG2 作A B 為直徑的圓無限個圓找到 A、B 距離相等的點作中垂線
然而,對於只具備低幾何知識的學生則有不同的表現,以學生 SLP1 和 SLG1 的表現來 看,他們雖然一開始都能看出有無限個通過 A、B 兩點的圓,學生 SLP1 雖無法直接說出「中 垂線上的點到線段兩端距離相等」的性質,但他透過畢氏定理的知識,以及中垂線所具備的 垂直及平分的特徵,同樣可以對距離相等給出合理的解釋;但學生 SLG1 對中垂線的概念只 有垂直、平分、無限延伸的直觀特徵,因此即使他把以A B 為直徑的圓作出來,並看到了A B
的中垂線,卻無法說出這無限個圓的圓心都落在中垂線上,說明幾何知識是引導推理的重要 元素。而學生SLP2 的推理歷程與 SMP2、SHG1、SHP2 非常接近,最大的差異在於其他學生 是在幾何知識的引導下完成任務一,而 SLP2 雖然能想像有無限多個圓,卻無法掌握作圖的 方法,必須提示考慮作圓的要素才進一步與中垂線知識作連結,而且他是透過作圖的結果來 確認自己的幾何知識,因此在他說出「兩端到中垂線的長…所以它的半徑就會一樣」的解釋 後,他仍需要再次畫圖來確認自己所說的正確的,雖然他解釋是因為擔心有特例的情況的發 生,但顯然他對他所說的特例會出現的原因是不掌握的,換句話說,學生SLP2 的幾何知識並 未能主導他的幾何推理思考,可能是表現不佳的原因之一。學生SLG2 的表現雖與 SMG2 接 近,他們在GGB 環境下都沒有作出中垂線,就能作出以A B為直徑的圓,最大的差異在於他 們知道有無限個通過 A、B 兩點的圓後,一開始都以目測的方式畫其他圓,但 SMG2 對於目 測所造成的不準備,是立即自行修正,並改以先畫中垂線再畫圖;而 SLG2 則需要提示畫圓 的要素後,才懂得思考圓心的位置及半徑的選取,顯示學生或許具備一些幾何知識,但彼此 之間的連結卻需要提示才被觸發,可能是無法自行完成推理的主要原因。
在任務一的推理歷程中,主要藉由理解題意中所要求的圓,有同時通過 A、B 兩點的圓的 限制後,學生進行臆測及構圖,在理解以確認圓心位置及半徑長度為解題目標後,應用中垂 線性質的相關概念說明構圖的合理性,表4-41 總結 12 位學生在任務一的表現。
對於具備低幾何知識的學生來說,在瞭解任務一的限制階段,只有學生 SLG1 可以理解 同時通過 A、B 兩點的意涵,其餘學生需要跟研究者確認或有誤解題意的情況出現。學生 SLP1 和SLG1 都可以想像符合題目要求的圓有無限多個,相反,學生 SLP2 和 SLG2 一開始都只覺 得這樣的圓只有有限個。不過,學生SLP1、SLG1 和 SLP2 都是先以A B為直徑畫第一個圓,
相信與以A B為直徑的圓在操作上比較簡便有關。在論述策略階段,學生SLP1 一開始就知道 中垂線上任一點都可作為圓心,而SLP2 則是透過找A B的中點所作的中垂線,發現中垂線上 的點都可以成為圓心,但 SLG1 和 SLG2 兩位學生都需要經研究者提示畫圓的要素後,才開 始思考圓心的位置及半徑的可能情形。在尋找不變量時,學生SLP1 和 SLP2 都使用尺規明確 找到圓心的位置及半徑長度才畫圓;相反,學生 SLG1 和 SLG2 則是先以目測方式說明圓心 位置及半徑長度。在論述階段,學生 SLG1 只能看到中垂線的外觀,如垂直、平分、無限延 伸的特徵,卻無法使用中垂線性質來說明推理的合理性,其餘學生都能說明圓心在中垂線上 原因。
表4-41. 訪談學生在任務一的表現總結
階段 行動內容
低幾何知識 中幾何知識 高幾何知識
SLP1 SLG1 SLP2 SLG2 SMP1 SMG1 SMP2 SMG2 SHP1 SHG1 SHP2 SHG2
限制 讀題後能理解必須同時通過 A、B 兩點
讀題後詢問通過 A、B 兩點的意涵
讀題後誤解通過 A、B 兩點的意涵
臆測 結果
第一感覺:有限個或不確定是無限圓
第一感覺:無限個圓
構圖 以A B 為弦畫第一個圓
以A B 為直徑畫第一個圓
過三點畫第一個圓
論述 策略
一開始就知道中垂線上的點都可作為圓心
透過找A B 的中點所作的中垂線,發現中垂線 上的點都可以成為圓心
沒有畫中垂線,只直接找距離相等的點
藉由找距離相等的點後想到中垂線
經提示思考畫圓的要素才想到中垂線
尋找 不變量
都使用工具確定圓心位置及半徑長度
曾以目測方式說明圓心位置及半徑長度
論證 說出中垂線性質或其意涵
以其他推論解釋中垂線性質
無法說出中垂線上的點都可作圓心的原因
圖4-43 總結低幾何知識學生在任務一之推理歷程。只具備低幾何知識的學生在解讀資料 時,四位中有一位會誤解題意而無法畫出一個同時通過 A、B 兩點的圓,但有兩位學生一開始 就能想像這樣的圓有無限多個,因此不需要提出任何反駁。然而,四位中有三位需要提醒才 能夠聯想到確定圓心位置及半徑的構圖關鍵,更有其中一位無法說出需要確定半徑相等這個 不變量,他們四位中有三位知道圓心必須在A B 的中垂線上,但只有一位可以完整說明中垂
圖4-43 總結低幾何知識學生在任務一之推理歷程。只具備低幾何知識的學生在解讀資料 時,四位中有一位會誤解題意而無法畫出一個同時通過 A、B 兩點的圓,但有兩位學生一開始 就能想像這樣的圓有無限多個,因此不需要提出任何反駁。然而,四位中有三位需要提醒才 能夠聯想到確定圓心位置及半徑的構圖關鍵,更有其中一位無法說出需要確定半徑相等這個 不變量,他們四位中有三位知道圓心必須在A B 的中垂線上,但只有一位可以完整說明中垂