數學科教材教法

95年10月4日第三節‧陳姵吟紀錄

〔數學四〕

為了學測,我們把排列、組合、機率、統計放在這,把將來上大學比較共同需要的數學做個完整的交代。

一、排列、組合

排列組合放在這邊是主要為了將來的機率統計。在綱要裡會說明不要再出難題了,希望有基本的規則,能做基本的技術就好了。

有一次特別討論重複符號的H符號,李國瑋教授強調不要用H的符號,在國際上及數學界,已經習慣用括號上面寫N 下面寫K來表示組合數,所以他建議將來高中用這個符號取代C。   

在這裡講了一些集合論,集合的定義、表示法。昨天我聽到教高微的楊肅煜老師說,現在大二學生,集合與集合用包含,元素與集合用屬於,到現在都還會用錯。這問題會越來越嚴重,之前集合在高一有正式的單元,從95綱要之後就沒有這單元,98綱要會加回來一點點,放在排列組合的第一小節,但是這還不夠結實,如果完全沒有機會再學它一遍也是有問題的。  

二、機率

樣本空間與事件、機率的性質、條件機率與貝氏定理,這些都是傳統上我們高中教材一定會講的東西,比較不傳統的是正式引進隨機變數。正式說隨機變數是一個變數也是一個函數,把這個隨機變數放在1裡面,對這隨機變數作樣本期望值,或對母空間作期望值,正式交代這些使用法 。以現在高中生現在所擁有的數學技術而言,大概只能談二項分佈。二項分佈其實是(x+y)^n這樣展開,這也是排列組合可以做的應用。

三、統計

描述統計與抽樣推論。描述統計就是給一堆數據,用數值來描述這些數據,包刮了平均值、標準差、散佈圖、相關係數、最小平方法。再來是推論統計的一些基本概念,但是我們還不知道要怎樣讓高中老師教常態分佈。

在小學四年級後,我們常常在報紙上看到,但是沒有學過的東西就是這件事,作一些抽樣然後它的信心水準是多少。特別重要就是,在抽樣統計推論要把報章雜誌上看到的術語解釋清楚。到這裡就是基本學力測驗要考的高一高二數學範圍。

數學五與六

我們還不知道能爭取多少的鐘點來教,所以在文件上是三至四學分。如果是三學分,我們會想辦法爭取到選修數學的綱要。選修數學有一門會比較偏向於幾何,或是傾向於被新的綱要剔除掉的,比較純數學的東西。另外一門是計算,輾轉相除法會是第一優先,還有求根、二分法, 一些簡單的數學演算規則。希望能夠重組一個二學分的課出來。

〔數學五〕

一、函數

為函數作一個總整理。函數可以做加減乘除,在微積分一開始也要學習這件事。然後合成函數,畫出函數的草圖,這是第一單元的期望。

二、三角函數

用函數的眼光再把三角函數深入一遍。*反三角函數及圖形,比較深入的地方打了一個星星號,是指考不考的。

我們要把學測和指考分開來,學測是大家都學過的數學,指考要分理工類社會科學類。這邊需要做一些數學教育的研究,並調查一下,最簡單就是詢問相關學者,這是很好的參考指標。

三、矩陣

矩陣用線性方程組開始說明,然後改寫成矩陣乘向量的樣子。現在用矩陣乘向量來求解不是最重要的,重點是導入矩陣,並說明高斯消去法。矩陣變成一個獨立的數學的物件,可以做簡單的加減乘。

我們有很長的時間發現,學數學後有時候已經不需要用具體的想像去想。但是向量不一樣,近入大學後,多項式的向量空間、 L2空間,這些向量就不再能夠跟直線與箭頭作連結。具體和抽象要很熟練的交換,所以這矩陣在這情況下被獨立出來。矩陣,是我們第一個學到的數學物件可以乘但是沒有交換率。

最後一學期的數學才進入微積分,我們希望能更多時間但是沒辦法。數乙全部不考微積分,我們假設數乙大都是社會科學,進入大學後不太會碰到微積分。

〔數學六〕

一、極限與連續

這是微積分會講的。從數列極限的開始,無窮等比極限、數列的極限開始交代。數列極限先讓學生對極限有一點點概念,再來談函數極限,接著連續函數與二分逼近法。

二、微分

首先定義導數與切線,微分的基本定理與操作。泰勒多項式是高次的微分。在微積分裡面,它有幾個偉大的事情。它造就了微分方程,例如:牛頓冷卻定律,一個高於室溫的物體,降溫的速率剛好正比於跟常溫的溫度差,這是用為微分方程寫出來的。許多的物理現象對量或位置的本身很難描述,反而可以描述的是變化率是什麼,然後求解微分方程。

學單變數函數的第一大重要目標,是為了解微分方程。第二大目標,一些很難算又很重要的超越函數有了簡單算法,利用泰勒展開,要多精確就能多精確。所以學微積分要會這兩件事,這是一個在科學及文明上極重要的發展 。

函數的性質的判定,凹凸、上升下降、極大極小。然後第一次多項式與有理函數的畫圖問題,微分學的應用、極值問題、一階逼近,一階逼近就是大學理學的線性化,然後牛頓求根。

想想看只有三學分,在大學裡只有三終點,一學期的微積分可以教到這裡嗎?我想這是有點困難的。

三、積分的定義

一開始是定積分的定義,微積分的反導函數、微積分基本定理、定積分,這些都是大學微積分跟物理基礎課程需要的基礎。基礎需要的不止微分還有積分,定積分與不定積分的計算,不涉及部分積分與變數變換法。

積分的應用就是圓的面積與球體積,用切片或旋轉的型式做出來。自由落體方程式來自於 f= ma,自由落體只受地球引力影響的話,只要做兩次積分可以算出自由落體拋射物的高度對時間的函數,也就是解微分方程。

單變量的函數跟幾何沒有太大關係,多變數就跟幾何很有很大的關係。學單變數微積分的兩大目標,一個就是用泰勒多項是把複雜的函數,變成簡單的方程式作計算;另外一個就是用微分方程的形式,寫出一些物理問題然後求解,求解的過程就是積分。

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