你想知道生活中有甚麼數學嗎?

2016年8月24日 星期三

上海式精通術:世界頂級數學教師的秘密 維拉利婭·佩拉索(Valeria Perasso) BBC國際台記者 2016年 7月 19日

上海式精通術:世界頂級數學教師的秘密

  • 2016年 7月 19日
Image copyrightAFP GETTY IMAGES
Image caption上海數學教育被認為是世界一流。
歐洲各地的學校正在引進一種上海數學教學法,希望以此提高歐洲學生在國際考試中的成績。這種方法側重重覆和「板書加講課」,而不是「以孩子為中心」的輔導。
上海數學教師被認為是業務最精湛的,這種聲譽來自他們的學生在最具競爭性的國際考試中一貫的出色表現。
他們的教學方法也因此成為這個城市的文化輸出項目之一。英國一半的學校有機會採用這種被稱為「上海式精通術」(Shanghai Mastery)的體系;採用這種方式來掌握數學技能的小學生普遍地取得好成績。
那麼,這裏究竟有什麼秘密?讓我們來仔細檢視一下上海數學教學方法的獨特原理,以及對這些原理的批評。

概念為王

Image copyrightAFP GETTY IMAGES
Image caption上海小學六年級學生的數學作業。有些評估認為上海學生的數學進度比歐洲平均水平超前三年。
根據上海施教法,每一堂課的設計都圍繞單獨一個數學概念,不管是最基本的加法還是對等式或分數的理解;有一個學生沒有掌握這個概念,老師就不講新內容。這樣做的目的是保證重要的概念在課堂上完全掌握,將來不必返工。
英國謝菲爾德哈蘭姆大學教育專家伯伊倫指出,跟上海方式不同,世界上許多國家對一堂課的質量評價是看教了多少內容,進度越快越好。
數學教育專家認為配以量身定制的課本而不是零星的講義,這種施教方法十分嚴謹,強度也很大。
同時,這種方法也高度概念化。課堂上老師教的是基礎方法和原理,但也鼓勵學生用物件和圖片來形像表達抽像的數學概念。
專家們還認為,學生對數學的口頭和書面表達也是他們學習成功的因素之一。
基於亞洲數學教學法設立的專業開發項目Mathematics Mastery在自己的官網聲明中明確表示,要求學生用完整的句子表述一道題的解答,而不是光給個答案。這對於完善數學語言和推理技能至關重要。
但批評意見認為這種施教體系太抽像,沒有把數學應用到現實生活場景中。
有的批評人士甚至認為上海數學教學法就是「應試教育」,學生考試得高分但無法把知識運用於日常生活。

Image copyrightAFP GETTY IMAGES
Image caption共同進步。上海一名高中學生在課堂上演算。

全班齊步走

「上海精研術」還蘊含著一個整體原則:全班一起學,共同前進,不按能力或內容難易度分組教。對成績較好的學生會鼓勵他們加深理解、鞏固知識,幫助同班同學,而不是按更快的進度學新內容。
歐洲學校裏老師會根據學生數學能力高低分別安排難度不同的課程。
許多人對上海方法中內涵的一視同仁原則表示讚賞,批評意見則認為那些數學拔尖的學生會感到無聊,學習積極性受打擊。
教室裏傳統的座位擺放也被批評者認為不利於學生在課堂上合作交流。

重覆、重覆、再重覆

Image copyrightAFP GETTY IMAGES
Image caption課堂氣氛並非總是緊張高壓。
重覆強調概念是上海數學教育的一個基本要素。
孩子們從5歲開始就通過不斷重復來掌握每一個基礎概念。一個孩子回答老師的問題,其他孩子一起重覆這個答案。另一個孩子回答另一個問題,全體再一起重覆這個答案。
專家們也指出,上海式教學課堂互動性也很高,而且每個環節時間都不長,每節課包含35分鐘的授課和15分鐘的自由活動。

星光熠熠是老師

上海式成功秘訣裏最被忽略的要素就藏在課堂時間裏。
謝菲爾德哈蘭姆大學本周發表了對上海教學模式的評估報告,指出老師每天只教兩堂課,每堂課40分鐘,一天裏其他時間都用來提高業務,包括同行反饋和聽課觀摩。
更重要的是,上海的數學教師上崗前要上五年大學,期間要專修一門小學算術教育的課程。
有觀點認為中國、新加坡等國家數學教育成功的要素之一是對教師的尊重,以及給教師時間去計劃和備課。
Image copyrightAFP GETTY IMAGES
Image caption一種觀點認為,複製上海式成功的關鍵是給教師足夠的尊重、充分的備課和業務進修時間,相稱的待遇。
但批評人士指出,教師的待遇跟學生的可能不相稱。
紐約大學上海分校(NYU Shanghai )2014年曾研究過學生的福祉,發現絕大多數學校都有足夠的教室、圖書館和電腦室,但健身房、會議室和禮堂則欠缺。
在校生13%被認為健康一般或不佳。
對於希望複製上海式成功的國家而言,英國中小學教師工會組織NAHT秘書長霍比(Russell Hobby)說,上海模式的成功取決於有足夠數量的受過良好訓練的敬業的教師 。
Your contact details

2016年8月23日 星期二

別把數學當敵人 更新: 2016年07月28日

別把數學當敵人

 
 429
 
 
按讚加入粉絲團
 (123RF)
(123RF)
文/Jay Veal
有很多人一看到數學就感覺彆扭,或總是覺得數學太難了。是因為人為設定了心理阻礙嗎?還是因為沒有做足夠多的練習題?答案是:沒有多少人真正花時間去了解數學或多加練習,這就是為什麼有些人不喜歡數學。讓我們在此討論一下所謂的「數學的口味」。
我們每人都有一定的口味或愛好,比如音樂,許多人在其人生大部分時間裡聽過一種或幾種類型的音樂,所以他們平時就只會聽這些音樂,並向他人推薦。然而,如果你不喜歡某類音樂,但有人偏偏老是演奏這類音樂,結果你就會更加討厭這類音樂。人們在一生中的任何時間點上都可能引發出對數學的喜好。在數學面前人人平等,在許多事情上你都不需要培訓或下苦功,就可以把數學免費拿來試用一番。那麼到底是什麼東西會讓數學變得有趣,從而不再是你的敵人?
日常中,在電腦裡看到的是1和0組成的數學,還有建築物、汽車、電話、計算器、街道、房屋等都含有數學。一週7天,每天24小時都會看到數學,而我們顯然不應該害怕我們每天都看到的東西。我們的日常生活中都有與數學相關的真實的問題和細節。當一座橋有兩面像一個三角形的兩條邊,你如何算出橋上斜拉鋼纜的長度?這就必須使用畢達哥拉斯定理。計算平均速度、距離、長度、面積、周長、重量、體積等都是我們日常生活的一部分。所以說,光對數學感覺良好還不夠,還要成為數學高手。實際上,數學就是一種工具!
從大處來說,數學使我們的生活更輕鬆、更高效。數學公式走進了Excel應用程式,電腦帶來了自動化,並能計算藥物劑量和混合物等,數學正在我們的生活中發揮更多的作用。隨著技術的發展,我們現在要想了解更多的東西,就必須更熟悉數學。那為什麼不從現在開始呢?數學這一門的特點在於,要想了解它,只需多多練習而已。數學不是你的敵人,它是一個能使你的生活變得更好的一個工具。你應該通過更多的練習來把數學當成一種愛好。以下4點可以讓你達成這一目標︰
1.保持開放的頭腦
頭一次沒弄懂並不意味著失敗,不要放棄,持續的練習最終會導致優異的結果。
2.在生活中運用
在你每天看到或所做的事中找出涉及到數學的東西,然後想想數學會如何影響到結果。這類思考會有助於良好的理解力。
3.掌握基礎知識
人們在數學中掙扎犯暈的頭號原因是因為他們沒有充分掌握基礎知識。代數和幾何是其他高級數學課程的基礎。必須把代數和幾何學紮實,並且能達到教別人的程度。
4.熱愛數學
一旦到了這一程度,數學對你來說再也不會構成挑戰。當你確定掌握了數學的奧祕後,你可以炫耀你的知識。當你把數學當成一種興趣來學習,或去參加數學競賽,或去擴大你的數學知識時,你就會想要進一步向上提升,你甚至會成為一個你從未曾想到過的數學家。◇
 
 

【數感教育——奧運競技場上學數學】

數感實驗室 Numeracy Lab
17小時
【數感教育——奧運競技場上學數學】
里約奧運正式落幕了,今年你看了幾場比賽呢?
奧運賽場上,除了各國好手的激烈競爭,其實數學也悄悄地現身在其中。
劍橋大學在2012年倫敦奧運設計了一套給5~18歲學生的「奧運數學練習」。內容分成五個等級,從基本的度量衡到機率甚至賽局,任何人都可以邊看奧運邊學數學。網站還貼心地附上了教師手冊及關鍵詞,讓老師也能在課堂上使用,帶領學生討論。
附圖就是我們翻譯的一份難度等級3單元,是大家再熟悉不過的連連看。學生要把奧運場上的事物連到合理的數字和單位。大家不妨先試著在沒有google的幫助下,自己挑戰看看。
透過這樣的練習,學生能了解每個單位的意涵與單位換算關係,而後根據自身經驗,推測出合理答案。
像是,回想自己100公尺跑多快?灌籃大概要跳多高?游泳賽跟自行車賽哪個路程比較遠?
想想,與其把體育課都借來趕數學課進度,用這樣的方式讓數學跟體育結合,不是更有趣嗎?
答案我們會晚一點再留言公布噢 :)
📢別錯過數感實驗室📢
數感實驗室一天只會發表1~2則動態,不想錯過我們文章的朋友,請在右上角讚的下拉式選單中,打勾「搶先看」,就能第一時間接收我們的消息!

Pokémon Go 指南: 如何用數學幫助你 Catch ’em all posted 22 hours ago by 陳宏賓

Pokémon Go 指南: 如何用數學幫助你 Catch ’em all

posted 22 hours ago by 陳宏賓

2016年你不可不知的手機遊戲,絕對是任天堂投資的 The Pokémon Company 開發的Pokémon Go 這款巨作。蝦密!你居然不知道什麼是  Pokémon?趕快偷點一下看維基百科。根據知名手機應用程式市場研究機構  Sensor Tower 的統計資料顯示,自從Pokémon Go 在今年  月  日於澳洲及紐西蘭公開下載,截至目前已經在全球超過  55 個國家發行,全球總下載量突破  億次。這股熱潮有多瘋狂呢從  Pokémon Go 下載次數達到  5000 萬只花了  19 天就能夠看得出來,比起之前的熱門手遊  Candy Crush 用了  112 天來說,神奇寶貝創下的這個紀錄真的是非常神奇阿!
Credited by Sensor Tower

專注於使用數學觀點來解讀時事的優質媒體數感實驗室 Numeracy Lab這次運用麥當勞賣出漢堡的速度來做對比,讓民眾可以更容易感受神奇寶貝被下載的速度有多快。


神奇寶貝既然這麼紅,想必大家都已經知道要怎麼玩了,我就不再多說。這款遊戲最特別的地方乃在於結合了擴增實境Augmented Reality,簡稱AR)技術,整個遊戲是建立在現實世界之上。因此,玩家必須在現實世界的地圖中東奔西跑去抓寶貝,這可能是遊戲的最大賣點之一。不過這個特性卻也造成玩家一個很嚴重的問題-腳軟。如何走最短的路徑Catch ‘em all 成了最大挑戰!

挑戰:要怎麼走最少的路抓到城市中所有神奇寶貝?


旅行業務員問題(Traveling Salesman Problem

神奇寶貝所引起的數學難題,其實是一個非常經典的數學問題,數學家很早就開始關注了。
故事從 1962 年說起。

1962 年,P&G 公開懸賞了一則問題:
以芝加哥為起點和終點,該如何開車,才能在最短路徑內環遊 33 個特定的景點?

這問題看起來沒什麼大不了,但 
P&G 在後面補了一句話
「.....能解出最短路徑的人,將獲得一萬美金的獎金。」
當時的一萬美金可是足以買下一棟房子。


P&G 
會出這麼高的金額,表示這個問題
1. 
有對應的巨大實用價值。對物流來說,能夠以最短路徑完成送貨,即可降低汽車、人力時間成本。
2. 
一定非常難。一般人直覺的作法可能是列出所有的路徑,再從其中挑選最好的,這樣子挑選出來的解答肯定是最好的,乍看之下不失為一個好主意。

然而,要窮舉出所有的路徑,就算是阿湯哥來也是不可能的任務!

 
假設有 26 個城市,從任一城市出發走過其他 25 個城市的走法,共有 25x24x…x1 = 25! 條不同的路徑,數學寫起來頗輕鬆寫意,但 25! 大約近似於 1.55x1025 ,實際上是一個超級天文數字。用電腦跑的話可能在太陽變成白矮星之前也跑不完。
圖為白矮星,由NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester) - http://www.spacetelescope.org/images/html/heic0516a.html,CC BY 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=477445


稍作估計就可以得到這個簡單的結論:假設電腦每秒可以處理 1000 = 107 條路徑的計算,乘以一年有 3.15x107 秒,知道一年可以處理 3.15x1014 條路徑計算,因此 1.55x1025  大約還需要….
500億年!
而根據天文學家估計,太陽的壽命只有70億年。(目前認為白矮星是中低質量恆星演化的最終產物,太陽屬於其中之一。)


話又說回來,P&G 顯然對數學界不太熟悉。因為早在 1954 (距離 P&G 提出問題的 年前),就有一組數學家解決了更巨大的「49 座城市」的旅行問題。

這群數學家包括了人稱線性規劃之父的 George Dantzig20 世紀最偉大的應用數學家之一。Dantzig 的解決方案非常精緻也是數學證明中最常見的手法。
George Dantzig (From Wikipedia)

他先「證明」走遍給定的 49 座城市一定需要 12,345 英里以上。再提出一條路線,恰恰好只需要 12,345 英里。他所發明的演算法,也成了後來旅行業務員演算法的基礎。然而不知道為什麼,Dantzig 沒去「領」P&G 懸賞的一萬元獎金。也因為他沒去,導致 P&G最後出現有點尷尬的狀況:他們收到很多結果,但不知道答案是什麼....

P&G 
最後從所有答案中挑出最短的那條路徑作為答案。請注意,這不一定是「所有可能中的最短路徑」。事實上,最後得獎的是來自 Carnegie Mellon University 的 Gerald Thompson。不過,他也坦承自己無法證明這是最短路徑。
有趣的是,跟他交出一樣答案的還有好幾個人, P&G 只好要求這些人來比一場關於 P&G 產品的散文競賽,最後 Thompson 脫穎而出。這故事告訴我們,果然文理雙修是必要的啊。

再回到旅行業務員問題,這個問題在之後的幾十年,陸續有各種更省時的演算法被開發,陸續在各種領域找到應用。最終成了一個經典的數學最佳化問題。

數學模型

 
將神奇寶貝所在的地點視為一個頂點 (Vertex),把兩兩頂點用一條邊 (Edge) 連接起來,並且在邊上賦予一個權重 (Weight) 代表這兩點的距離,則 V(收集所有頂點)、E(所有的邊)和 W(其權重函數)所形成的圖 G=(V,E,W)就是一個用數學語言抽象化之後的模型。這種使用頂點和邊描述問題的學問屬於圖論的研究範疇。數學家要追求的是
能不能找到一個有效率的方法走遍所有的頂點,並且對於任意給的圖 G 都能適用?

不幸的是,旅行業務員問題非常困難,目前並沒有一套有效率的好方法,用演算法的角度來說,它屬於 NP-hard 的問題,可以理解成目前仍不知道有沒有多項式時間可解的方法。如果你有,那你就準備揚名全世界,並且獲得克雷數學研究所頒發 100 萬美元的獎金。

有些讀者可能感到奇怪,前面不是說有一群優秀數學家已經給出一個 49 座城市的旅行問題的最短路徑解法,這不是前後矛盾?事實上,針對特定的例子,尤其是小規模的,比如說 49 座城市,我們總是可以利用一些額外的資訊和幾何原理,縮小搜尋最佳解的範圍,使其變成一個用目前的電腦可以處理的特例。

這次的神奇寶貝也不例外。加拿大滑鐵盧大學數學系有一群數學家,已經用數學的方法計算出美加地區的幾個大城市抓神奇寶貝的最短路徑(http://www.math.uwaterloo.ca/tsp/poke/index.html)

圖為波士頓地區最佳路徑圖(From  http://www.math.uwaterloo.ca/tsp/poke/index.html)

以紐約市來說,68 個點一共需要走 215 公里,但如果放棄甘迺迪機場,只鎖定曼哈頓島,倒是可以根據演算法規劃出來的路線,好好來一場與神奇寶貝邂逅的午後漫步。
 
相似卻大不相同的中國郵差問題


數學上經常與旅行業務員問題拿出來相提並論的,稱為中國郵差問題(Chinese Postman Problem),目前只有極少數數學問題冠名中國,這是其中之一,為了紀念第一個提出這個問題的中國數學家管梅谷。同樣地,考慮任意一個圖 G=(V,E,W),中國郵差問題想問的是
有沒有一個有效率的好方法走過所有的

一個是走過所有的頂點,一個是走過所有的,看起來極相似的兩個問題命運卻大不同!相對於旅行業務員問題是 NP 問題,中國郵差問題則是 P 問題,也就是說可以在多項式時間內找到最佳解。註:有向圖中的中國郵差問題仍是屬於 NP 問題。

雖然有點不可能,但倘若神奇寶貝是早了一個世紀被發現,那「旅遊業務員問題」很可能就會從此改名為「神奇寶貝問題 (Pokémon Problem)」,然後在各個領域,電機、通信、資工、交通,都可以看到神奇寶貝問題的蹤影。
最後,要是哪天台北市的驛站標定清楚,或許數感實驗室也能來幫忙,規劃出各區的「神奇寶貝散步路線」噢。


延伸閱讀


  捷運地下委員會的旅行業務員問題 ,賴以威,泛科學 PanSci。                            

波士頓大雪底下埋藏了中國郵差 - 暴風雪中的數學,陳宏賓,UniMath。

 

作者簡介
賴以威-數學作家、譯者。
作品散見於聯合報、未來少年、國語日報,與各家網路媒體。師大附中,台大電機畢業。 我深信數學大師約翰·馮·諾伊曼的名言「If people do not believe that mathematics is simple, it is only because they do not realize how complicated life is」。為了讓各位跟我一樣相信這句話,我們得先從數學有多簡單來說起,聊聊數學,也用數學說故事。 歡迎加入我與太太廖珮妤一起創辦的: 
數感實驗室 

陳宏賓 - 
UniMath 主編、逢甲大學應用數學系助理教授
數學既深且廣,我懂得不多,最喜愛組合數學相關領域,主要研究興趣是群試理論、圖論及最優化分解。2013 年出版
「Partitions: Optimality and Clustering, Volume II: Multi-Parameter」一書(與 Uriel Rothblum 和 Frank K. Hwang 教授合著)。對於數學和教育有強烈的熱忱和使命感,積極創立 UniMath 電子數學媒體,致力於推廣數學文化。

註解
您沒有新增註解的權限。