Transcript ppt - Turku

MATEMAATTISEN
AJATTELUN
KEHITTÄMINEN
1
MATEMAATTINEN
AJATTELU
Erkki Pehkonen
OKL /HY
2
• Ajattelun kehittäminen on ollut kaikkia
koulun oppiaineita koskeva formaali
tavoite aivan peruskoulun alusta lähtien
(ks. Anon. 1970).
• Samoin se on kansainvälisesti yhä
edelleen tutkimuksen ja kehittämisen
polttopisteessä (esim. McGregor 2007).
3
POPS-mietinnössä (Anon. 1970)
• tiedollisen kasvatuksen tavoitteet jaetaan
materiaalisiin ja formaalisiin.
- materiaaliset tavoitteet ovat
ainekohtaisia sisältötavoitteita,
- formaalisiin tavoitteisiin kuuluvat
ajattelun kehittäminen, käsitteiden
muodostus ja niiden käyttö,
päätteleminen, tietojen arvioiminen,
ongelmien ratkaiseminen ja luova ajattelu
4
Jo 1985 Peruskoulun opetussuunnitelman
perusteissa todettiin selkeästi, että opetuksen
tavoitteissa tulisi kiinnittää enemmän huomiota
tiedollisen kasvatuksen formaaliin puoleen:
“… tieto on vain väline …“
5
• Ajattelun tutkimisen ongelmallisuudesta toteaa
mm. Astington & Olson (1995): “Suuri ongelma
on että ... ajattelemisella ei ole mitään
käyttäytymiseen liittyviä indeksejä.”
• Opettajat voivat ainoastaan keskustelujen
kautta päästä selville oppilaiden ajattelusta.
• Tällöin tulevat kyseeseen lähinnä oppilaiden
vastaukset kysymyksiin ja oppilaiden
keskusteluihin tovereidensa kanssa.
6
Mitä on matemaattinen
ajattelu?
7
• Yleensä ajatellaan, että matemaattinen
ajattelu on samaa kuin looginen ajattelu,
mutta aktiivisesti matematiikkaa käyttävälle on tarpeen myös luova ajattelu.
• Matemaattinen ymmärtäminen liittyy
läheisesti matemaattiseen ajatteluun,
kuten myös matemaattinen tietorakenne
ja tiedon luonne – konseptuaalinen ja
proseduraalinen tieto.
8
Matemaattisesta ajattelusta
• Matemaattinen ajattelu ei ole ajattelua matematiikasta, väittää Leone Burton (1984, 35), vaan
se muodostuu tietyistä matemaattisiksi
tunnistettavista operaatioista (toimituksista) ja
prosesseista (tapahtumasarjoista) sekä niihin
liittyvästä dynamiikasta (jännitekentistä).
• Näistä erityisesti matemaattisen ajattelun
prosessit ovat kiinnostavia ongelmanratkaisun
kannalta.
9
• Em. prosesseista näyttävät seuraavat
neljä olevan keskeisimpiä:
- erikoistapaukseen siirtyminen
(specializing),
- otaksumien esittäminen (conjecturing),
- yleistäminen (generalizing) ja
- vakuuttaminen (convincing).
10
Esimerkki 1 (Mason 1982, 1)
• Tavaratalossa sinulle tarjotaan
suuresta ostoksesta 20 % alennus,
mutta sinun täytyy maksaa siitä 15 %
myyntiveroa.
• Kumpi sinun kannattaisi laskea
ensin: alennus vai vero?
11
Esimerkin käsittelyä
• Erikoistapaukseen siirtyminen: Esimerkiksi
valitaan ostoksen hinnaksi 100 € ja lasketaan
siitä sekä alennus että vero.
• Otaksumien esittäminen: Näitä erikoistapauksia lasketaan niin paljon, että mielessä herää
otaksuma ratkaisusta.
• Tämä pyritään yleistämään (yleistäminen) ja
lopuksi osoittamaan yleisesti voimassa olevaksi
(vakuuttaminen).
12
• Toisenlaisen lähtökohdan matemaattisen
ajattelun käsitteeseen esittää Rice (1992).
• Hän keskittyy matemaattisiin
ajattelustrategioihin, joihin hän laskee
kuuluvan ainakin seuraavat:
luokittelu, lukujonotaidot, analogian
muodostaminen, deduktiivinen päättely
ja ongelmanratkaisutaidot.
13
Matemaattisesta ymmärtämisestä
• Herscovics & Bergeron (1983, 75)
esittävät, että "ymmärtämistä ei voida
erottaa sanoista "ajatella", "tietää" ja
"oppia", koska ymmärtäminen on
ajattelun tulos, joka ei voi toimia tyhjiössä,
vaan aikaisemmin hankitun tiedon
kautta".
14
• Esimerkiksi Wachsmuth (1985, 45) kuvaili
ymmärtämisen 'omien ajatustensa
järjestämisenä' seuraavasti: "Ymmärtää joku
asia tarkoittaa, että pystyy järjestämään sen
omaan henkiseen kategoriajärjestelmäänsä."
• Tutkimusten perusteella tiedetään, että
ajattelustrategiat näyttävät olevan
matematiikassa keskeisiä erottavia tekijöitä
hyvien ja huonosti menestyvien oppilaiden
välillä (esim. Kulm 1990).
15
• Ymmärtäminen voidaan nähdä myös
potentiaalisena kykynä tehdä sellaisia
tiettyyn aiheeseen liittyviä ajattelua
vaativia toimintoja kuten selittämistä,
todisteiden löytämistä, yleistämistä,
soveltamista, analogioiden löytämistä ja
käsitellyn aiheen esittämistä toisella
tavalla (Joutsenlahti 2005, 84).
16
• Hiebert & Carpenter (1992) kuvaavat ymmärtämisen prosessina, joka kiinnittyy tiettyyn
henkilöön, tarkasteltavaan matemaattiseen
sisältöön ja erityiseen ympäristöön:
• “Henkilö on ymmärtänyt matemaattisen idean
tai menetelmän tai tosiasian, jos se on osa hänen
sisäistä tietoverkkoaan. Ymmärtämisen asteen
määräävät tietoverkon yhteyksien lukumäärä ja
voimakkuus.”
17
• Viime aikoina on tuotu taas kertaalleen esille se
tosiasia, että opetuksen tulokset näyttävät
pysyvän kovin mekaanisella tasolla ja ettei
korkeamman tason ymmärrystä näytetä
saavutettavan (esim. Virtanen 1994, Merenluoto & Pehkonen 2004), vaikkakin sitä kovasti
toivotaan.
• Matemaattinen ymmärrys näyttää olevan
prosessi, jossa edistytään hitaasti ja silloinkin
vain kovasti työtä tekemällä
18
Esimerkki 2
• Tiedämme, että pätee 498 : 6 = 83 .
Selvitä tästä tiedosta perustellen,
mitä saadaan tehtävän 491 : 6 = ?
vastaukseksi, ratkaisematta tehtävää
jakokulmassa.
19
Matemaattinen tieto
20
• Tietoa voidaan tarkastella filosofisesta
näkökulmasta, jolloin nousee esille
kysymys: Mitä on tieto?
• Tähän on olemassa perinteinen Platonin
määritelmä “tieto on hyvinperusteltu tosi
uskomus” (esim. Niiniluoto 1992, 57).
21
• Subjektiivisen ja objektiivisen tiedon
välinen suhde matematiikassa on
keskeistä sosiaalisen konstruktivismin
filosofian mukaan.
• Subjektiivinen tieto on yksilön omaa, kun
taas objektiivinen tieto on yhteisön
hallinnassa.
22
• Tiedonhankinnassa erotetaan eri
suuntauksia – puhutaan empirismistä ja
rationalismista.
• Psykologisesti tiedon käsite usein jaetaan
kahteen eri tyyppiin, jossa jaon perusteena on ollut erottaa toisistaan taidon
oppiminen ja tiedon ymmärtäminen.
23
• Tunnetusti matemaattinen tieto jaetaan
menetelmätiedoksi (procedural
knowledge), kuten algoritmitieto, ja
käsitetiedoksi (conceptual knowledge),
kuten tosiasiatieto (Hiebert & Lefevre
1986).
• Nämä molemmat tulevat kysymykseen
matematiikan oppimisessa.
24
• Ymmärtäminen liittyy ensisijaisesti
käsitetietoon.
• Lisäksi Hiebert ja Lefevre (1986)
korostavat tietokokonaisuuksien
merkitystä käsitetiedon omaksumisessa.
25
Esimerkki 3 (Campbell 1996)
Olkoon A luku 6*147 + 1 .
Jos jaat 6:lla luvun A, mikä
on jakojäännös? Paljonko on
osamäärä?
26
Esimerkki 4
(Zazkis & Campbell 1996)
Tarkastellaan lukuja 12 358 ja
12 368. Tutki, onko niiden
välissä kaksi lukua, jotka ovat
jaollisia 7:llä tai 12:lla?
27
Matemaattisesta tietorakenteesta
• Koska matemaattisen tiedon osat ovat
yhteydessä toisiinsa, ottamalla tosiasiatiedot ja
niiden väliset suhteet syntyy tietty rakenne, jota
kutsutaan matemaattiseksi tietorakenteeksi.
• Usein matemaattinen tietorakenne esitetään
graafina (esim. Kiesswetter 1977), joka koostuu
tosiasiatiedoista (solmu) ja niiden välisistä
yhteyksistä (polku).
28
Kaavamainen kuva yksilön
tietorakenteesta
• Tämäntyyppinen tietorakenne on kuvattu
kaavamaisesti alla kuviossa, jossa mustat ympyrät
kuvaavat tietoyksiköitä ja viivat niiden välisiä
yhteyksiä sekä neliöt tietorakenteeseen liittyviä
emootioyksiköitä ja viivat niiden välisiä yhteyksiä.
29
• Ymmärtämiseen tähtäävän opiskelun
tuloksena syntyy lisää yhteyksiä
tietorakennetta kuvaavaan graafiin.
• Yksilön tietorakenteen yhteydessä on
oppimistilanteeseen liittyviä tunnelatautuneita muistoja, useimmiten
turhautumisesta (vrt. Bereiterin (1990)
moduliteoria oppimisesta).
30
• Parhaimmillaan yksilön matemaattinen
tieto muodostuu selkeäksi loogiseksi
kokonaisuudeksi – matemaattiseksi
tietorakenteeksi, joka on tarvittaessa
palautettavissa mieleen.
• Tällainen tarve tulee esimerkiksi
ongelmanratkaisutilanteessa, jossa
yksilön on ratkaisun löytämiseksi usein
hahmotettava tilanne uudella tavalla.
31
• Siispä Kiesswetteriä (1983) mukaillen voidaan
sanoa: Ongelman ratkaisu saadaan tuotettua,
kun pystytään rakentamaan riittävästi lisää
yhteyksiä tietorakenteessa olevien vanhojen
tosiasioiden välille tai lisäämään uusia
relevantteja tosiasioita.
• Tämä vaatii yleensä kykyä hahmottaa
omaksuttu matematiikka uudella tavalla,
kykyä nähdä uusia yhteyksiä aikaisemmassa
tietograafissa.
32
• Mutta käytännössä suuri osa jokaisen yksilön
matemaattisesta tiedosta on uskomustasolla, ts.
se muodostuu henkilökohtaisista (enemmän tai
vähemmän selkeistä) käsityksistä tai muistikuvista aikoinaan opitusta matematiikasta,
jotka voivat poiketa merkittävästikin yleisesti
hyväksytyistä käsityksistä.
• Tähän henkilökohtaiseen tietoon saattaa liittyä
usein jopa täysin vääriä tulkintoja matemaattisesta tiedosta.
33
Matemaattisen
ajattelun kehittäminen
34
• Peruskoulun opetussuunnitelmassa
(Anon 2004) matemaattisen ajattelun
kehittäminen mainitaan yhtenä keskeisimmistä matematiikanopetuksen
tavoitteista.
• Opetussuunnitelma ei tarjoa keinoja
tähän päämäärään, vaan jättää sen
opettajan omaan harkintaan.
35
Keinoja
• Ainakin neljä tällaista opetuksessa
käytettävää keinoa voidaan mainita:
- ongelmatehtävien käyttäminen,
- luvuilla leikittely,
- matematiikan kielentäminen (ks.
Joutsenlahti 2003),
- ajatuskartan laatiminen (ks. Buzan
1989).
36
Ongelmanratkaisun
käyttäminen
• Ongelmanratkaisussa on useita
suuntauksia.
• Puhutaan mm. Polyan malliin
perustuvasta ongelmanratkaisusta,
avoimesta ongelmanratkaisusta,
luovasta ongelmanratkaisusta.
37
Ongelmatehtävien luokittelua:
• Esimerkiksi puhutaan PISA-tehtävistä, jotka ovat suurelta osalta aivan
omantyyppisiä ongelmatehtäviä, ns.
kompleksisia ongelmia ja yleensä
non-standardeja tehtäviä.
• Non-standardi tarkoittaa ei-tavanomaista, ts. tehtäviä, joita ei löydä
oppikirjoista.
38
Non-standardien tehtävien
käyttäminen
• Kouluopetuksessa oppilaan ajattelua
voidaan parhaiten edistää MIKSI?kysymyksillä.
• Oli oppilaan vastaus oikea tai väärä,
niin ei tyydytä siihen, vaan pyydetään häntä selittämään, miksi hän on
päätynyt tuohon vastaukseen.
39
Esimerkki 5
• Kuinka moneen neliöön voidaan
annettu neliö jakaa?
40
Luvuilla leikittely
• Erityisesti ala-asteella olisi oppilaiden saada mahdollisuus luvuilla
leikittelyyn.
• Lapset ovat yleensä kovin kiinnostuneet suurista luvuista, erityisesti
äärettömyys kiehtoo heidän ajatteluaan.
• Tätä kiinnostusta pitäisi opetuksessa
41
hyödyntää.
Esimerkki 6
• Sellaista lukua sanotaan palindromiksi,
joka etu- ja takaperin luettuna on sama,
esim. 121 ja 5445.
• On esitetty väite, että kaikki
nelinumeroiset palindromiluvut ovat 11
jaollisia. Pitääkö tämä paikkansa?
42
Jatk.
• Kaikista luvuista ei saada noin nopeasti
palidromeja, esim. 85 ja 58 on yhteensä
143 josta on jatkettava: 143 + 341 = 484.
• Lukua 85 sanotaan tyypin 2 luvuksi, koska
tarvitaan kaksi yhteenlaskua.
• Tutki kaksinumeroisia lukuja: Ovatko ne
kaikki tyyppiä 1 tai 2? Mitä
säännönmukaisuutta pystyt löytämään?
43
Matematiikan kielentäminen
• Ks. Joutsenlahden esitys
(ti 12.4.2011)
44
Tietorakenteen esittäminen
ajatuskarttana
• Opettaja voisi selvittää opiskelijoiden
tietorakennetta ainakin keskeisten
sisältöjen kohdalla.
• Tämä voisi yksinkertaisimmin toteuttaa teettämällä opiskelijoilla kyseisestä ainepiiristä käsitekartan, mutta
saman asian toimittanee myös
ajatuskartta.
45
• Usein matematiikan opiskelijankin
tietorakenne voi olla kovin hatara ja
koostua erillisistä tietoelementeistä
ja assosiaatioista, joiden avulla hän
kuitenkin pystyy ratkaisemaan tehtäviä ja antamaan kuvan riittävästä
matemaattisen tiedon hallinnasta.
46
• Oppilaiden tietorakenteen selvittäminen voisi
yksinkertaisimmassa muodossaan toteutua
teettämällä heillä kyseisestä ainepiiristä
käsitekartan tai ajatuskartan.
• Kun heidän kotona laatimistaan ajatuskartoista keskustellaan yhteisesti, saa opettaja
kuvan opiskelijoiden ajattelun tasosta sekä voi
auttaa heitä kehittämää omaa tietorakennettaan.
47
• Usein matematiikan opiskelijankin tietorakenne voi olla kovin hatara ja koostua
erillisistä tietoelementeistä ja assosiaatioista,
joiden avulla hän kuitenkin pystyy ratkaisemaan tehtäviä ja antamaan kuvan riittävästä
matemaattisen tiedon hallinnasta.
• Lisäksi tietorakenteessa on mukana usein
vahvoja tunnelatauksia, jotka saattavat peräti
rajoittaa ko. henkilöä käyttämästä tietojaan
täysipainoisesti.
48
• Seuraavassa esitetään yhden matematiikan
opiskelijan, Sannan haastattelun (Duisburg
1999) tuloksista konstruoitu tietorakennelma.
• Sanna oli vähän yli parikymmenvuotias
tasapainoisesti esiintyvä opiskelija, joka
opiskeli viidettä vuotta ja jolla oli jäljellä
opettajatutkintoon pro gradua vastaavan
tutkielman tekeminen sekä joitakin tenttejä.
• Lukiossa hän oli suorittanut lyhyen matematiikan, ja kertoi opetuksen siellä olleen laskemispainotteista.
49
• Sovitetaan Sannan tietorakenne alussa
kuvailtuun teoreettiseen malliin:
• Tosiasiatietoja (Sannan kannalta), jotka on
lihavoitu ja rajattu soikiolla; näistä keskeinen
tosiasia on rajattu paksummalla viivalla.
• Eritasoisia luuloja ja arveluja, jotka on rajattu
soikiolla (mutta ei ole lihavoitu).
• Emotionaalisia reaktioita, jotka on esitetty
suorakulmiona.
50
arvot
laskimella
tarina
shakkilaudasta
eksponentiaalinen
kasvu
e-funktiolla
suurin kasvu
käänteisfunktio ln
mielikuva
perusteluja
x
e :n kuvaajasta
kuvaaja
ei leikkaa
x-akselia
HYVÄ
LUOJA
e - 2,71
0
e =1
x
e ei ole
koskaan
nolla
x
x
De =e
johtaminen
HYVÄ
LUOJA 51
Ajattelutaitojen arviointi
52
Perusopetuksen
päättöarvioinnin kriteerit
• Opetushallitus (Anon. 1999) on
laatinut arviointikriteerit, joissa
määritellään ne tieto- ja taitotasot,
jotka oppilaan pitää hallita saavuttaakseen arvosanan kahdeksan (8).
• Tietojen ja laskutaitojen rinnalla
tarkastellaan oppimistuloksina myös
päättely-, perustelu- ja kommunitiotaitoja.
53
Arvioinnin osa-alueet
54
Matemaattisen ajattelun
arvioinnista
• Matemaattisessa ajattelussa voidaan
erottaa eri komponentteja, joista
kutakin voidaan mitata sopivin
tehtävin:
- Ongelmanratkaisutaitoja
- Luokittelutaitoja
- Käsitteellisyys
55
• Seuraavassa esimerkissä kohta a)
edustaa tavanomaista oppikirjatehtävää.
• Sitä jatketaan kysymällä oppilaan
ajattelua: kohdat b) ja c) mittaavat
oppilaan ymmärtämisen tasoa,
edellinen oppilaan kykyä metakognitiiviseen ajatteluun ja jälkimmäinen
kykyä yleistämiseen.
56
Esimerkki 7
• Eeva ajattelee kahta lukua. Niiden
summa on 19 ja erotus 5.
• Määritä luvut.
• Kuinka pystyt löytämään luvut?
• Onko aina mahdollista löytää kaksi
lukua, jos tiedetään niiden summa ja
erotus? Perustele vastauksesi!
57