人类眼睛的功能要比灯泡强大很多,我们可以看到一个丰富且真实的物体,而不仅仅是一个影子。不过,如果我们把自己的眼睛假设成一个灯泡,忽略其他因素,只关注物体在一个方向上的轮廓,那就跟物体在灯泡的照射下在墙壁上的投影差不多。
透视几何跟视点密切相关,儿童一般会经历两个重要的节点:一,意识到自己的眼睛可以作为视点;二,视点可以改变。同一物体,一旦视点改变——要么是自己的位置改变,要么是变成其他的视点(比如灯泡,或者另一个人,观察者自己的真实位置不动,而只是想像自己的观察点发生了改变)——看到的结果就会变化。
五岁以前,儿童只是本能地使用自己的眼睛观看客观世界的一切,他们还不能有意识地确认自己的眼睛就是一个视点。比如,如果让一个四岁儿童在桌面上相距一米的两颗棋子之间添加更多的棋子,使它们形成一条直线,儿童摆出来的结果多半是弯弯曲曲的曲线,他们还停留在拓扑空间观念阶段,既不能意识到两点之间的线段最短(欧式空间观念),也不能有意识地使用自己的眼睛作为瞄准器(透视空间观念),以便有效矫正不符合要求的棋子(位置),从而确保它们基本成为一条直线。
七岁左右的儿童可以以自己的眼睛为瞄准器,从而顺利完成了把棋子在两点之间摆成直线的任务,这说明他们已经形成了视点观念,正式进入透视空间阶段。
从整体来讲,一个人的空间观念会经历以下三个发展阶段:早期的拓扑几何空间观念,中小学期间的欧式几何空间观念和射影几何空间观念(多数人就停留在这个阶段),大学及以后的高度形式化的空间观念(形式化的拓扑观念、非欧空间、射影空间等)。其中,欧式几何空间观念比较特殊,在不引起误会的情况下,我们一般把6——12岁儿童的空间观念称为前欧式几何空间观念,而把他们在中学阶段建构生成的空间观念称为欧氏几何空间观念。
整体来说,拓扑几何的研究对象是同一图形内部各要素之间的关系;欧式几何的研究对象是不同图形之间(当然也包括同一图形)的刚性几何特征。如:两个三角形在各种情况下可以全等?中学阶段的摄影几何(透视几何属于射影几何的一部分)的研究对象是几何图形在视点改变后的变化及其变化规律。
在成人眼中,这三个图形完全不同,但我3岁左右的儿童眼中,它们却是完全一样的。原来,这其中隐藏着儿童生命成长中最为奇特的秘密:三岁左右的儿童,他们头脑中的几何观念是拓扑式的,也就是说,构成图形的整体材料类似于橡皮泥,可以随意拉伸、压缩,只要没有发生断裂、粘连,它们就总是一样的。而且,他们拥有完全相同的拓扑几何性质,比如:点A和点B总是保持临近关系,点A、B、C总是保持着相同的次序关系,点A和点C总是保持着分离关系,点B总是被点A和点C封闭着,而且,这几个图形总是保持着同样的连续性……在欧式几何中,圆、椭圆、三角形、四边形等都是完全不同的图形,但是对于拓扑几何而言,它们却是完全一样的,都是相对于开放图形而言的封闭图形。
相对而言,成人所熟知的欧式几何观念却是刚性的,一个图形(包括一条线段)被拉伸或者压缩,那么,它们的长度或者面积或者体积就总会发生改变,这就是我们成人会认为上面三个图形完全不同的根本原因。
欧式几何中直接给出的23个定义,5个公设和5个公理,就像是建造一座大楼,必须得首先打下地基,这些定义,公设和公理其实就是欧式几何大厦的地基。在这个地基中,点被规定为没有大小的图形,直线是没有粗细,可以向两端无限延伸的图形,平面是没有厚薄、可以向四周无限平直延伸的图形;在直线的基础上,规定线段是直线上两点之间的一部分(由此可以得知,欧式几何中的线段虽然可以有长短,但是不能有粗细)。那么,一条铁轨是直线吗?最常见的作图工具三角板是三角形吗?显然都不是,因为在这些日常生活中常见的物体,既有粗细,又有长短,而且都是有限的,而不是无限的。
当七岁儿童拿自己的直尺去量一根小木棍的长度时,这根小木棍是线段吗?九岁的儿童用长乘以宽求出数学书的封面的面积时,这个面积是欧式几何中所说的一个封闭平面图形的面积吗?答案仍然是否定的,因为,不管木棍多么细,它总是有粗细的;不管数学书的封面多么薄,它也总是有厚度的。
这些看似吊诡的问题,实则触及了我们平时习焉不察的欧式几何的本质。欧式几何的直线、线段、三角形等各种平面图形的观念,其实在我们有限的生活世界中并不存在,它们也许跟客观世界中的物体的形态有关,但是,它们并不存在于这些客观物体之中。更重要的是,它们并不是对客观物体的直接简单抽象之物,它们只能存在于人类的想象世界之中,它们是人类大脑看不见、摸不着的形式化的观念存在物。
在漫长的人类文化进化史中,人类创造了一系列的中介符号来表达这些观念,有文字语言符号,如直线,线段,三角形等‘也有数学图形符号,如——,/,(三角形符号)
小学阶段,不管是一维测量中的长度、距离等观念,还是二维测量里的周长、面积等观念,所有几何概念几乎无一例外的只是对应着客观世界中具体的物理性物体,我们虽然可以用文字语言符号和图形符号表示它们,但是,它们离真正的欧式几何观念相去甚远。欧式几何观念是抽象的、无限的、形式化的;而6到12岁儿童创造的几何观念是具体的、有限的、物理性的。前欧式几何空间观念和欧式几何空间观念虽然在本质上完全不同,但是它们却可以使用相同的名字,即文字符号和图形符号。
不同年龄阶段的学习者我自己的脑海中生成的观念的发展水平是不同的。
儿童观察一个物体时,基本停留在盲人摸象的阶段——在一个固定的地点静态地观看,他们只能看到某一物体的局部特征,而且会把自己看到的局部特征误当成整体。现在儿童已经可以根据需要调整自己的位置(其实也就是调整视点),较为全面地观察物体。
儿童的视点观念是静态的,他们还不能有意识地全方位地调整自己的视点,使得透视结果具有整体性,而总是把局部视觉结果误当成整体,也就是前面所说的盲人摸象结果。
儿童不能将自己的视点观念和方位观念(前、后、左、右)进行综合协调,从而准确辨析透视结果。
第一课时:写生骰子 射影几何观念首先是视点观念,然后才是透视观念。一二年级儿童的视点观念正处在所见即所得阶段,即站在某个方向看到的是什么,他就认为站在任何方向看到的都会是那样,他无法想象自己看不见的东西。所以这个年龄段的儿童,必须实地360度去观察物体,只有从上下前后左右各个方位观察完以后,儿童才能够大致的在脑海中想象物体是什么样的。这节课必须让学生真实地去看,去观察,并且体会到:视角不同,看到的结果就不同。
第一板块:盲人摸象的故事 从前,有几个盲人请求国王让他们摸一摸大象到底是什么样子的。国王答应了。摸完大象以后,一个盲人说:“大象又粗又长,就像一根管子。”“不对不对,大象又宽又大又扁,像一把扇子。”“不对不对,大象明明又厚又大,就像一堵墙一样。”“我认为大象就像一根柱子。”“你们都猜错了呢,依我看,大象又细又长,活像一条绳子。” 为什么会出现这种情况呢?因为大象太大了,他们每个人只能摸到大象的一个局部。比如,说大象又宽又大又扁,像一把扇子的盲人一定是只摸到了大象的耳朵,所以才会那么说。而另一个盲人说大象是一根管子,是因为他只摸到了大象那又跟又粗又长的鼻子。 要想准确的知道大象的形状,需要从多个不同的角度摸大象。 第二板块:写生骰子 将骰子放在教室的中央,全班分四组写生,每组人画一个方向的骰子,画好之后交给老师分享,请其他同学判断:此作品是从哪个方位看到的结果。 老师让你们画的是同一个骰子,怎么四组同学画得都不一样呢?因为骰子每个面上的画都不一样,而每一组画的只是他看到的那一面。 能判断出来每一幅作品是哪一组的作品吗?(从前、左和上三个方位分析) 第三板块:从不同方向进行骰子的写生 从刚刚的画骰子游戏中,你能体会到了什么? 1.观察物体时,观察的方向不同,画出来的结果就不同。 2.要想画出一个物体完整的样子,就必须要从好多个方向进行观察才可以。 既然同一个物体观察点不同,看到的结果也不同。我们画出这个骰子从一个方向观察可以吗?(不可以)我们要想完整地了解这个骰子,就需要从不同方向去观察,那么请用剩余的时间,从不同方向观察并画骰子(体会一下观察点不同,看到的结果不同。)
第二课时:玩具熊写生 本节课的重点首先是不同角度写生玩具熊,然后再来辨析每张图是从什么方向观察的结果。视图是必须靠空间观念去想像的,不能完全视觉化靠眼睛去看,它需要有一个看到后在脑海中有一个静态表象的过程。 如果出现错误,教师需要引导学生想象自己假如站在玩具熊的左边,看到的小熊会是什么样子的,这时候学生要在脑子里有一个小熊的表象,这个表象是他想象的,然后再从四张不同的图片里寻找与刚刚脑海中一样的图像。(如果部分学生实在无法想象,说明他的视觉观念不成熟,他无法体会到视点改变了,看好小熊的样子就改变了,那就需要让这些学生在实际中去体会观察。只有这样,视点观念才能慢慢得以发展,最终到达不需要再站在每一个方位去观察,便可以直接想象出物体在不同方位看到的样子的程度。最后随着是视图观念的不断发展积累,才能够具备视图观念。
第一板块:玩具熊写生 本节课重点首先是不同角度写生玩具熊,然后再来辨析每张图是从什么方向观察的结果。视图了必须靠空间去想象的,不能完全视觉化靠眼睛去看,它需要有一个看到后在脑海中有一个静态表象的过程。如果出现错误,师需要引导学生想象自己假如站在玩具熊的左边,看到的小熊会是什么样子的,这时候学生要在脑子里有一个小熊的表象,这个表象是他想象的,然后再从四张不同的图片里寻找与刚刚脑海中一样的图像。(如果部分学生实在无法想象,说明他的视图观念不成熟,他无法体会到视点改变了,看到小熊的样子就改变了,那就需要让学生在实际中去观察体会。)只有这样,视点才能慢慢得以发展,最终到达不需要再站在每一个方位去观察,便可以直接想象出物体在不同方位看到的样子的程度。最后随着视图观念的不断发展积累,才能具备视图观念。
第一板块:玩具熊写生
(把玩具熊放在教室正中间,请每个学生分别在四个方向观察小熊并写生。然后分享每一个小熊侧面图,让学生说说是从哪个方向观察的。)
(把玩具熊放在中间的桌子上,邳州围一圈桌子,学生在桌子的外圈进行写生,这样可以把玩具熊与儿童有效地进行隔离,然后学生画完一面后,举手示意,再转换位置进行另一面的写生)
生画完后,引导学生说说他们画的都是聪哪个方向看到的。如果看不出来,可以先闭上眼睛,想象此时此刻后站在小熊的左边观察它,看观察到的小熊到底是什么样子的;如果没法想象出站在小熊的左边看到的是什么样子,可以走到小熊的左边观察一下。
第二板块:展示实物照片,判断视点
(第一板块是学生通过实际观察动手写生后,再判断观察小熊的不同方位,比较直观。第二板块将直接展示抽象的PPT,判断视角。)
这三幅图是分别从天安门广场三个不同方位拍的照片,请学生判断这幅图是从哪个方位拍的。
从两个男孩的视角观察卡车新装,学生没有任何问题,但是其他两个方位的观察结婚出现了很大的分歧。这时候引导学生先想象,在脑海中呈现一个静态的图像,然后从四张图片中寻找希望的图片。对于有困难的学生,老师临时做了一个卡车模型,请学生从不同方位去观察体会再纠错。
第三课时:绘制学校模型 第一板块:写生太阳鸟教学楼 讲全班学生分成四个小组,然后分别抵达学校太阳鸟教学楼的前、后、左、右四个方位,画出自己看到的学校的模样。
第二板块:讨论分享——视点不同,观察结果相同吗?
先闭上眼睛想象一下,假如现在就站在太阳鸟教学楼的正前方,你看到的教学楼是什么样子的?
分享画出来的图分别是从哪个方向看到的。
最后达成共识:只要观察角度不一样,看到的结果就不一样。
师手中拿一个大长方体盒子,观察各个方位,得出:中国的建筑讲究对称美,前和后,左和右,形状大小通常都是一样的,只是在细节装饰上有点差别,比如太阳鸟教学楼的前边和后边,除了门和门牌,其他的如大小和形状都是一样的。
第三板块:建构立体学校模型
画出来的作品都是平面的,可是这栋教学楼却是立体的,可以找一个长方体盒子,把它当成这栋楼,然后把刚刚画的按一定的顺序和规律贴在上面就可以了。(四个小组中各找出一名学生,重新组合成一个新的小组,在一个长方体纸盒子的四个面上贴贴相应的作品,做成一个立体的教学楼模型。)
第四板块:作品分享