江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)斜塘學(xué)校 孔春芳
如何培養(yǎng)學(xué)生建立幾何模型的意識
江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)斜塘學(xué)校 孔春芳
數(shù)學(xué)模型的建立其實是在大量的題海中觀察、分析、提煉而成的。這個提煉的過程就是一個思考的過程,沒有對解題過程和結(jié)果的反思,就沒有數(shù)學(xué)模型的產(chǎn)生。運用模型的過程又是一次對問題進(jìn)行全方位思考的過程,在提煉、運用的過程中需要學(xué)生不斷去反思,這種反思將極大地促進(jìn)學(xué)生思維能力的提升。
本文從蘇州工業(yè)園區(qū)初三期末調(diào)研的一道填空壓軸題說起,探討如何在研究一類最值問題時培養(yǎng)學(xué)生幾何模型意識的建立。
例1 如圖1-1,在正方形ABCD中,AB=3cm,以B為圓心,1cm長為半徑畫⊙B,點P在⊙B 上移動。連接AP,并將AP繞點A逆時針旋轉(zhuǎn)90°至AP',連接BP',在點P移動的過程中,BP'長度的最小值
要解決求BP' 的最小值問題,必須要知道P'的運動路線是什么樣的,我們發(fā)現(xiàn),P'是受P的運動而運動的,P是主動點,P'是從動點,可以猜測P'的路線也是圓上的點。我們不妨先找?guī)讉€特殊點P,因為P是⊙B上的點,比如可以找⊙B與直線AB的兩個交點,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)90°得到P'的位置,從而得到點P'的路線是以點D為圓心,1cm長為半徑的⊙D上的點。這樣“BP'長度的最小值”就被轉(zhuǎn)化為了“平面內(nèi)一點與圓上各點連線中,到過該點和圓心的直線與圓的近交點距離最短、遠(yuǎn)交點距離最長”的問題處理,如圖1-2,使BP'距離最小的點的位置即為如圖1-3所示的點。
最值問題一直都是中考的熱點和難點,既可以與幾何模型結(jié)合,也可與函數(shù)模型等結(jié)合,綜合性較強,難度較大。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),很多學(xué)生不能很好地解決此類問題,或者說對此類問題較生疏,本人覺得其根本原因還是學(xué)生缺乏軌跡思想這種動態(tài)的考慮問題的方式。我們來看一道中考最值問題:
例2 (2016淮安)如圖2,在Rt△ABC中,∠C=90°,AC=6,BC=8,點F在邊AC上,并且CF=2,點E為邊BC上的動點,將△CEF沿直線EF翻折,點C落在點P處,則點P到邊AB距離的最小值
先研究題目大背景:整個問題在一個確定的直角三角形背景下,點F是定點,點E是邊BC上的一個動點,是主動點,而點P由點C關(guān)于直線EF翻折而來,是從動點,點P隨著點E的運動而運動、確定而確定。再明確目標(biāo):求點P到邊AB的距離的最小值。
為什么會產(chǎn)生這個最值呢?AB是條定邊,點P是個動點,這才導(dǎo)致了最值的產(chǎn)生.所以問題的關(guān)鍵肯定就是動點P。接下來,目光鎖定到了動點P:既然點P是動點,那么它是怎么運動的呢?或者說,點P的運動路線是什么樣的呢?
圖2
圖 2-1
圖 2-2
圖 2-3
圖 2-4
表面來看,動點P是定點C沿著動直線EF翻折而來的,根據(jù)翻折“不變性”,易知PF始終等于CF=2,而點F是個定點,即動點P始終被“綁在”離定點F的距離等于2的一條確定的路線上。根據(jù)圓的定義可知,動點P一定在以定點F為圓心,2為半徑的圓上運動,如圖2-1,畫出這個圓來,當(dāng)然,點P的運動路線并非整個圓,而是圓的一部分,即為一段圓弧。這樣,“點P到邊AB距離的最小值”就被轉(zhuǎn)化為了“定⊙F上的點到邊AB距離的最小值”。
其實上面這個轉(zhuǎn)化成立也是有前提的:原問題中的點P要能夠取到使“定⊙F上的點到邊AB距離的最小值”的⊙F上的點!這一點,很多師生比較容易忽視,雖然直觀上確實能取到,但我覺得“做數(shù)學(xué)”一定要嚴(yán)謹(jǐn),即便很直觀,也要簡單驗證或者說一下,尤其是平時琢磨題目的過程中,這是一種好的學(xué)習(xí)品質(zhì)。
圖2-2給出了“圓上一點到直線距離的最小值”模型,根據(jù)此模型作出圖2-3,則PG即為所求最小值。
借助Rt△ABC和Rt△AFG相似,算出PG=1.2,最后檢驗一下這個P可不可取:只需過點P作PE∥AB即可,如圖2-4所示,這樣的點E在BC邊上,故可取。
無獨有偶,2014年成都中考也有一道與例2幾乎一模一樣的考題:
如圖3,在邊長為2的菱形ABCD中,∠A=60°,M是AD邊的中點,N是AB邊上一動點,將△AMN沿MN所在的直線翻折得到△A'MN,連接AC,則AC長度的最小值
同例2的分析如出一轍,由翻折易知△A'M=AM=1為定值,點M是定點,故動點A'被“綁在”以定點M為圓心,1為半徑的定圓上運動,有了剛才兩道題目的啟發(fā),這道題應(yīng)該可以得心應(yīng)手了。
圖3
上面談到的各個例題,動點的路線都在一段圓(?。┥线\動,初中階段會接觸到的曲線路線一般是圓或者圓弧,比如旋轉(zhuǎn)問題。當(dāng)然,動點也可能在雙曲線或者拋物線上運動,這都屬于曲線路線。
斯滕伯格說:智力就是學(xué)習(xí)的能力,就是在不熟悉的情境中使用先前發(fā)現(xiàn)的模式和關(guān)系思考并解決問題的能力。所以,數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中,教師要重點關(guān)注的是模式和關(guān)系,通過總結(jié)和歸納數(shù)學(xué)的模型,讓學(xué)生在短期內(nèi)迅速領(lǐng)會并運用模型和關(guān)系去解決問題,數(shù)學(xué)教師要學(xué)會用有限的類型去應(yīng)對無限的題海,才能真正給學(xué)生減負(fù),給課堂增效。比如在相似教學(xué)時的“K”型模型以及“K”型的各種變式模型、“A”型相似、“X”型相似、斜截型相似、母子相似等幾何模型。
隨著課程改革推行的深入,初中階段的幾何教學(xué)是課改的重點內(nèi)容。在對初中幾何數(shù)學(xué)的教學(xué)方式進(jìn)行探索及創(chuàng)新的過程中,模型教學(xué)對幾何數(shù)學(xué)課程改革的意義日漸突顯,充分調(diào)動了學(xué)生對學(xué)科知識學(xué)習(xí)的興趣與積極性,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與度和自主性都得到了明顯加強,這不僅順應(yīng)了課程改革的要求,同時有效提高了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的效率,是教學(xué)成果顯著提升的制勝法寶。將幾何模型教學(xué)從幾何數(shù)學(xué)學(xué)科推廣至其他學(xué)科的教學(xué)改革實踐中,具有十分重大的借鑒意義。