王海青

(惠州學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院 516007)

1 問題提出的背景

解析幾何以歐幾里得的論證幾何為基礎(chǔ)，通過坐標(biāo)系以“幾何問題→代數(shù)問題→求解→反演”的方式將幾何代數(shù)化，把代數(shù)方程與曲線曲面等聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)與形”的靈活轉(zhuǎn)換．解析的方法更具一般性而不過多地依賴幾何圖形，它改變了歐幾里得幾何的論證方法，使幾何研究變?yōu)榇鷶?shù)計(jì)算，能由已知的代數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)新的幾何性質(zhì)．圓錐曲線作為高中解析幾何的核心內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)中有非常廣泛而重要的應(yīng)用，一直以來人們致力于尋求其在天文學(xué)、軍事領(lǐng)域、建筑設(shè)計(jì)等方面有用的性質(zhì)．因此，圓錐曲線相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)思維能力和應(yīng)用意識(shí)的培養(yǎng)具有毋庸置疑的重要性．

圖2

文[1]以圓錐面Dandelin雙球模型(圖1)和修正后的圓柱面Dandelin雙球模型(圖2)為介質(zhì)，強(qiáng)調(diào)解析幾何教學(xué)回歸“幾何性”的重要性，并指出了“解析性”與“幾何性”并重的教育價(jià)值．[1]解析幾何是連接代數(shù)與幾何的重要橋梁，在教學(xué)中過于偏重幾何的“解析性”或代數(shù)的“幾何性”都是不可取的，而是要兩者并重強(qiáng)調(diào)“數(shù)與形”的密切結(jié)合．正如文[1]的觀點(diǎn)，在圓錐曲線的教學(xué)中Dandelin雙球模型有助于將代數(shù)化的性質(zhì)直觀化，反映其原有的幾何特征．

但Dandelin雙球模型還承載著更為重要的教學(xué)價(jià)值，即其能揭示圓錐曲線中不同曲線的定義、同一曲線的不同定義之間的密切聯(lián)系，以及三種曲線的特性及其統(tǒng)一性的內(nèi)在關(guān)系．它能實(shí)現(xiàn)從“用平面截圓錐所得截線”的原始定義向“到兩定點(diǎn)距離之和為一定值”的平面軌跡定義的自然過渡，由三維空間轉(zhuǎn)化為二維平面來探究圓錐曲線的性質(zhì)．為進(jìn)一步闡明這個(gè)觀點(diǎn)，需簡(jiǎn)要剖析圓錐曲線的教材知識(shí)結(jié)構(gòu)與梳理其歷史發(fā)展脈絡(luò)．

2 圓錐曲線的教材知識(shí)結(jié)構(gòu)

高中數(shù)學(xué)人教A版選修2-1教科書[2]“圓錐曲線與方程”單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)如圖3，分別介紹了光學(xué)性質(zhì)、原始定義、第一定義、第二定義以及在直角坐標(biāo)系下的標(biāo)準(zhǔn)方程和統(tǒng)一方程，其中第一定義、標(biāo)準(zhǔn)方程、幾何性質(zhì)及應(yīng)用是主要內(nèi)容．原始定義出現(xiàn)在前言部分；橢圓和雙曲線的第一定義通過“拉線作圖”引出；拋物線的定義利用其切線的性質(zhì)借助幾何畫板引出；利用Dandelin球說明橢圓的第一定義與原始定義的等價(jià)性放在“探究與發(fā)現(xiàn)”部分．教材的編排體現(xiàn)了類比、數(shù)形結(jié)合和分類討論的數(shù)學(xué)思想，極力突出原始定義、第一定義和統(tǒng)一定義三者之間的聯(lián)系，既強(qiáng)調(diào)各類圓錐曲線的特性也關(guān)注其統(tǒng)一性．

圖3

圓錐曲線可看作是球在光照射下的不同投影，也可看作是平面截圓錐所成的交線，兩種方式都是在空間中對(duì)圓錐曲線的直觀定性描述．但教材在介紹圓錐曲線的原始定義后，直接過渡到平面用“拉線作圖法”引出橢圓第一定義推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)方程與討論相應(yīng)的性質(zhì)特征．從空間到平面的直接跨越不免有些突兀,學(xué)生難以理解為什么可以這樣定義．圓錐的截線與平面上定義的曲線是同一個(gè)軌跡嗎？雖然教材在之后的“探究與發(fā)現(xiàn)”中進(jìn)行了說明，卻難以消除學(xué)生在學(xué)習(xí)新概念時(shí)造成理解上的極大困擾．

有研究[3-5]證實(shí)了這些疑慮，并對(duì)橢圓概念的教學(xué)提出了改正意見，根據(jù)太陽光的投影逐步構(gòu)建出圓柱面的Dandelin雙球模型推導(dǎo)出橢圓的焦半徑性質(zhì)并引出橢圓的第一定義，將之與原始定義聯(lián)系在一起．圓柱面的Dandelin雙球模型可以降低學(xué)生處理模型的難度，但修正后的模型無法導(dǎo)出雙曲線和拋物線的情形．教學(xué)上雖然沒有必要用Dandelin球模型引出雙曲線和拋物線的定義，但圓柱面的Dandelin雙球模型不足以說服學(xué)生消除“如何類似地得到雙曲線和拋物線的定義”的疑問．教師應(yīng)對(duì)教材內(nèi)容的深廣度有恰當(dāng)?shù)陌盐?，考慮到不同學(xué)生的需要使教學(xué)設(shè)計(jì)具有一定的彈性．

3 圓錐曲線的歷史發(fā)展簡(jiǎn)介[6]

圓錐曲線可能是古人在制作日晷(如圖4)的過程中觀察到其在太陽光下的陰影偶然發(fā)現(xiàn)的．[7]39-40阿波羅尼斯(約公元前262-公元前190)是第一個(gè)依據(jù)同一個(gè)圓錐截面來研究圓錐曲線理論也是首先發(fā)現(xiàn)雙曲線有兩支的人．其所著的《圓錐曲線論》[8]幾乎網(wǎng)羅了圓錐曲線的性質(zhì)，成為數(shù)學(xué)史上的一座豐碑．阿波羅尼斯從幾何直觀上給出了圓錐曲線靜態(tài)的原始定義：用一個(gè)平面去截一個(gè)圓錐面，得到的交線就稱為圓錐曲線(如圖5)．他利用繁雜的論證幾何方法推導(dǎo)出圓錐曲線的重要性質(zhì)．如：圓錐線上一點(diǎn)P與焦點(diǎn)相連的兩線PF及PF′與P處的切線交于等角；焦距PF與PF′之和(對(duì)橢圓的情形)等于AA′，焦距之差(對(duì)雙曲線的情形)等于AA′(如圖6-7)．前一個(gè)是橢圓和雙曲線的光學(xué)性質(zhì)，后一個(gè)是它們的焦半徑性質(zhì)，也就是現(xiàn)在教材中的第一定義．圓錐曲線的焦點(diǎn)-準(zhǔn)線性質(zhì)則是由古希臘后期的數(shù)學(xué)家帕普斯(公元3世紀(jì)末)給予了證明[9]172．教材將之稱為圓錐曲線的第二定義或統(tǒng)一定義．

圖4

圖5

圖6

圖7

直到16世紀(jì)，人們才發(fā)現(xiàn)圓錐曲線也是自然界物體運(yùn)動(dòng)的普遍形式．為便于研究，1579年意大利數(shù)學(xué)家蒙特(1545-1607)將橢圓定義為：到兩個(gè)焦點(diǎn)距離之和為定長(zhǎng)的動(dòng)點(diǎn)的軌跡，并利用定義討論了他制造的橢圓規(guī)，如圖8．[10]230解析幾何的出現(xiàn)大大促進(jìn)了圓錐曲線理論的發(fā)展，此后論證幾何的研究方法被逐漸擯棄，人們朝著解析法的方向發(fā)展．沃利斯(1616-1703)第一次用方程分別定義了橢圓、拋物線和雙曲線．[7]264歐拉(1707-1783)給出了統(tǒng)一的代數(shù)方程定義：在笛卡爾平面上，二元二次方程ax2+2bxy+cy2+dx+ey+f=0的圖像是圓錐曲線．[11]36-41射影幾何與解析幾何幾乎在同一時(shí)期產(chǎn)生，它主要研究幾何圖形在投影變換下保持不變的性質(zhì)．德薩格(1593-1662)首先將射影幾何思想用于研究圓錐曲線考察它的射影性質(zhì)，他將圓錐曲線直觀定義為：圓在平面上的投影(如圖9)．[10]158德薩格通過投影和截景提供了統(tǒng)一處理圓錐曲線的簡(jiǎn)便方法，將圓的性質(zhì)推到任一類圓錐曲線上．

圖8

圖9

用綜合法證明圓的截景是圓錐曲線的一個(gè)直觀簡(jiǎn)潔的初等方法是由比利時(shí)數(shù)學(xué)家G. F. Dandelin 1822年給出的．[1]以橢圓為例，如圖1，在截面的上、下方各作一個(gè)與圓錐內(nèi)切的球，同時(shí)和截面相切于E,F．在截面的交線上任取一點(diǎn)A，過點(diǎn)A引圓錐的母線交兩球的切圓于點(diǎn)B,C．由球的切線性質(zhì)得到：AE=AC,AF=AB,則AF+AE=AB+AC=BC,而線段BC的長(zhǎng)為定值，B,C為定點(diǎn)，得證．利用同一個(gè)模型可以證明原始定義與焦點(diǎn)-準(zhǔn)線定義的等價(jià)性．

可見，圓錐曲線的定義和研究方法的改變反映了幾何學(xué)的發(fā)展變化過程．從歐氏幾何到射影幾何再到解析幾何，圓錐曲線的定義經(jīng)歷了原始定義、平面上動(dòng)點(diǎn)的軌跡定義、射影定義、標(biāo)準(zhǔn)方程定義、焦點(diǎn)-準(zhǔn)線定義、代數(shù)方程的統(tǒng)一定義的變化過程．而研究方法從歐氏幾何的純幾何綜合法到射影幾何的方法，再到以坐標(biāo)為媒介的解析法，經(jīng)歷了由繁到簡(jiǎn)、定性研究到定量研究的變化過程．圖10[6]反映了在歐氏幾何和解析幾何的框架下圓錐曲線定義的變化及相互關(guān)系．

圖10

4 Dandelin雙球模型的教學(xué)價(jià)值以及模型重構(gòu)

4.1 Dandelin雙球模型的教學(xué)價(jià)值

教學(xué)不能脫離知識(shí)產(chǎn)生的源頭，否則就成了“無源之水、無本之木”．用平面截圓錐所成的截線或球在光源下的投影是圓錐曲線的初始定義，然后才從三維空間的原始定義過渡到二維平面的軌跡定義及方程定義．因此，教學(xué)的起點(diǎn)應(yīng)該從原始定義展開探究．但數(shù)學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)沒有必要讓學(xué)生去經(jīng)歷阿波羅尼斯繁雜的論證幾何方法，而且“圓錐曲線與方程”單元的重心是用解析法而不是幾何的綜合法處理圓錐曲線的相關(guān)性質(zhì)．

如何將圓錐曲線中不同曲線的定義、同一曲線的不同定義有機(jī)聯(lián)系起來形成一個(gè)緊密的知識(shí)結(jié)構(gòu)？Dandelin雙球模型是很好的媒介．教師可以選擇學(xué)生熟悉的直觀形象的“球在光源下的投影”來抽象出Dandelin雙球模型．進(jìn)而在處理模型的過程中引出平面的軌跡定義，實(shí)現(xiàn)從三維空間向二維平面的轉(zhuǎn)化與過渡，這也正是Dandelin雙球模型的重要教學(xué)價(jià)值．由于教材內(nèi)容的編排順序及其知識(shí)結(jié)構(gòu)，決定了橢圓概念是實(shí)現(xiàn)圓錐曲線定義從空間向平面自然過渡的重要支點(diǎn)．

4.2 Dandelin雙球模型的重構(gòu)與橢圓概念的引出

如果直接呈現(xiàn)Dandelin雙球模型推導(dǎo)橢圓的焦半徑性質(zhì)從而引出第一定義，學(xué)生的最大困惑在于：這么巧妙的模型是怎么想到的？教學(xué)上的困難是：如何降低對(duì)立體模型的理解和證明難度？

結(jié)合學(xué)生的生活實(shí)際，可以先介紹日常聲學(xué)現(xiàn)象，如在某些建筑內(nèi)部的某個(gè)位置能聽到遠(yuǎn)處的竊竊私語，對(duì)著山谷大喊緊接著也能聽到同樣的回聲(如圖11)．由此激發(fā)學(xué)生的興趣并抽象出相應(yīng)的幾何圖形(如圖12)引出一個(gè)重要概念——橢圓的焦點(diǎn)，進(jìn)而提出問題：橢圓上的點(diǎn)與這兩個(gè)焦點(diǎn)有什么聯(lián)系？

圖11

圖12

帶著問題通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感受球在燈光下的投影，其中一種情形如圖13，投影為橢圓，球與桌面相切于一點(diǎn)．由光源電燈發(fā)出的光束與球相切成圓錐狀，并使球內(nèi)切于圓錐．將實(shí)際情形抽象轉(zhuǎn)化為幾何圖形如圖14，點(diǎn)F1為球與桌面即橢圓的切點(diǎn)．球內(nèi)切于圓錐，球與圓錐相切的所有點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)如圖14所示的切圓．因?yàn)楣饩€是可逆的，從點(diǎn)光源發(fā)出的光束也可以看作是一束光聚焦到點(diǎn)光源A上．所以橢圓的投影也可以看作是由桌面下方與桌面相切于點(diǎn)F2的另一個(gè)球的投影，從而構(gòu)造出Dandelin雙球模型，如圖15．

圖13

圖14

圖15

橢圓上的任一點(diǎn)P與兩個(gè)切點(diǎn)滿足怎樣的數(shù)量關(guān)系？如對(duì)前圖1的分析，容易得到橢圓的焦半徑性質(zhì)：橢圓上的點(diǎn)P到兩個(gè)定點(diǎn)F1、F2的距離之和為定值(如圖16)．原始定義是在空間中對(duì)圓錐曲線直觀的定性描述，不利于性質(zhì)的探討和推演．橢圓的焦半徑性質(zhì)是在平面上的一個(gè)定量化結(jié)果，與平面直角坐標(biāo)系有著天然的聯(lián)系．因此，可以考慮運(yùn)用橢圓的焦半徑性質(zhì)來定義橢圓，從而引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷概念的獲得、深化、固化與應(yīng)用過程．

以學(xué)生熟悉的生活場(chǎng)景構(gòu)建出Dandelin雙球模型，從生活世界向符號(hào)世界過渡，實(shí)現(xiàn)“橫向數(shù)學(xué)化”．然后在剖析Dandelin雙球模型的過程中獲得橢圓的焦半徑性質(zhì)進(jìn)而引出第一定義，從三維空間轉(zhuǎn)化為二維平面并從符號(hào)世界過渡到數(shù)學(xué)世界，實(shí)現(xiàn)“縱向數(shù)學(xué)化”．Dandelin雙球模型的構(gòu)建與橢圓概念的引出使圓錐曲線的不同定義有機(jī)聯(lián)系在一起，也充分體現(xiàn)了弗賴登塔爾的數(shù)學(xué)教育觀——用“數(shù)學(xué)化”[12]的方式組織教學(xué)．教學(xué)設(shè)計(jì)過程重視數(shù)學(xué)建模思想的滲透及強(qiáng)調(diào)直觀想象與數(shù)學(xué)抽象的結(jié)合，這有助于發(fā)展學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)．