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思維大一統(tǒng)|從“幾何、代數(shù)、三角”三個維度揭密幾何計算的思考策略—基于一道中考幾何計...

 周原樵翁 2019-10-29

作者:李明,男,中學(xué)高級教師,主要從事初中數(shù)學(xué)課堂教學(xué)研究,任教于江西省贛州市第一中學(xué)。

一、文章摘要

幾何證明與幾何計算是幾何中的兩個經(jīng)典話題。幾何證明需要具備條件與結(jié)論,學(xué)生善于運用“兩頭湊”的思想方法來探尋證明思路;而幾何計算是給出條件,讓學(xué)生去推理計算,很多時候?qū)W生探尋計算思路難于探尋幾何證明思路。通過對一道幾何計算題多角度解法的探究,探尋幾何計算的一般思維策略,從中感受“幾何、代數(shù)、三角”三者的密切聯(lián)系。


二、試題呈現(xiàn)

著名數(shù)學(xué)家波利亞指出:拿一個有意義而又不復(fù)雜的題目去幫助學(xué)生挖掘問題的各個方面,使得通過這道題就好像通過一道門戶,把學(xué)生引入一個完整的領(lǐng)域. 幾何計算是給出已知條件,讓學(xué)生去推理計算,許多時候?qū)W生的思維盲目,難以想到解題切入點. 以2017年重慶市中考試卷第18題(填空壓軸題)為例,從“幾何、代數(shù)、三角”三個不同維度探尋幾何計算的思路,讓學(xué)生感受幾何計算的多種解法,把學(xué)生引入一個幾何計算領(lǐng)域,提高學(xué)生解題能力和核心素養(yǎng)。

三、解法初探

此題以正方形為背景,融入翻折變換、全等、相似,難度大,計算復(fù)雜,對學(xué)生的推理要求高. 為幫助學(xué)生突破難點,筆者讓學(xué)生先獨立思考、探索、發(fā)現(xiàn),思考根據(jù)題目條件,容易求出哪些線段的長度,能推出哪些結(jié)論?

經(jīng)過探究,學(xué)生得出以下結(jié)論。


四、妙解評析

在學(xué)生獨立思考、探索的基礎(chǔ)上,全班開展小組討論,經(jīng)過合作交流,學(xué)生涌現(xiàn)出許多奇思妙想,探究出了很多精彩的計算方法。
視角一、從相似三角形與勾股定理入手
思路1:計算線段長度常??紤]用“相似三角形中對應(yīng)邊成比例”連接已知線段和未知線段的關(guān)系.相似三角形有如圖4 ~ 圖8所示的5個常用的基本圖形,筆者在教學(xué)中稱它們?yōu)椤拔宥浣鸹ā薄?/section>

在復(fù)雜圖形中,尋找或通過輔助線構(gòu)建相似基本圖形是計算線段的常用思考策略。

【解法1評析】此題要求的線段和已知條件沒有直接聯(lián)系,為此,抓住圖中的4對相似三角形(△AGF∽△CGD,△AGF∽△DGE,△FGH∽△FDE,△DEN∽△MHN)構(gòu)建線段間的等量關(guān)系,通過相似,架起溝通已知和未知的橋梁。解法1較為復(fù)雜,后3對相似三角形學(xué)生難以想到,但可以讓學(xué)生充分感受“相似法”在計算線段長度中的威力。

【解法2評析】由四邊形對角互補想到四點共圓是常用的解題策略,利用圓的性質(zhì)更容易發(fā)現(xiàn)題目中角之間的等量關(guān)系。由翻折得∠GFM =90°,通過添加輔助線構(gòu)造“三等角相似形”證出D,N,M,B 四點共線(祥見解法初探),進而發(fā)現(xiàn)OE⊥DN, OD = OA. 在“母子相似形”中知任意兩條線段的長可求出其余所有線段的長,在直角三角形中運用勾股定理計算線段長度也是最常用的方法,本解法讓學(xué)生感受“母子相似形”在計算線段長度中的應(yīng)用。

【解法3評析】解法1中求MN 的長思考難度大,解法2中求MN 的長計算量大,交流中學(xué)生又發(fā)現(xiàn)了△MEN∽△MDE (公共角型),且相似比為1∶2,從而MN =1/2EM,輕松求出MN 的長。


【思路1評析】反思上述三種解法,在復(fù)雜圖形中尋找或構(gòu)建相似三角形(上面用到了相似三角形的5個基本圖形),通過相似三角形得到線段間的比例關(guān)系,完成從已知向未知的過渡. 在幾何計算中,“相似”好比一盞亮著的燈,利用相似得到相等關(guān)系是一個重要的解題思路. 在復(fù)雜圖形的分析中,若能把圖形分解為簡單的相似基本圖形,解題思路便會豁然開朗.


視角二、從“面積比與線段比的互相轉(zhuǎn)化”入手
思路2:解題中為了尋找線段間的數(shù)量關(guān)系,還可以從圖形的面積入手. 在面積比與線段比的相互轉(zhuǎn)化中,有兩種常用思考策略:一是相似三角形的面積比等于相似比的平方;二是等高三角形的面積比等于底的比,或等底三角形的面積比等于高的比。

【解法4評析】在解法1中利用相似證明MN = 1/3DN 的方法較復(fù)雜,在交流中學(xué)生發(fā)現(xiàn)用面積比可以輕松找到MN 和DN之間的數(shù)量關(guān)系. 解題中靈活運用面積法實現(xiàn)面積比與線段比之間的相互轉(zhuǎn)化,往往可以化難為易。

視角三、從全等三角形與整體思想入手
思路3:利用全等三角形實現(xiàn)線段間的等量轉(zhuǎn)化,把求三邊和作為一個整體來計算,使運算更為簡便。

【解法5評析】在前面4種解法中,學(xué)生利用相似三角形、勾股定理、面積等知識分別求出三角形的三邊長,從而求出周長。在交流中,學(xué)生思維活躍,有學(xué)生運用整體思想想到把三邊的和作為一個整體計算。學(xué)生在探究中抓住等腰直角三角形DEF,作底邊上的高EH,證出兩對全等三角形△EKD≌△FME,△EKN ≌△FMN,從而EM+MN=DK+KN=DN,△EMN 的周長轉(zhuǎn)化成EN+DN 的長,使問題得以解決。在等腰三角形中,作底邊上的高是添加輔助線常用的方法。課堂上,教師若給學(xué)生留下思考的時間和空間,學(xué)生往往會給你帶來意外的驚喜。
視角四、從銳角三角函數(shù)與解直角三角形入手
思路4:在直角三角形中,知道一邊和一個銳角的三角函數(shù)值,可以求出該三角形的另外兩邊長,把要求線段放在直角三角形中計算。

【解法6評析】在解題教學(xué)中,筆者經(jīng)常向?qū)W生提起“相似”和“三角”是一對好朋友,“相似”和“三角”都和比值相關(guān),運用“三角法”解題往往更為簡便。解法6通篇沒有用相似,而是巧妙利用三角函數(shù)建立已知線段和未知線段的等量關(guān)系,抓住tan∠4= tan∠2=tan∠5=1/2與勾股定理,輕松求出了所求線段的長,讓學(xué)生領(lǐng)略了“三角法”在計算中的神奇表現(xiàn)。

視角五、從直角坐標系入手
思路5:要求出三角形三邊的長,從代數(shù)角度考慮,可以建立平面直角坐標系,求出線段端點坐標,從而利用兩點間距離公式或勾股定理求出線段長。

【解法7評析】坐標法是通過代數(shù)計算來完成幾何證明或計算的一種解題方法。此題要計算三角形的周長,容易想到只需要確定三角形三個頂點的坐標,問題便得以解決,相比前面相似法、全等法、面積法、三角法,思維難度大大降低。在解答時,注意把求E,N,M三點的坐標轉(zhuǎn)化為求E,N,G 三點的坐標,可以有效減小計算量. 坐標法的學(xué)習(xí)讓學(xué)生體會代數(shù)與幾何的密切聯(lián)系,可以培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)形結(jié)合能力,為學(xué)生高中學(xué)習(xí)解析幾何奠定基礎(chǔ)。


五、教學(xué)啟示

回顧此題的教學(xué),在解法初探中教師提出一個開放性的問題,讓學(xué)生從條件出發(fā),去探究能得出哪些正確結(jié)論,這是思考問題的常用方法。學(xué)生從題中已知的一條線段長出發(fā),求出了一系列線段的長,并探究出了四點共圓、四點共線,為解決問題奠定了堅實的基礎(chǔ)。綜觀上述5種思路、7種解法,學(xué)生從相似、面積、全等、三角、坐標等不同角度探究計算思路,搭建從已知通向未知的橋梁,訓(xùn)練學(xué)生從不同角度思考問題的能力,促使學(xué)生從單一的思維模式中解放出來,以創(chuàng)新思維、求異思維的方式來解決問題,較好地培養(yǎng)了學(xué)生思維的嚴密性、開闊性、發(fā)散性和靈活性。

一個令許多學(xué)生望而生畏的幾何計算填空壓軸題,課堂上學(xué)生精彩解法的展示令教師和全班學(xué)生驚嘆不已。在這道題的解法探究中,初中數(shù)學(xué)計算線段長度的常用方法在這道題中得到了淋漓盡致的呈現(xiàn).學(xué)生通過反思總結(jié),感受了幾何線段計算領(lǐng)域常用到的思想方法,如勾股定理法、面積法、全等法、相似法、三角法、坐標法等。透過每種解法的表層,抓住每種解法的本質(zhì),把握不同解法之間的聯(lián)系,能讓學(xué)生觸類旁通、舉一反三,有望達到“做一題,通一類,會一片”的較高層次效果。

解題教學(xué)的最終目標是發(fā)展學(xué)生的思維,科學(xué)精神、理性思維是核心素養(yǎng)的重要成分。通過一題多解,引發(fā)學(xué)生反思幾何計算與幾何推理之間的內(nèi)在關(guān)系,發(fā)展學(xué)生的思維能力,讓學(xué)科核心素養(yǎng)的培育落實到具體的數(shù)學(xué)教學(xué)中。

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