新教材“數(shù)學(xué)探究”活動的教學(xué)實(shí)踐與思考
——以“用向量法研究三角形的性質(zhì)”為例

周 潔

《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：數(shù)學(xué)探究活動是圍繞某個具體的數(shù)學(xué)問題，開展自主探究、合作研究并最終解決問題的過程。數(shù)學(xué)探究活動是一項(xiàng)綜合實(shí)踐活動，也是高中階段數(shù)學(xué)課程的重要內(nèi)容之一，其一般步驟是：發(fā)現(xiàn)并提出有探究價值的數(shù)學(xué)問題；對有可能的數(shù)學(xué)結(jié)論進(jìn)行合理的猜測；提出解決問題的思路或具體方案；運(yùn)用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識，通過自主探索或合作研究等方式，對提出的數(shù)學(xué)結(jié)論加以論證。

研讀新課標(biāo)和新教材，可以理出三條線索——“數(shù)學(xué)文化”“數(shù)學(xué)探究”“數(shù)學(xué)建模”，它們既是貫通新教材的三條“暗線”，又是學(xué)生活動的三條“明線”。在新蘇教版教材中，正文部分的“探究”，習(xí)題部分的“探究·拓展”，章節(jié)末的“問題與探究”，為學(xué)生提供了豐富的探究素材。在新人教A版教材中，同樣在正文部分穿插了“探究”，在習(xí)題部分安排了“拓廣探索”，部分章節(jié)后設(shè)置了“探究與發(fā)現(xiàn)”欄目，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考、自主探究、合作交流。筆者在一次活動中以“用向量法研究三角形的性質(zhì)”為題進(jìn)行了數(shù)學(xué)探究專題課的教學(xué)實(shí)踐，這里試作記述，以供參考。

一、學(xué)情與教材分析

聽講本課的學(xué)生來自一所普通高中新課程新教材實(shí)施國家級示范校，學(xué)生有扎實(shí)的學(xué)業(yè)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，具備數(shù)學(xué)探究的積極性和主動性。

本節(jié)課所用教材為新人教A版必修第二冊第六章“平面向量及其應(yīng)用”，教材在章末以專題形式設(shè)置了3課時的“數(shù)學(xué)探究”專題活動，本課例為其中的第1課時。

三角形是最重要最基本的幾何圖形之一，三角形的性質(zhì)非常豐富，是聯(lián)系各種幾何圖形的紐帶，也是培養(yǎng)邏輯推理能力、發(fā)展理性思維的最佳載體之一。初中階段，學(xué)生研究過三角形的一些基本性質(zhì)，但還不夠深入。本章所學(xué)的向量集數(shù)與形于一身，每一種向量運(yùn)算都有相應(yīng)的幾何意義，因此以三角形為研究對象，用向量法對它的性質(zhì)進(jìn)行再研究，可以使學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上，更系統(tǒng)地掌握三角形的性質(zhì)，同時加深理解向量法在研究幾何問題中的作用，并且在這個過程中，使學(xué)生對“數(shù)學(xué)探究”活動形成較為完整的體驗(yàn)。

二、教學(xué)目標(biāo)

發(fā)展學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)是高中數(shù)學(xué)教學(xué)的導(dǎo)向，本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置正是基于這一理念。通過創(chuàng)設(shè)合適的教學(xué)情境來啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生從特殊到一般，歸納方法，把握本質(zhì)。具體可分為以下三點(diǎn)：

①通過用向量法證明平面幾何中已學(xué)的三角形的性質(zhì)，體驗(yàn)向量法在證明幾何圖形性質(zhì)中的作用；

②通過用向量法研究三角形性質(zhì)的過程，歸納出用向量法研究幾何問題的一般步驟，體會數(shù)形結(jié)合的數(shù)學(xué)思想；

③通過用向量法對三角形其他性質(zhì)的探究，體會探究活動的價值、合作交流的意義，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的邏輯表達(dá)能力，提升直觀想象、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯推理、數(shù)學(xué)抽象等數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)。

三、主要教學(xué)環(huán)節(jié)

課間播放3分鐘自制小視頻“勾股定理的證明”。

1.小試牛刀。

課前播放的小視頻中，我們欣賞了古今中外證明勾股定理的各種方法，結(jié)合本節(jié)課的課題“用向量法研究三角形的性質(zhì)”，你會用向量法證明勾股定理嗎？（學(xué)生口答）

【設(shè)計意圖】三角形是平面幾何中最常見的圖形之一，其中最特殊的要數(shù)直角三角形，從學(xué)生熟悉的話題出發(fā)，營造輕松的探究范圍。用向量法證明勾股定理，只用到了向量的加法運(yùn)算和數(shù)量積運(yùn)算，學(xué)生可以初步體會到教材上的一句話——“有了運(yùn)算，向量的力量無限”——的含義。

直角三角形中還有一些常用性質(zhì)，例如：射影定理，斜邊中線定理等，你能用向量法證明嗎？

學(xué)生自主完成后，請代表上臺對照實(shí)物投影講解。

還記得用初中平面幾何的方法怎樣證明這兩個定理嗎？相比而言，你覺得向量法有沒有優(yōu)越性？

【設(shè)計意圖】聚焦直角三角形，用向量法證明直角三角形中常用性質(zhì)，對比初中證法，向量法無需添加輔助線，不需要太多定理的支撐，只要通過計算，就能得到結(jié)論，體會向量法在證明幾何圖形性質(zhì)中的作用，激發(fā)學(xué)生探究的興趣。

2.溫故知新。

這樣的例子其實(shí)我們接觸了不少呢，請大家快速瀏覽教材第7-46頁的例題和習(xí)題，找一找哪些例子也能體現(xiàn)用向量法研究三角形性質(zhì)的優(yōu)越性。請你結(jié)合課本的例題、習(xí)題，談一談向量法在證明幾何圖形性質(zhì)中的作用。

【設(shè)計意圖】向量是數(shù)形結(jié)合的完美載體，我們所學(xué)的各種向量運(yùn)算都有相應(yīng)的幾何意義。例如：向量的加、減法運(yùn)算遵循平行四邊形法則、三角形法則，可以和平行四邊形、三角形建立聯(lián)系；數(shù)乘向量運(yùn)算可以與直線的平行、線段的比例、圖形的相似建立聯(lián)系；向量的數(shù)量積運(yùn)算可以與兩點(diǎn)間距離、夾角等建立密切的聯(lián)系。用“找一找”“議一議”的方式，引導(dǎo)學(xué)生思考在證明三角形性質(zhì)的過程中用到了向量的哪些運(yùn)算，各種運(yùn)算的主要作用是什么。學(xué)生具有更多的選擇權(quán)、自主權(quán)是探究活動區(qū)別于接受式學(xué)習(xí)的重要特點(diǎn)，學(xué)生從被動到主動，從跟著老師的思路走向自主選擇、自主思考、自主探究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合作與交流，獲得能力的提升。

思考：向量方法的意義何在？從這些例子中，你能總結(jié)用向量法研究幾何問題的步驟嗎？

在學(xué)生發(fā)言的基礎(chǔ)上概括用向量方法研究幾何問題的步驟：（1）轉(zhuǎn)化，即用向量表示幾何圖形中的幾何元素，如點(diǎn)、線段、夾角等，將平面幾何問題轉(zhuǎn)化為向量問題，建立“形”與“數(shù)”之間的聯(lián)系；（2）運(yùn)算，即通過向量運(yùn)算，結(jié)合運(yùn)算的幾何意義，研究幾何元素之間的關(guān)系；（3）翻譯，即用向量運(yùn)算的結(jié)果解釋幾何圖形中的關(guān)系，得到相應(yīng)幾何問題的結(jié)論。

【設(shè)計意圖】由于向量能夠運(yùn)算，因而它可以把原本較為復(fù)雜的思辨過程轉(zhuǎn)化為較為直接的運(yùn)算過程，降低了思考問題的難度。通過用向量法研究三角形性質(zhì)的過程，掌握用向量法研究幾何問題的一般方法，體會數(shù)形結(jié)合的數(shù)學(xué)思想。提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，不是一句空洞的口號，而是要落實(shí)在具體的教學(xué)過程中。在數(shù)學(xué)探究活動中，學(xué)生需要充分調(diào)用已有的數(shù)學(xué)知識和方法，獨(dú)立自主地建構(gòu)知識體系，才能解決問題，對學(xué)生的直覺思維能力、理性思維能力的提升都有非常積極的作用。

3.鞏固提升。

新人教A版第52頁復(fù)習(xí)鞏固第2題關(guān)注的是三角形外心、重心、垂心的向量表示。讓我們聚焦三角形的“心”，我們知道垂心是三條高的交點(diǎn)，重心是三條中線的交點(diǎn)，外心是三條邊的中垂線的交點(diǎn)，如果在同一個三角形中作出它的垂心、重心、外心，你有什么想法？

三角形的外心、重心、垂心三點(diǎn)共線，且重心到垂心的距離是重心到外心距離的兩倍。這一觀點(diǎn)是1765年萊昂哈德·歐拉在他的著作《三角形的幾何學(xué)》中首次提出的，這條直線被后人稱為三角形的歐拉線。

嘗試證明：在三角形ABC中，垂心H，重心G，外心O三點(diǎn)共線，且HG=2GO。

【設(shè)計意圖】除了用向量方法對已證的結(jié)論進(jìn)行證明，我們還可以用向量方法證明以往未加證明或自己新發(fā)現(xiàn)的結(jié)論。在進(jìn)行數(shù)學(xué)研究時，站在新的高度或從新的角度重新審視研究對象，選擇新的工具或新的方法再研究，往往可以加深對研究對象的認(rèn)識，甚至可以有新的發(fā)現(xiàn)。在探究活動中，我們要鼓勵學(xué)生克服慣性思維，樂于接受新的挑戰(zhàn)，以持之以恒的探究精神，獲得積極的情感體驗(yàn)，形成科學(xué)的思維方式。

4.課后探究。

布置探究作業(yè)：用向量法研究三角形的性質(zhì)。方式：獨(dú)立探究、小組合作。成果展示：撰寫研究報告，現(xiàn)場匯報答辯。具體要求參看課本第65-66頁。

【設(shè)計意圖】鼓勵學(xué)生利用課余時間開展數(shù)學(xué)探究活動，其過程包括提出數(shù)學(xué)問題、解決數(shù)學(xué)問題、得到相關(guān)結(jié)論、總結(jié)反思改進(jìn)。課題研究能有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛力，對培養(yǎng)學(xué)生的探究意識和探究能力有著積極的作用。

四、案例反思與啟示

數(shù)學(xué)家波利亞指出，學(xué)習(xí)任何知識的最佳途徑是自己去發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@種發(fā)現(xiàn)理解最深，也最容易掌握其中的內(nèi)在規(guī)律、性質(zhì)和聯(lián)系。新教材為我們提供了豐富的開展數(shù)學(xué)探究活動的素材，如能用好這些素材，精心設(shè)計適合學(xué)生的數(shù)學(xué)探究活動，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，而且對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提升數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)會起到積極有效的作用。

1.精選探究問題，引領(lǐng)探究活動。

作為探究載體的問題來源可以有多種途徑，既可以利用現(xiàn)有的資源，如教科書、教學(xué)參考書、專業(yè)網(wǎng)站等，由教師篩選、設(shè)計、提供，還可以是動態(tài)的生成性的問題，如學(xué)生在生活或?qū)W習(xí)中提出的問題，解決已有問題后提出的拓展性問題等。教師常常以問題串的形式引領(lǐng)學(xué)生的探究活動，問題串的設(shè)計要有一點(diǎn)的難度和梯度，要有思維含量。

2.創(chuàng)造探究條件，指導(dǎo)探究方法。

除了課堂上的探究，還可以適當(dāng)利用“綜合實(shí)踐活動”的課時，或結(jié)合學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生利用課余時間開展數(shù)學(xué)探究活動。在學(xué)生開展探究活動時，教師要注意了解學(xué)生活動的進(jìn)展，并在發(fā)現(xiàn)值得研究的數(shù)學(xué)問題、建構(gòu)探究的思路、形成解題的方法等方面加強(qiáng)指導(dǎo)。課余指導(dǎo)學(xué)生調(diào)用不同的數(shù)學(xué)知識解決問題，通過對問題的拓展、推廣等，發(fā)現(xiàn)更多的數(shù)學(xué)問題，獲得更多的數(shù)學(xué)結(jié)論。對于初次進(jìn)行數(shù)學(xué)探究課題研究的學(xué)生，教師應(yīng)在選題、開題、做題、結(jié)題等各環(huán)節(jié)進(jìn)行較為具體的指導(dǎo)。

3.多元探究評價，鞏固探究成果。

對于學(xué)生的數(shù)學(xué)探究活動，無論是評價的主體還是評價的角度都應(yīng)是多元的。首先，要引導(dǎo)學(xué)生自我評價，尤其是對探究過程的反思與評價。其次，可以引導(dǎo)同伴間相互評價，通過交流與分享，修正、改進(jìn)、完善探究的成果。通過多元的探究評價，可以使學(xué)生積累探究活動的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會如何提出觀點(diǎn)，如何發(fā)表意見，如何開展團(tuán)隊合作，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，并激勵學(xué)生以更加飽滿的熱情投入到新的數(shù)學(xué)探究活動中，提升探究效果，鞏固探究成果。