“一線三直角”模型的構(gòu)建與應(yīng)用*

215151 蘇州市陽(yáng)山實(shí)驗(yàn)初級(jí)中學(xué)校 趙小花

在初三數(shù)學(xué)的復(fù)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)常會(huì)碰到二次函數(shù)與幾何相關(guān)聯(lián)的探究題，因題型多樣，綜合性強(qiáng)，學(xué)生往往無(wú)從下手.如果教師在講解過(guò)程中只是就題論題，學(xué)生對(duì)題目的認(rèn)識(shí)可能只是浮于表面，是碎片化的.要想加深學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解和把握，需要幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，挖掘問(wèn)題的內(nèi)涵和外延，抓住本質(zhì)，才能達(dá)到“知一法，通一類”的效果.

筆者近期開(kāi)設(shè)了一節(jié)二次函數(shù)的專題復(fù)習(xí)課，通過(guò)對(duì)大量習(xí)題的分類與研究，確定以構(gòu)建“一線三直角”模型為本節(jié)課的主線，引導(dǎo)學(xué)生解決二次函數(shù)的一類綜合題.整節(jié)課銜接自然、流暢，題目設(shè)計(jì)精巧、有梯度，注重滲透數(shù)學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)模型解決問(wèn)題的能力，優(yōu)化解題思路，達(dá)到了預(yù)期的復(fù)習(xí)效果.

1 教學(xué)目標(biāo)

(1)掌握“一線三直角”模型的特點(diǎn)，能抓住本質(zhì)特征，根據(jù)問(wèn)題條件構(gòu)造模型，歸類并總結(jié)解題方法.

(2)經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程，滲透數(shù)形結(jié)合、分類討論、方程及模型思想，提升學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)素養(yǎng).

2 教學(xué)過(guò)程

2.1 問(wèn)題引入，激趣喚知

問(wèn)題1如圖1，在平面直角坐標(biāo)系中，OB⊥OA，且OB=2OA，已知點(diǎn)A(-1，2)，求經(jīng)過(guò)點(diǎn)A，O，B的拋物線的解析式.

圖1

師：求該拋物線解析式的關(guān)鍵是什么？

生1：確定點(diǎn)B的坐標(biāo).

師：如何確定點(diǎn)B的坐標(biāo)？

生2：構(gòu)造“一線三直角”模型，利用相似.

師：能具體說(shuō)說(shuō)嗎？

圖2

師：很好，請(qǐng)同學(xué)們求出該拋物線的解析式.

設(shè)計(jì)意圖：本節(jié)課是關(guān)于二次函數(shù)背景下的“一線三直角”模型的應(yīng)用，通過(guò)求拋物線解析式的問(wèn)題引入，給學(xué)生的思維進(jìn)行熱身，既可以喚醒已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，又能激發(fā)他們繼續(xù)探索的興趣.求點(diǎn)B的坐標(biāo)引出了“一線三直角”模型，也為接下來(lái)模型的提煉做鋪墊.

2.2 分析特征，提煉模型

師：剛剛求點(diǎn)B坐標(biāo)時(shí)，同學(xué)們構(gòu)造了“一線三直角”模型，這個(gè)模型有什么特征？請(qǐng)同學(xué)們說(shuō)一說(shuō)，畫一畫.

生4：如圖3，已知OA⊥OB，直線l經(jīng)過(guò)直角∠AOB的頂點(diǎn)O，分別過(guò)點(diǎn)A，B向直線l作垂線段AM，BN，垂足記為點(diǎn)M，N，像這樣，一條直線上有三個(gè)直角就構(gòu)成了“一線三直角”模型.

圖3

師：根據(jù)模型可以得到什么結(jié)論？

師：其他條件不變，將直線l繞點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，結(jié)論還成立嗎？如圖4，若直線l旋轉(zhuǎn)至∠AOB內(nèi)部，結(jié)論還成立嗎？

圖4

生6：證明方法是一樣的，仍然能夠證得△AMO∽△ONB，所以結(jié)論成立.

師：圖3和圖4可以分別稱為同側(cè)型和異側(cè)型的“一線三直角”模型.若將模型一般化，把三個(gè)直角改為三個(gè)相等的角，變成“一線三等角”模型，結(jié)論有什么變化？

生7：結(jié)論不變，△AMO∽△ONB.

師：若將模型特殊化，添加條件OA=OB，有什么新發(fā)現(xiàn)？

生8：相似三角形中一組等角的對(duì)邊相等時(shí)，可以得到全等，所以此時(shí)△AMO≌△ONB.

師：本節(jié)課主要研究“一線三直角”模型的構(gòu)建和應(yīng)用，其他內(nèi)容暫不深入討論.做題時(shí)可以發(fā)現(xiàn)很多題目中的“一線三直角”模型并不會(huì)被直觀、完整地呈現(xiàn)出來(lái)，需要自主構(gòu)建，有什么方法？

生9：可以分三步.第一步，找到或挖掘題目中的直角；第二步，確定經(jīng)過(guò)直角頂點(diǎn)的直線；第三步，向直線作垂線段.總結(jié)為“找直角、定直線、搭框架”.

師：非常好.接下來(lái)看看“一線三直角”模型還能夠解決哪些二次函數(shù)的相關(guān)問(wèn)題.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)習(xí)了全等和相似三角形后，學(xué)生對(duì)“一線三直角”模型已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，但結(jié)合二次函數(shù)綜合應(yīng)用時(shí)往往需要自主構(gòu)建模型，對(duì)學(xué)生的建模意識(shí)和能力也提出了更高的要求.本環(huán)節(jié)通過(guò)學(xué)生的自主展示、復(fù)習(xí)和總結(jié)，既幫助基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生熟悉模型的特征和結(jié)論，為綜合應(yīng)用做鋪墊，也有利于學(xué)生建立完整、系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu).

2.3 模型應(yīng)用，總結(jié)方法

圖5

師：讀完題目大家有什么思路？

生10：要先確定點(diǎn)B的位置，如圖6，根據(jù)OB⊥OA，過(guò)點(diǎn)O作OA的垂線，與拋物線的交點(diǎn)即為點(diǎn)B.再分別過(guò)點(diǎn)A，B作AM⊥x軸于M，BN⊥x軸于N，構(gòu)造“一線三直角”模型.

圖6

師：?jiǎn)栴}1中也是構(gòu)造模型求點(diǎn)B的坐標(biāo)，問(wèn)題1和問(wèn)題2在解法上有什么區(qū)別與聯(lián)系？

師：那要怎么做呢？

師：很好，抓住點(diǎn)的特殊位置，設(shè)坐標(biāo)列方程來(lái)求解，請(qǐng)同學(xué)們現(xiàn)在求解一下.

生13：解得t1=4，t2=0.但當(dāng)t=0時(shí)，點(diǎn)B與原點(diǎn)重合，舍去，所以t=4，得B(4,2).

師：特別好.要檢驗(yàn)方程的解是否符合題意，再確定最后結(jié)果.本題利用“一線三直角”模型求點(diǎn)的坐標(biāo)，能總結(jié)一下方法嗎？

生14：可以分五步.第一步，根據(jù)點(diǎn)的特殊位置設(shè)坐標(biāo)；第二步，挖掘題目條件構(gòu)造模型；第三步，用代數(shù)式表示相似直角三角形對(duì)應(yīng)邊的長(zhǎng)；第四步，由對(duì)應(yīng)邊成比例列方程；第五步，解方程，檢驗(yàn)，得出結(jié)果.

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}2的設(shè)計(jì)首先讓學(xué)生能夠根據(jù)垂直，作圖確定點(diǎn)的位置，為接下來(lái)直角三角形的存在性問(wèn)題畫圖做鋪墊.再通過(guò)將本題與問(wèn)題1進(jìn)行比較分析，學(xué)生感受平面直角坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)是解題的立足點(diǎn)，也是列方程的關(guān)鍵點(diǎn)，所以要抓住點(diǎn)的特殊位置，用字母表示數(shù)設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)，再運(yùn)用“一線三直角”模型理論解決問(wèn)題，充分滲透了數(shù)形結(jié)合和方程思想.

2.4 變式練習(xí)，靈活應(yīng)用

師：通過(guò)剛剛兩道題的探究，同學(xué)們覺(jué)得使用“一線三直角”模型的主要條件是什么？

眾生：要有直角.

師：看到直角還能想到什么？

眾生：直角三角形、矩形、正方形……

師：這些圖形都自帶直角，為模型的使用提供了必要的條件，將這些圖形放到二次函數(shù)的背景下又會(huì)出現(xiàn)什么新的問(wèn)題呢？來(lái)看下面這道題.

圖7

師：本題是直角三角形的存在性問(wèn)題，該如何處理？

生15：要使△ACP為直角三角形，需先分類討論確定點(diǎn)P的位置.

師：有幾種情況？如何分類？

生16：有三種情況，可以按邊、角或頂點(diǎn)分類.

師：哪種分類更有利于作圖找點(diǎn)P？請(qǐng)具體說(shuō)說(shuō)怎么作圖.

生17：按頂點(diǎn)分類最為簡(jiǎn)便，如圖8，聯(lián)結(jié)AC.(1)若點(diǎn)A為直角頂點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)A作線段AC的垂線，與x軸的交點(diǎn)記為P1；(2)若點(diǎn)C為直角頂點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)C作線段AC的垂線，與x軸的交點(diǎn)記為P2，情況不存在，舍去；(3)若點(diǎn)P為直角頂點(diǎn)，則AC為斜邊，以AC為直徑作圓，與x軸的交點(diǎn)記為P3，此時(shí)AP3⊥x軸.

圖8

師：確定了點(diǎn)P的位置后，如何求坐標(biāo)？

生18：根據(jù)上題總結(jié)的方法，先設(shè)點(diǎn)P的坐標(biāo)，因?yàn)辄c(diǎn)P在x軸上，設(shè)P(t，0)，再通過(guò)“找直角、定直線、搭框架”構(gòu)造“一線三直角”模型.

師：直角很明顯，但過(guò)直角頂點(diǎn)的直線可以有無(wú)數(shù)條，要怎么確定？

生19：在平面直角坐標(biāo)系中，一般過(guò)直角頂點(diǎn)作平行于x軸或平行于y軸的直線，便于表示點(diǎn)的坐標(biāo).

師：非常好，要找“橫平豎直”的直線，請(qǐng)簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)解題過(guò)程.

圖9

師：還有其他求點(diǎn)P1坐標(biāo)的方法嗎？

生21：可以過(guò)點(diǎn)A向x軸作垂線段，利用射影定理求解，本質(zhì)上是構(gòu)造了異側(cè)型“一線三直角”模型.

生22：可以根據(jù)AP1⊥AC得到這兩條線段所在直線的比例系數(shù)積為-1，通過(guò)解析式法求點(diǎn)P1的坐標(biāo).

生23：還可以利用兩點(diǎn)距離公式表示△ACP中各邊的平方，根據(jù)勾股定理列方程求解.

師：很好.同學(xué)們可以嘗試不同方法求解，比較方法的優(yōu)劣，根據(jù)不同題目，選擇最優(yōu)解法.

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)先引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)直角聯(lián)想到與直角有關(guān)的圖形，自然地過(guò)渡到用“一線三直角”模型來(lái)解決圖形的存在性問(wèn)題，同時(shí)融入動(dòng)點(diǎn)，讓學(xué)生確定直角三角形分類的標(biāo)準(zhǔn)，滲透分類討論數(shù)學(xué)思想.在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)學(xué)生作圖、師生問(wèn)答的方式，學(xué)生深化對(duì)模型構(gòu)造的理解，把握解題方法.最后，除了總結(jié)得出一般方法外，讓學(xué)生拓展思路，一題多解，發(fā)散思維.

2.5 舉一反三，思維拓展

師：?jiǎn)栴}3中條件不變，你還能提出其他直角三角形的存在性問(wèn)題嗎？

生24：在y軸上是否存在一點(diǎn)P，使得以A，C，P為頂點(diǎn)的三角形是直角三角形？若存在，求出點(diǎn)P的坐標(biāo)，若不存在，請(qǐng)說(shuō)明理由.

生25：在拋物線的對(duì)稱軸上是否存在一點(diǎn)P，使得以A，C，P為頂點(diǎn)的三角形是直角三角形？若存在，求出點(diǎn)P的坐標(biāo)，若不存在，請(qǐng)說(shuō)明理由.

生26：在拋物線上是否存在一點(diǎn)P，使得以A，C，P為頂點(diǎn)的三角形是直角三角形？若存在，求出點(diǎn)P的坐標(biāo)，若不存在，請(qǐng)說(shuō)明理由.

師：很好，問(wèn)題3和這三道題都是典型的直角三角形的存在性問(wèn)題，請(qǐng)同學(xué)們分組求點(diǎn)P的坐標(biāo)，并思考這類問(wèn)題中動(dòng)點(diǎn)的位置有什么特點(diǎn)？

生27：一般在x軸、y軸、二次函數(shù)對(duì)稱軸或者函數(shù)圖像上等，目的是使設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)中只含有一個(gè)未知數(shù)，或者使橫坐標(biāo)確定，或者使縱坐標(biāo)確定，或者使橫縱坐標(biāo)之間可以建立聯(lián)系，這樣才能列方程求出未知數(shù)的值.

師：?jiǎn)栴}3條件依然不變，請(qǐng)同學(xué)們嘗試將直角三角形的存在性問(wèn)題拓展到四邊形.

生28：點(diǎn)P是對(duì)稱軸上一點(diǎn)，點(diǎn)Q為平面內(nèi)任意一點(diǎn)，是否存在以A，C，P，Q為頂點(diǎn)的四邊形是矩形？若存在，求出點(diǎn)P，Q的坐標(biāo)，若不存在，請(qǐng)說(shuō)明理由.

師：非常好.矩形具備平行四邊形的特性又含有直角，本質(zhì)上是將直角三角形的存在性問(wèn)題與平行四邊形的存在性問(wèn)題相結(jié)合，平行四邊形的存在性問(wèn)題前面已經(jīng)講過(guò)，同學(xué)們可以嘗試求解.

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)設(shè)置了較為開(kāi)放性的問(wèn)題，也提升了一定的難度，讓學(xué)生站在更高的角度思考問(wèn)題，從看題、做題到自主編題，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)提出了更高的要求.直角三角形、矩形、正方形等都是含有直角的圖形，通過(guò)舉一反三，學(xué)生抓住這一類問(wèn)題的特征，形變質(zhì)不變，最后歸納總結(jié)，形成類型問(wèn)題的完整解題策略.

3 教學(xué)思考

3.1 抓住模型特征，滲透模型思想

初中數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)離不開(kāi)數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型來(lái)源于對(duì)數(shù)學(xué)規(guī)律的總結(jié)、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的積累，是基于知識(shí)典型結(jié)構(gòu)的特殊總結(jié)，因此模型通常具有鮮明特征[1].只有抓住模型特征才能正確構(gòu)建模型得到相應(yīng)結(jié)論，所以在以數(shù)學(xué)模型建構(gòu)與應(yīng)用為主線的復(fù)習(xí)教學(xué)中有兩個(gè)重點(diǎn)：一是抓住模型特征，二是滲透模型思想.本節(jié)課在提煉模型環(huán)節(jié)給了學(xué)生充分表達(dá)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生進(jìn)行特征總結(jié)，理解模型結(jié)構(gòu)，為后續(xù)順利構(gòu)建模型和應(yīng)用模型做鋪墊.而模型思想的滲透屬于更高層面，需要教師在平時(shí)的教學(xué)中有意識(shí)地帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)建模過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)生建模方法，從模型的角度思考問(wèn)題，從根本上提升數(shù)學(xué)素養(yǎng).

3.2 關(guān)注知識(shí)生長(zhǎng)，構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)

《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：數(shù)學(xué)知識(shí)的教學(xué)，要注重知識(shí)的“生長(zhǎng)點(diǎn)”與“延伸點(diǎn)”，把每堂課所要教授的知識(shí)置于整體知識(shí)的體系中，注重知識(shí)的結(jié)構(gòu)和體系[2].本節(jié)課以“一線三直角”模型的提煉、構(gòu)建及應(yīng)用為主線，問(wèn)題設(shè)計(jì)以同一條拋物線為載體，讓學(xué)生在整體上搭建知識(shí)框架.而從局部上看，將模型教學(xué)與其他知識(shí)點(diǎn)相串聯(lián)，層層鋪墊，形成一條問(wèn)題鏈，逐步讓學(xué)生掌握解題方法和解題思路.最后又引導(dǎo)學(xué)生對(duì)題目進(jìn)行拓展，舉一反三，培養(yǎng)學(xué)生高水平思維能力，讓知識(shí)得以自然地生長(zhǎng)與延伸.

3.3 重視歸納總結(jié)，增進(jìn)復(fù)習(xí)實(shí)效

模型教學(xué)的復(fù)習(xí)課中，對(duì)數(shù)學(xué)思想和數(shù)學(xué)方法的總結(jié)也尤為重要.本節(jié)課的探究過(guò)程中教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了四次歸納總結(jié)：一是挖掘模型特征，總結(jié)構(gòu)建模型的三步法；二是對(duì)比問(wèn)題條件，總結(jié)拋物線中求點(diǎn)的坐標(biāo)的五步法；三是讓學(xué)生自主作圖，總結(jié)直角三角形三種分類標(biāo)準(zhǔn)；四是運(yùn)用模型解決問(wèn)題的過(guò)程中，總結(jié)二次函數(shù)中存在性問(wèn)題模型.通過(guò)及時(shí)歸納總結(jié)幫助學(xué)生關(guān)注細(xì)節(jié)，掌握完整的模型解題過(guò)程，認(rèn)識(shí)問(wèn)題的本質(zhì)規(guī)律，達(dá)到“知一法，通一類”的效果，增強(qiáng)復(fù)習(xí)實(shí)效.