挖掘素材價(jià)值 探索解題通法*

楊春霞

(江蘇省南京市第二十九中學(xué)初中部 210003)

諸士金

(江蘇省南京市橫梁初級(jí)中學(xué) 211515)

在解題教學(xué)中，部分教師只是教給學(xué)生具體的解法，而對(duì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)本質(zhì)揭示得不夠全面.選取有價(jià)值的試題素材，有策略地進(jìn)行解題教學(xué)，讓解題思路有跡可循，讓學(xué)生有法可依、學(xué)會(huì)解題通法，應(yīng)是解題教學(xué)的價(jià)值訴求.筆者以在中考復(fù)習(xí)教學(xué)中遇到的一道2021年南京市中考填空壓軸題為例，進(jìn)行有關(guān)解題教學(xué)的思考.

1 問(wèn)題呈現(xiàn)與價(jià)值分析

圖1

本題以平行四邊形為基礎(chǔ)圖形，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換進(jìn)行構(gòu)圖，呈現(xiàn)形式簡(jiǎn)潔優(yōu)美，題小意長(zhǎng).試題立足幾何核心知識(shí)，綜合考查了平行四邊形的判定與性質(zhì)、圖形運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性質(zhì)、相似三角形的判定與性質(zhì)、全等三角形的判定與性質(zhì)以及方程(組)思想等初中數(shù)學(xué)的主要知識(shí)點(diǎn).考查內(nèi)容較為全面，需要學(xué)生借助幾何直觀和空間想象感知平行四邊形在旋轉(zhuǎn)變換過(guò)程中的“變”與“不變”，厘清圖形局部元素中角、線段之間的關(guān)系，并能在較為復(fù)雜的模型中把握?qǐng)D形整體之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的有效模型，形成有條理、合乎邏輯的解題路徑.試題在解法上貫徹了求線段長(zhǎng)度的通性通法，教師可以通過(guò)類(lèi)似素材的解題教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維和理性精神.

2 解法分析與通法探究

圖2

此題是一道填空題，題型雖小，難度卻不小.進(jìn)行小題大做，深挖素材隱含的數(shù)學(xué)知識(shí)與解題方法，才能凸顯其教學(xué)價(jià)值.本題點(diǎn)B′落在BC上，則點(diǎn)D恰好落在D′C′上，看似巧合，實(shí)則必然.這點(diǎn)可以利用同一法簡(jiǎn)要說(shuō)明：如圖2，連結(jié)DD′，易證△ABB′∽△ADD′，故∠B=∠AB′B=∠ADD′=∠AD′D.又∠B=∠AB′C′,且∠AB′C′=∠AD′C′,所以∠AD′C′=∠AD′D,即點(diǎn)D在線段D′C′上.

由點(diǎn)B和點(diǎn)D位置的特殊性，使得圖形整體關(guān)系豐富，能夠產(chǎn)生很多相似圖形.因此本題的構(gòu)圖視野寬、解題路徑廣，宜為教學(xué)所用.下面從相似基本圖形的角度出發(fā)，進(jìn)行解法分析與通法探究.

2.1 基于相似基本圖形“X型”構(gòu)圖

在尋找或構(gòu)造相似三角形模型時(shí)，常見(jiàn)的X型構(gòu)圖求線段長(zhǎng)是一個(gè)思考方向.本題首先可以線段CE所在三角形△B′CE為直接研究對(duì)象，嘗試尋找或構(gòu)造與之成X型相似的基本圖形.

圖3 圖4

圖5

分析本題由旋轉(zhuǎn)容易想到的是△ABB′與△ADD′相似，從而可得線段DD′和DC′的長(zhǎng)度，后面很多方法都會(huì)用到DD′和DC′的長(zhǎng)，不再贅述.方法1以CE為研究對(duì)象，從直觀上感知△DEC′與△B′EC呈X型相似，根據(jù)相似的性質(zhì)，構(gòu)建比例式進(jìn)行求解.值得注意的是，這里的比例式其實(shí)隱含的是兩個(gè)關(guān)于EC和EC′的二元一次方程，對(duì)學(xué)生的代數(shù)推理能力和運(yùn)算能力要求較高，很多學(xué)生會(huì)被這兩組比例式困住，難以得解.方法2和方法3均以CE所在的△B′CE為對(duì)象，分別過(guò)點(diǎn)C′和點(diǎn)D作輔助線，得到兩組相似.雖然需要構(gòu)造相似，但計(jì)算難度比方法1要小，因此各有千秋.

2.2 基于相似基本圖形“A型”構(gòu)圖

A型相似也是常見(jiàn)的相似基本圖形.本題構(gòu)造A型圖可以把CE所在的三角形△B′CE，或DE所在的三角形△DCE作為研究對(duì)象，尋找或構(gòu)造與之成A型相似的基本圖形.

圖6 圖7

圖8

分析方法4～方法6都是構(gòu)造A型相似，但構(gòu)造的思路不一樣.方法4直接以CE邊為研究對(duì)象，在△B′EC的外部，即B′E和B′C的延長(zhǎng)線上構(gòu)造，其中點(diǎn)F的確定是思維上的一個(gè)難點(diǎn)，需要結(jié)合圖形整體感知，選擇出這樣的一個(gè)特殊點(diǎn).方法5則以與CE相關(guān)的線段DE為研究對(duì)象，在△DEC′的兩邊DE和DC′的延長(zhǎng)線上過(guò)點(diǎn)C構(gòu)造“A型”.與方法5不同之處在于，方法6是在△DEC′的另兩邊C′E和C′D的延長(zhǎng)線上過(guò)點(diǎn)D′構(gòu)造“A型”.

2.3 基于“一線三等角”模型構(gòu)圖

審題時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，∠ABB′=∠AB′C，且這兩個(gè)角的頂點(diǎn)在同一條直線上，由直觀感知和已有的構(gòu)圖經(jīng)驗(yàn)，容易想到“一線三等角”模型.因此，可以嘗試從“一線三等角”的基本圖形出發(fā)，構(gòu)造相似來(lái)求線段長(zhǎng).

圖9 圖10

圖11

分析方法7是從右下角向構(gòu)造一線三等角模型靠攏，形成以BC為一線，∠B=∠AB′C′=∠B′FC′為三等角的模型，得到△ABB′與△B′FC′相似解決問(wèn)題.方法8和方法9同樣是基于“一線三等角”模型，分別過(guò)點(diǎn)C和點(diǎn)E作平行來(lái)構(gòu)造相似.

2.4 基于補(bǔ)全平行四邊形構(gòu)相似

在構(gòu)造“一線三等角”的過(guò)程中，“一線”托住了三個(gè)“等角”，這樣的直觀構(gòu)圖感知在本題解法探究中還可以帶來(lái)不一樣的啟示，比如用“一線”托住凸出的角，將其補(bǔ)全為一個(gè)平行四邊形.

圖12

圖13

分析方法10在點(diǎn)D′處作平行補(bǔ)全了平行四邊形，往一線三等角模型方向去靠攏，但在靠攏中卻發(fā)現(xiàn)，此處并不是一線三等角，而是一線二等角，柳暗花明又一村，∠M=∠ADD′為證明三角形相似提供了新的思路.類(lèi)似地，也可以在點(diǎn)B、點(diǎn)C及點(diǎn)C′處補(bǔ)全平行四邊形，構(gòu)造圖13～ 圖15進(jìn)行解決.這四種方法均是通過(guò)構(gòu)造平行四邊形，形成一線二等角的模型，然后再尋找三角形相似，建立線段比例關(guān)系求得CE長(zhǎng).

圖14 圖15

2.5 基于平移轉(zhuǎn)化構(gòu)相似

在方法1的分析中，我們知道△ABB′∽△ADD′是比較容易發(fā)現(xiàn)的，而要求線段CE的長(zhǎng)，思考CE所在△B′CE與△ADD′的關(guān)系也是聯(lián)想的一個(gè)自然方向.因此，能否在△ADD′內(nèi)尋找或構(gòu)造與△B′CE相似的圖形呢？這里借助圖形變化中的平移縮放就可以得到如下的方法.

圖16 圖17

分析方法11與12的解題思路類(lèi)似，均源于通過(guò)平移縮放構(gòu)造與△B′CE相似的直觀感知.在幾何解題中，與相似的幾種常見(jiàn)基本圖形一樣，平移縮放也是相似構(gòu)圖的一個(gè)重要切入點(diǎn).方法11、12都是將△B′CE往上平移縮放與△ADD′進(jìn)行相似構(gòu)圖，不同的是，一個(gè)是以AD為對(duì)應(yīng)邊構(gòu)圖，另一個(gè)是以AD′為對(duì)應(yīng)邊構(gòu)圖.

3 解題啟示與教學(xué)建議

在解題教學(xué)中，既要讓學(xué)生知其然，更要讓學(xué)生知其所以然，注重解題思路的探尋過(guò)程，積累思維活動(dòng)經(jīng)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷怎樣審題、怎樣想到思路方法、為什么要這樣想、還可以怎樣想的過(guò)程，通過(guò)對(duì)一道題目的講解，達(dá)到做一題通一類(lèi)的效果，這是解題教學(xué)的價(jià)值所在.本題解法豐富，從其中任何一種相似的基本模型出發(fā)，都能自然產(chǎn)生解題路徑.而解法的自然生成，需要我們?cè)谄綍r(shí)的幾何解題教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散聯(lián)想、模型意識(shí)和結(jié)構(gòu)化思想，讓學(xué)生想得到、想得通、想得妙！

3.1 關(guān)注發(fā)散聯(lián)想，弄清怎么想

怎么做固然重要，怎么想更為重要.波利亞告訴我們，解題離不開(kāi)最近聯(lián)想，從條件出發(fā)，從問(wèn)題出發(fā)，從知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，從數(shù)學(xué)基本模型出發(fā)，都是可以進(jìn)行聯(lián)想的方向.教學(xué)中要多鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從上述方向發(fā)散思維，進(jìn)行聯(lián)想.比如，由本題已知條件出發(fā)進(jìn)行最近聯(lián)想，你可以初步得到哪些結(jié)論？整合條件和問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步聯(lián)想，要求線段CE的長(zhǎng)需要做什么？再比如，從旋轉(zhuǎn)這一知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，你可以得到什么？從基本模型出發(fā)，本題圖形中你又發(fā)現(xiàn)了哪些常見(jiàn)的基本圖形？由此獲得更多的需知對(duì)象.數(shù)學(xué)是思維的體操，解題教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行最近聯(lián)想，學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)的方式發(fā)散思維，提高數(shù)學(xué)思維能力，積累解題活動(dòng)經(jīng)驗(yàn).

3.2 關(guān)注數(shù)學(xué)模型，聚焦怎么做

在本題的解法探索過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，解題路徑的自然生成離不開(kāi)數(shù)學(xué)的基本模型.本題幾乎覆蓋了相似圖形中所有常見(jiàn)的基本圖形，一是基于相似基本模型，往熟悉的基本圖形X型、A型構(gòu)造相似；二是基于相似的經(jīng)典模型，往“一線三等角”構(gòu)造相似；三是基于空間想象，借助補(bǔ)全平行四邊形構(gòu)造相似；四是基于幾何直觀，借助圖形平移變換構(gòu)造相似.從每一種相似基本圖形出發(fā)均可找到解題方向，成功抵達(dá)，從而形成多樣的解法.因此，在平時(shí)的教學(xué)中，教師應(yīng)強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)學(xué)建模意識(shí)，一方面要共同歸納常見(jiàn)的幾何模型，深刻理解模型的關(guān)鍵特征；另一方面要引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地從復(fù)雜的圖形中分解出或補(bǔ)全為常見(jiàn)的基本圖形，從而把陌生的、復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為熟悉的、簡(jiǎn)單的問(wèn)題，提高學(xué)生的模型意識(shí)和利用模型解決問(wèn)題的能力.

3.3 關(guān)注知識(shí)結(jié)構(gòu)，重視回頭看

數(shù)學(xué)的解題研究看似解決一個(gè)問(wèn)題，實(shí)則要教給學(xué)生思考問(wèn)題的方式，由一個(gè)問(wèn)題打通知識(shí)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，將碎片化的知識(shí)結(jié)構(gòu)化，形成解決問(wèn)題的通性通法，從而解決更多問(wèn)題.本題目標(biāo)是求線段CE的長(zhǎng)度；對(duì)于線段求長(zhǎng)問(wèn)題，在整個(gè)初中階段有很多方法，如利用線段和差、倍數(shù)等數(shù)量關(guān)系求長(zhǎng)，利用勾股定理三邊關(guān)系求長(zhǎng)，利用全等三角形的相等關(guān)系求長(zhǎng)，利用相似三角形的比例關(guān)系求長(zhǎng)，利用三角函數(shù)邊角關(guān)系求長(zhǎng)等，這些方法串聯(lián)起來(lái)就形成了一個(gè)線段求長(zhǎng)的知識(shí)鏈條，也就是線段求長(zhǎng)的通法.而本題利用相似求線段CE的長(zhǎng)度即是這個(gè)知識(shí)鏈條中的一個(gè)知識(shí)節(jié)點(diǎn).解題教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生梳理這樣的知識(shí)與方法鏈條，從而形成知識(shí)結(jié)構(gòu)網(wǎng).對(duì)于解決問(wèn)題的通性通法，需要引導(dǎo)學(xué)生不斷地總結(jié)和回顧反思，才能讓學(xué)生在遇到新的問(wèn)題時(shí)有法可想、有路可走，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)高階思維，形成自主探究問(wèn)題的解題經(jīng)驗(yàn).

波利亞曾說(shuō)：“如果你希望從自己的努力中取得最大的收獲，就要從已經(jīng)解決了的問(wèn)題中找出那些對(duì)處理將來(lái)的問(wèn)題可能有用的特征.”[1]本題已經(jīng)塵埃落定，但其解法的探究給幾何解題的教與學(xué)帶來(lái)了很多啟示.解題即是縮小差距，縮小差距就是使已知與未知互相靠攏，我們?cè)谧非罂s小差距的抵達(dá)，我們更是在享受一場(chǎng)互相靠攏的旅程，最終實(shí)現(xiàn)那美妙的雙向奔赴.