基于GeoGebra的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與反思
——以“二次函數(shù)的性質(zhì)”為例

張 彤

(蘇州大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院 215006)

高貞壽

(江蘇省蘇州市吳江區(qū)松陵第一中學(xué) 215200)

數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)動(dòng)手動(dòng)腦“做”數(shù)學(xué)的一種數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)，是學(xué)生運(yùn)用有關(guān)工具(實(shí)物或計(jì)算機(jī)等)，在數(shù)學(xué)思維活動(dòng)的參與下進(jìn)行的一種以人人參與的實(shí)際操作為特征的數(shù)學(xué)驗(yàn)證或探究活動(dòng)．[1]數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)將過(guò)程與結(jié)果、操作與思維、實(shí)驗(yàn)與論證、證偽與證實(shí)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)數(shù)學(xué)觀與動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)觀的融通，使得數(shù)學(xué)教學(xué)變得完整而有活力．[2]蘇科版《義務(wù)教育教科書·數(shù)學(xué)》將數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)引進(jìn)教材，專門設(shè)置了“數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室”，為教師開展數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了素材和基本線索．筆者參與了九年級(jí)下冊(cè)5.2節(jié)“二次函數(shù)的圖象和性質(zhì)”中的“數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室——二次函數(shù)的性質(zhì)”公開課的研討和磨課過(guò)程，并在數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)軟件GeoGebra(下稱GGB)探究了含參二次函數(shù)圖象的變化規(guī)律．

1 基本情況

·教材分析

本節(jié)課旨在對(duì)含參二次函數(shù)圖象的變化規(guī)律進(jìn)行探究，使學(xué)生深入理解二次函數(shù)的圖象和性質(zhì)，對(duì)學(xué)習(xí)二次函數(shù)與一元一次方程、不等式和二次函數(shù)的應(yīng)用都有非常重要的意義．利用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)軟件可以較好地演示二次函數(shù)圖象的變化規(guī)律．

·學(xué)情分析

學(xué)生在八年級(jí)已經(jīng)學(xué)過(guò)一次函數(shù)和反比例函數(shù)，對(duì)函數(shù)的研究結(jié)構(gòu)和方法有了初步的體悟．在九年級(jí)下冊(cè)第5章5.1節(jié)和5.2節(jié)中，學(xué)生又系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了二次函數(shù)的概念、圖象和基本性質(zhì)，完整地經(jīng)歷了二次函數(shù)圖象和基本性質(zhì)的研究過(guò)程，具有從特殊到一般、從具體到抽象的思維經(jīng)歷．含參二次函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)．利用GGB強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)演示功能，可以幫助學(xué)生經(jīng)歷參數(shù)變化引起圖形變化規(guī)律的過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生從感性的數(shù)學(xué)認(rèn)識(shí)順利地過(guò)渡到理性的數(shù)學(xué)原理的探究，從而突破難點(diǎn)，降低學(xué)習(xí)坡度．

·教學(xué)目標(biāo)

(1)利用GGB構(gòu)建數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作、比較研究、探索發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化引起圖形變化的規(guī)律，促進(jìn)對(duì)含參二次函數(shù)圖象的理解和認(rèn)識(shí)．

(2)感受數(shù)形結(jié)合的思想方法，體會(huì)由具體到抽象、從特殊到一般的研究方法，提高觀察、分析和解決問(wèn)題的能力．

·教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 參數(shù)的變化引起二次函數(shù)圖象的變化規(guī)律．

教學(xué)難點(diǎn) 理解二次函數(shù)參數(shù)引起圖象變化的數(shù)學(xué)本質(zhì)．

·教學(xué)方法與手段

問(wèn)題啟發(fā)式、小組合作式、實(shí)驗(yàn)操作式相結(jié)合．

·教學(xué)器材

未來(lái)教室，人手一臺(tái)裝有GGB軟件的電腦．

2 教學(xué)過(guò)程

2.1 復(fù)習(xí)回顧，引入課題

師：很好！對(duì)于二次函數(shù)y=ax2(a≠0)，參數(shù)a從3變到-3，其圖象發(fā)生了怎樣的變化呢？下面，我們來(lái)研究這一問(wèn)題．

設(shè)計(jì)意圖通過(guò)具體的二次函數(shù)，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)二次項(xiàng)系數(shù)的正負(fù)和絕對(duì)值大小對(duì)函數(shù)圖象的影響，為系數(shù)由具體數(shù)字變?yōu)槌橄笞帜缸骱娩亯|．

3.1 實(shí)驗(yàn)探索，歸納性質(zhì)

探究1參數(shù)a對(duì)二次函數(shù)y=ax2圖象的影響．

師：請(qǐng)同學(xué)們打開桌面上的GGB畫圖軟件，新建滑動(dòng)條a(-10≤a≤10)，然后在下方“輸入”位置新建函數(shù)y=ax2．如圖1，滑動(dòng)a改變a的大小，觀察二次函數(shù)y=ax2的圖象，看看有什么變化？

圖1

生1：開口方向和大小在變化．

生2：當(dāng)a=0時(shí)，圖形消失了．

師：請(qǐng)仔細(xì)觀察，當(dāng)a=0時(shí)y=0，圖形不是消失了，而是變成了直線y=0，即x軸．

師：對(duì)應(yīng)a的數(shù)值，看看具體是怎么變的？

生4：當(dāng)a>0時(shí)，開口向上；反之，開口向下(圖略)．

生5：當(dāng)|a|越大時(shí)，開口越小；當(dāng)|a|越小時(shí)，開口越大．

設(shè)計(jì)意圖數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中．教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)操作GGB觀察系數(shù)a對(duì)二次函數(shù)y=ax2圖象變化的影響，從直觀的角度回答探究1，為其數(shù)學(xué)分析作準(zhǔn)備．

師：同學(xué)們，請(qǐng)思考一下，為什么當(dāng)|a|越大時(shí)開口越小，當(dāng)|a|越小時(shí)開口越大？

(學(xué)生思考)

師：我們以前學(xué)習(xí)過(guò)一次函數(shù)y=kx+b(k≠0)，|k|的值越大，y隨x的變化速率越快，圖形呈現(xiàn)“陡”的情況．

生6：哦！我懂了．在這邊，|a|越大，y隨x的變化速率越快，圖形呈現(xiàn)“陡”的情況，拋物線的開口就越?。环粗?，開口就越大．

師：那么誰(shuí)能來(lái)總結(jié)一下參數(shù)a對(duì)二次函數(shù)y=ax2(a≠0)圖象的影響？

生7：a的正負(fù)影響二次函數(shù)y=ax2(a≠0)圖象的開口方向．a(chǎn)為正數(shù)，圖象開口向上；a為負(fù)數(shù)，圖象開口向下．

生8：|a|影響圖象的開口大?。畖a|越大，y隨x的變化速率越快，圖形也是呈現(xiàn)“陡”的情況，拋物線的開口就越??；反之，開口就越大．

設(shè)計(jì)意圖教師幫助學(xué)生回憶參數(shù)k對(duì)一次函數(shù)y=kx+b(k≠0)圖象變化的影響，并將該方法遷移到二次函數(shù)中，借助GGB直觀動(dòng)態(tài)的演示，引導(dǎo)學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的性質(zhì)．

探究2參數(shù)a,b,c對(duì)二次函數(shù)y=ax2+bx+c(a≠0)(*)圖象的影響．

師：上面我們已經(jīng)研究了參數(shù)a對(duì)二次函數(shù)y=ax2(a≠0)圖象的影響，下面仿照上述研究方法，進(jìn)一步探究參數(shù)a,b,c對(duì)二次函數(shù)(*)圖象的影響．

各小組先進(jìn)行學(xué)生個(gè)人探究，再合作討論，從開口方向、開口大小、對(duì)稱軸位置、與y軸交點(diǎn)C這四個(gè)方面探究：當(dāng)參數(shù)a,b,c分別變化時(shí)哪些量在變，是如何變的；哪些量是不變的．

(教師巡視，了解學(xué)生存在的困難，適時(shí)指導(dǎo)解惑，引導(dǎo)學(xué)生自己實(shí)驗(yàn)、觀察、總結(jié))

師：我們首先邀請(qǐng)第一小組代表演示、總結(jié)．

生9：僅參數(shù)a變化時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，開口方向和開口大小都在變化，如圖2．a(chǎn)的正負(fù)影響圖象的開口方向．當(dāng)a為正數(shù)時(shí)，圖象開口向上；當(dāng)a為負(fù)數(shù)時(shí)，圖象開口向下．|a|影響圖象的開口大?。畖a|越大，拋物線的開口就越?。环粗?，開口就越大．這與我們前面研究的y=ax2(a≠0)的情況一致．

圖2

師：總結(jié)得不錯(cuò)！他們認(rèn)為參數(shù)a影響二次函數(shù)圖象的開口方向和開口大小．有補(bǔ)充的嗎？

生10：我來(lái)補(bǔ)充一下．我們小組觀察到，當(dāng)a=0時(shí)，函數(shù)變?yōu)橐淮魏瘮?shù)y=bx+c，其圖象為一條直線．

師：很好！觀察得非常仔細(xì)，并且分析了原因.當(dāng)a=0時(shí)函數(shù)變?yōu)閥=bx+c，為一次函數(shù)，所以其圖象為一條直線．

生11：老師，我們組也有補(bǔ)充．我們發(fā)現(xiàn)，在參數(shù)a變化時(shí)，拋物線的對(duì)稱軸也在移動(dòng)位置(圖略)．

師：非常好！對(duì)稱軸的位置也與參數(shù)a有關(guān)．那么有沒(méi)有不受參數(shù)a影響，始終不動(dòng)的？

生12：與y軸交點(diǎn)C．

師：參數(shù)b變化時(shí)，情況又如何呢？

生13：我們小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)參數(shù)b變化時(shí)，對(duì)稱軸的位置發(fā)生了變化．拋物線的開口大小也發(fā)生了變化，開口方向不變(圖略)．

生14：老師，我們認(rèn)為拋物線的開口方向和開口大小都沒(méi)有變．

師：當(dāng)參數(shù)b變化時(shí)，對(duì)稱軸的位置發(fā)生變化是沒(méi)有疑義的．但在拋物線的開口大小上有一定的爭(zhēng)議．參數(shù)b對(duì)拋物線的開口大小有影響嗎？請(qǐng)同學(xué)們?cè)賹?shí)驗(yàn)操作一下．

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)參數(shù)b對(duì)拋物線的開口大小有影響．

師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以得到：參數(shù)b僅對(duì)對(duì)稱軸的位置有影響，對(duì)其他沒(méi)有影響．

師：那么參數(shù)c對(duì)圖象的哪些元素有影響？

生15：僅對(duì)拋物線與y軸交點(diǎn)C有影響(圖略)．

師：很棒！下面我們來(lái)總結(jié)一下參數(shù)a,b,c變化對(duì)二次函數(shù)(*)圖象的影響．

生16：參數(shù)a影響拋物線的開口方向和開口大小，a的正負(fù)影響圖象的開口方向，當(dāng)a為正數(shù)時(shí)，圖象開口向上；當(dāng)a為負(fù)數(shù)時(shí)，圖象開口向下；|a|影響圖象的開口大小，|a|越大，拋物線的開口就越??；反之，開口就越大．同時(shí)，對(duì)稱軸的位置也受參數(shù)a的影響．

生17：參數(shù)b僅對(duì)對(duì)稱軸的位置有影響．

生18：參數(shù)c僅對(duì)拋物線與y軸交點(diǎn)C有影響．

設(shè)計(jì)意圖通過(guò)GGB動(dòng)態(tài)演示參數(shù)a,b,c變化時(shí)對(duì)二次函數(shù)(*)圖象變化的影響，以學(xué)生先自主探究再小組合作的方式探索相應(yīng)的結(jié)論．

探索3參數(shù)a,b,c對(duì)二次函數(shù)(*)圖象影響的原因分析．

師：你能分析一下原因嗎？

師：分析得非常好，我們可以簡(jiǎn)單地記為“左同右異”．那么，對(duì)y軸交點(diǎn)C的坐標(biāo)(0,c)的影響如何呢？

生20：當(dāng)c>0，拋物線與y軸交點(diǎn)C(0,c)在y軸正半軸上；當(dāng)c=0，拋物線與y軸交點(diǎn)C(0,c)在原點(diǎn)(0,0)處；當(dāng)c<0，拋物線與y軸交點(diǎn)C(0,c)在y軸負(fù)半軸上．

師：總結(jié)得非常好！這里我們可以簡(jiǎn)單地記為“上正下負(fù)”．

師：今天我們利用GGB軟件通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)學(xué)分析，探討了參數(shù)a,b,c的變化對(duì)二次函數(shù)(*)圖象變化的影響．GGB幫助我們直觀清晰地觀察動(dòng)態(tài)二次函數(shù)圖象變化及相應(yīng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)問(wèn)題，希望同學(xué)們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)中熟練運(yùn)用．

設(shè)計(jì)意圖利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，除了驗(yàn)證結(jié)論外，應(yīng)將重點(diǎn)放在促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)的理解和探究更多的數(shù)學(xué)結(jié)論上．在探索2的基礎(chǔ)上，教師緊扣開口方向、對(duì)稱軸和與y軸交點(diǎn)這三個(gè)主要的圖象特征，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)函數(shù)圖象變化的整體趨勢(shì)，并從二次函數(shù)表達(dá)式本身進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，揭示其變化規(guī)律背后的數(shù)學(xué)原理．

3 教學(xué)反思

(1)在數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用分析

數(shù)學(xué)是一門邏輯性很強(qiáng)、具有高度抽象性的學(xué)科，而初中生處于具體形象思維向抽象思維的過(guò)渡階段，對(duì)這一階段抽象思維能力的培養(yǎng)，不僅要基于已有的認(rèn)知水平，還要依賴于具體生動(dòng)的表象．因此，對(duì)于“數(shù)形結(jié)合”這一重要數(shù)學(xué)思想方法，如何使用信息技術(shù)輔助教師的教和學(xué)生的學(xué)已成為一線教學(xué)需要關(guān)注的問(wèn)題．本節(jié)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課使用GGB軟件研究二次函數(shù)的性質(zhì)，探討含參二次函數(shù)圖象的變化規(guī)律，既是教學(xué)的重點(diǎn)，也是教學(xué)的難點(diǎn)．本節(jié)課教者從始至終一直在引導(dǎo)學(xué)生自主操作GGB軟件，以自主探究和合作討論的方式觀察參數(shù)a,b,c數(shù)值的變化對(duì)二次函數(shù)y=ax2+bx+c(a≠0)圖象變化的影響，以師生互動(dòng)的形式揭示圖象變化的原因，并對(duì)原因進(jìn)行抽象概括和歸納、總結(jié)．憑借GGB強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)演示功能，“二次函數(shù)的性質(zhì)”這一復(fù)雜、抽象的代數(shù)問(wèn)題，經(jīng)歷學(xué)生自主改變參數(shù)值的大小和觀察相應(yīng)圖象的變化規(guī)律，被轉(zhuǎn)換成一個(gè)形象、直觀的幾何問(wèn)題，并在“形”“數(shù)”互變中建立數(shù)學(xué)關(guān)系．教師還以師生互動(dòng)的方式，運(yùn)用基于代數(shù)抽象推理的講授來(lái)彌補(bǔ)幾何直覺(jué)的不足．這節(jié)課將抽象的知識(shí)具體化、形象化、動(dòng)態(tài)化，再自然地過(guò)渡到嚴(yán)密的邏輯推理上，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的信心和興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生良好的數(shù)學(xué)思維方式和學(xué)習(xí)習(xí)慣．

(2)在數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)分析

建立數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生獲得適應(yīng)未來(lái)生存與發(fā)展所必需的數(shù)學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，是義務(wù)教育階段數(shù)學(xué)課程的目標(biāo)之一．蘇科版數(shù)學(xué)教科書要求教師在“教學(xué)實(shí)驗(yàn)室”中用幾何畫板軟件研究二次函數(shù)的性質(zhì)．比較而言，GGB比幾何畫板更容易上手，操作也更為簡(jiǎn)明流暢，“數(shù)”“形”結(jié)合得更好．在數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下，同步操作GGB進(jìn)行幾何圖形的建構(gòu)，并借助圖形的變換、測(cè)量、試驗(yàn)和分析，研究幾何圖形的性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)以自主體驗(yàn)的方式完成“數(shù)學(xué)基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)”中的“探究活動(dòng)”和“論證活動(dòng)”．