《上海市中小學數學課程標準(試行稿)》明確規定了“圖形的運動”的教學內容和要求.教材中“圖形運動”的本質是幾何變換,例如,翻折運動、旋轉運動、中心對稱運動和平移運動,在本質上分別是軸對稱變換、旋轉變換、中心對稱變換和平移變換.教學要求是“在豐富實例的背景下,在觀察、操作的活動中,發現和歸納圖形的平移、翻轉、旋轉等運動各自的基本特征和它們保持圖形的形狀大小不變的共性,學習和總結平行線、軸對稱圖形、旋轉對稱圖形的有關知識.充分利用計算機和多媒體技術,展示圖形的運動和變化.初步體會圖形變換的思想,初步形成動態地研究圖形的意識.”[1]課改以來,這部分內容受到普遍重視,已成為中考中的熱點、難點.但教學實踐中,教師們普遍關注通過變換進行解題研究,且在解題教學中,存在“為變而變”、人為制造難點的傾向.忽略或淡化了蘊含在圖形運動背后的數學思想,如轉化思想、不變量思想、對稱思想等.本文以圖形旋轉變換為例,闡述對這部分內容的認識和實踐.
1通過圖形變換,引導學生體驗轉化的解題思想
“轉化”是幾何變換一個重要思想.這里的“轉化”是指將圖形進行變換,實現圖形位置的轉化,把一般情形轉化為特殊情形,使問題化難為易.它是一種以變化的、運動的觀點來處理孤立的、離散問題的思想.
例如,我們常常通過三角形全等來證明線段和角相等,然而在圖形中并不剛好總有合適的全等三角形,因此構造合適的全等三角形,常常成為添加輔助線的考慮目標.怎樣才能構造出圖1合適的全等三角形呢?我們可以用運動的觀點來考慮[2].
所以,P是到三個頂點距離之和最小的點.
這個例子告訴我們,通過圖形的旋轉,可以幫助我們構造出合適的全等三角形.那么為什么借助圖形旋轉能有效求解?從教學的角度來看,這才是教學的核心和根本.所以問題解決之后,教師要善于引導學生把題目所隱含的數學內容的實質揭示出來.
本題欲證PA+PB+PC為最小值,而這三條線段位于三個不同的三角形中,一個自然的想法就是能否將這三條線段首位相接.上述方法,將“將△APC繞點C順時針方向旋轉60°”就可以將“PA”搬到“P1E”的位置,將“PC”搬到“PP1”位置.由此可見,使用圖形旋轉的方法,不僅實現了線段的位置轉化,而且同時實現了線段的位置重組,把原本分散的條件集中到一條線段,然后運用極端原理找出問題解決的辦法.
上述問題說明,在幾何問題解決中,常常需要搬動圖形(角、線段、三角形等),實現了線段或角的位置的轉化和重組,把原本分散的條件集中到一條線段或一個三角形中,而旋轉是搬動圖形最常用的方法之一,特別是當圖形中有等腰三角形,正三角形或正方形時,更為旋轉提供了方便的條件.例如,對于等腰三角形,把一腰繞頂點旋轉頂角這么大的角度,就可與另一腰重合;對于正三角形,把一邊繞該邊的一個端點旋轉60°,就可與它的鄰邊重合;對于正方形,則需旋轉90°.在上述這些旋轉下,與被旋轉的線段相連的有關圖形,例如某個三角形,也跟隨一起旋轉,即可得到一個與之全等的三角形,可見運用旋轉可以幫助我們構造出合適的全等三角形.
2通過圖形變換,引導學生發現“變中不變”規律
“變中不變”是幾何變換的基本思想之一,這里的“變”通常是指圖形的位置有規則的發生“變”化,“不變”是指(圖形)經過變換后不改變的性質和量,也稱為不變量思想.“變中不變”是動態幾何的精髓.
教學中,我們通常結合圖形運動變換的定義和性質的教學,讓學生在經歷各種圖形運動的過程中,理解圖形的形狀和大小的不變性.進而體會圖形變換的基本性質,如圖形旋轉過程中,圖形中每一個點都繞著旋轉中心旋轉了同樣大小的角度,對應點到旋轉中心的距離相等,對應線段、對應角都相等,圖形的形狀、大小都不發生變化.
上述證明過程不僅適用于特殊情況的證明,而且可以適用于一般情況的證明(如圖5),△CEM是等腰直角三角形,揭示了規律背后的本質.
上述例子告訴我們,通過圖形的運動變換,不僅可以引導學生發現“變中不變”的結論,而且可以發現“變中不變”的解題方法,進而提高學生動態思維的能力,學會用運動的觀點去觀察、分析、猜想、驗證圖形的位置關系和數量關系.讓學生在經歷各種圖形運動的過程中,能夠形成動態研究圖形的意識.在教學中,教師與其尋找、編造不同花樣的題目,不如深入研究例習題特征,有目的引導學生進行變式、拓展、探究,深入挖掘其中潛在的數學思想方法,揭示其內在的本質和規律.
3通過圖形變換,引導學生用運動的觀點認識圖形的對稱性
對稱是一種重要的數學思想方法.“對稱”狹義理解通常指圖形或物體對某個點、直線或平面而言,在大小、形狀和排列上具有一一對應關系.自然界中有許許多多的事物都具有絢麗多彩的對稱性,它是自然美的直接展示.在幾何圖形中,大量幾何圖形也都有鮮明的對稱性,如軸自對稱圖形、中心自對稱圖形、旋轉自對稱圖形等,同樣給人以美的直觀的享受.而作為一種數學思想,“對稱”的內涵要豐富得多.在幾何“識圖”中,知道圖形“一半”的性質,就能知道圖形“另一半”的性質.在數學解題中,平等的條件及元素在思考過程中應當平等對待,并且由此及彼,已知條件中“對稱”的元素在結果的表達式中也應當對稱.也即數學對稱常常給我們帶來事半功倍的愉悅,事半功倍才是數學上對稱美的本質[4].
對稱思想在數學里運用非常廣泛.在初中幾何學習中,我們常常會遇到一些對稱問題,如幾何里的中心對稱、軸對稱等,教學中,引導學生用對稱的觀點去觀察,有助于從整體上把握圖形對稱的結構,認識圖形的性質.
例如,平行四邊形的性質教學,教材給出的性質有(1)平行四邊形的對邊相等;(2)平行四邊形的對角相等;(3)平行四邊形的對角線相互平分;(4)平行四邊形是中心對稱圖形,對稱中心是對角線的交點.性質(1)(2)(3)反映的是圖形“局部”特征,靜態特征,性質(4)反應的是圖形的“整體”特征,“動態”特征,它“統領”其他性質,有了中心對稱的思想,對邊相等、對角相等、對角線相互平分就成了對稱圖形對應線段、對應角相等的具體體現.而且在此基礎上,還可以發現更為一般的性質,經過對稱中心的任意直線EF將圖形分為關于“O”點對稱的兩個部分(如圖7),對角線是其特殊情況.這樣,通過旋轉對稱(中心對稱),可以對平行四邊形的性質有更深刻的認識.
對稱思想在函數的學習中,同樣有重要的地位和作用.研究函數的形態,往往要研究圖象的形狀、大小和對稱性.同一函數圖象,根據對稱性(軸對稱或旋轉對稱),往往會事半功倍,只要知道一半的性質,就能知道另一半的性質;而形狀、大小完全相同、只有位置不同的兩個函數圖象,由于可通過平移、旋轉等運動達到重合,因而可由一個函數的解析式確定另一個函數的解析式.
由此可見,這種運動變化的思想體現在幾何教學中,不僅可以把原來靜止的圖形能看成運動變化的結果,而且,用對稱的思想認識圖形,為學習帶來事半功倍的效果.
值得注意的是,教學中,教師要善于選擇典型的“例子”說明旋轉變換的教學意義,使學生真正認識到圖形運動變換是認識圖形、探索規律、解決問題的有力工具,而不是絞盡腦汁制造繁、難、偏、怪的問題,徒然增加學生的負擔.
參考文獻
[1]上海市教育委員會.上海市中小學數學課程標準(試行稿)[M].上海:上海教育出版社,2004.12.
[2]王敬庚.幾何變換漫談[M].長沙:湖南教育出版社長沙,2000.06.
[3]吳華,周玉霄.變易理論驅動下的動態幾何“變中不變”[J].數學教育學報,2010(12).
[4]潘勇.教學反思重在過程,貴在深刻[J].數學通報,2012(07).
《上海市中小學數學課程標準(試行稿)》明確規定了“圖形的運動”的教學內容和要求.教材中“圖形運動”的本質是幾何變換,例如,翻折運動、旋轉運動、中心對稱運動和平移運動,在本質上分別是軸對稱變換、旋轉變換、中心對稱變換和平移變換.教學要求是“在豐富實例的背景下,在觀察、操作的活動中,發現和歸納圖形的平移、翻轉、旋轉等運動各自的基本特征和它們保持圖形的形狀大小不變的共性,學習和總結平行線、軸對稱圖形、旋轉對稱圖形的有關知識.充分利用計算機和多媒體技術,展示圖形的運動和變化.初步體會圖形變換的思想,初步形成動態地研究圖形的意識.”[1]課改以來,這部分內容受到普遍重視,已成為中考中的熱點、難點.但教學實踐中,教師們普遍關注通過變換進行解題研究,且在解題教學中,存在“為變而變”、人為制造難點的傾向.忽略或淡化了蘊含在圖形運動背后的數學思想,如轉化思想、不變量思想、對稱思想等.本文以圖形旋轉變換為例,闡述對這部分內容的認識和實踐.
1通過圖形變換,引導學生體驗轉化的解題思想
“轉化”是幾何變換一個重要思想.這里的“轉化”是指將圖形進行變換,實現圖形位置的轉化,把一般情形轉化為特殊情形,使問題化難為易.它是一種以變化的、運動的觀點來處理孤立的、離散問題的思想.
例如,我們常常通過三角形全等來證明線段和角相等,然而在圖形中并不剛好總有合適的全等三角形,因此構造合適的全等三角形,常常成為添加輔助線的考慮目標.怎樣才能構造出圖1合適的全等三角形呢?我們可以用運動的觀點來考慮[2].
所以,P是到三個頂點距離之和最小的點.
這個例子告訴我們,通過圖形的旋轉,可以幫助我們構造出合適的全等三角形.那么為什么借助圖形旋轉能有效求解?從教學的角度來看,這才是教學的核心和根本.所以問題解決之后,教師要善于引導學生把題目所隱含的數學內容的實質揭示出來.
本題欲證PA+PB+PC為最小值,而這三條線段位于三個不同的三角形中,一個自然的想法就是能否將這三條線段首位相接.上述方法,將“將△APC繞點C順時針方向旋轉60°”就可以將“PA”搬到“P1E”的位置,將“PC”搬到“PP1”位置.由此可見,使用圖形旋轉的方法,不僅實現了線段的位置轉化,而且同時實現了線段的位置重組,把原本分散的條件集中到一條線段,然后運用極端原理找出問題解決的辦法.
上述問題說明,在幾何問題解決中,常常需要搬動圖形(角、線段、三角形等),實現了線段或角的位置的轉化和重組,把原本分散的條件集中到一條線段或一個三角形中,而旋轉是搬動圖形最常用的方法之一,特別是當圖形中有等腰三角形,正三角形或正方形時,更為旋轉提供了方便的條件.例如,對于等腰三角形,把一腰繞頂點旋轉頂角這么大的角度,就可與另一腰重合;對于正三角形,把一邊繞該邊的一個端點旋轉60°,就可與它的鄰邊重合;對于正方形,則需旋轉90°.在上述這些旋轉下,與被旋轉的線段相連的有關圖形,例如某個三角形,也跟隨一起旋轉,即可得到一個與之全等的三角形,可見運用旋轉可以幫助我們構造出合適的全等三角形.
2通過圖形變換,引導學生發現“變中不變”規律
“變中不變”是幾何變換的基本思想之一,這里的“變”通常是指圖形的位置有規則的發生“變”化,“不變”是指(圖形)經過變換后不改變的性質和量,也稱為不變量思想.“變中不變”是動態幾何的精髓.
教學中,我們通常結合圖形運動變換的定義和性質的教學,讓學生在經歷各種圖形運動的過程中,理解圖形的形狀和大小的不變性.進而體會圖形變換的基本性質,如圖形旋轉過程中,圖形中每一個點都繞著旋轉中心旋轉了同樣大小的角度,對應點到旋轉中心的距離相等,對應線段、對應角都相等,圖形的形狀、大小都不發生變化.
上述證明過程不僅適用于特殊情況的證明,而且可以適用于一般情況的證明(如圖5),△CEM是等腰直角三角形,揭示了規律背后的本質.
上述例子告訴我們,通過圖形的運動變換,不僅可以引導學生發現“變中不變”的結論,而且可以發現“變中不變”的解題方法,進而提高學生動態思維的能力,學會用運動的觀點去觀察、分析、猜想、驗證圖形的位置關系和數量關系.讓學生在經歷各種圖形運動的過程中,能夠形成動態研究圖形的意識.在教學中,教師與其尋找、編造不同花樣的題目,不如深入研究例習題特征,有目的引導學生進行變式、拓展、探究,深入挖掘其中潛在的數學思想方法,揭示其內在的本質和規律.
3通過圖形變換,引導學生用運動的觀點認識圖形的對稱性
對稱是一種重要的數學思想方法.“對稱”狹義理解通常指圖形或物體對某個點、直線或平面而言,在大小、形狀和排列上具有一一對應關系.自然界中有許許多多的事物都具有絢麗多彩的對稱性,它是自然美的直接展示.在幾何圖形中,大量幾何圖形也都有鮮明的對稱性,如軸自對稱圖形、中心自對稱圖形、旋轉自對稱圖形等,同樣給人以美的直觀的享受.而作為一種數學思想,“對稱”的內涵要豐富得多.在幾何“識圖”中,知道圖形“一半”的性質,就能知道圖形“另一半”的性質.在數學解題中,平等的條件及元素在思考過程中應當平等對待,并且由此及彼,已知條件中“對稱”的元素在結果的表達式中也應當對稱.也即數學對稱常常給我們帶來事半功倍的愉悅,事半功倍才是數學上對稱美的本質[4].
對稱思想在數學里運用非常廣泛.在初中幾何學習中,我們常常會遇到一些對稱問題,如幾何里的中心對稱、軸對稱等,教學中,引導學生用對稱的觀點去觀察,有助于從整體上把握圖形對稱的結構,認識圖形的性質.
例如,平行四邊形的性質教學,教材給出的性質有(1)平行四邊形的對邊相等;(2)平行四邊形的對角相等;(3)平行四邊形的對角線相互平分;(4)平行四邊形是中心對稱圖形,對稱中心是對角線的交點.性質(1)(2)(3)反映的是圖形“局部”特征,靜態特征,性質(4)反應的是圖形的“整體”特征,“動態”特征,它“統領”其他性質,有了中心對稱的思想,對邊相等、對角相等、對角線相互平分就成了對稱圖形對應線段、對應角相等的具體體現.而且在此基礎上,還可以發現更為一般的性質,經過對稱中心的任意直線EF將圖形分為關于“O”點對稱的兩個部分(如圖7),對角線是其特殊情況.這樣,通過旋轉對稱(中心對稱),可以對平行四邊形的性質有更深刻的認識.
對稱思想在函數的學習中,同樣有重要的地位和作用.研究函數的形態,往往要研究圖象的形狀、大小和對稱性.同一函數圖象,根據對稱性(軸對稱或旋轉對稱),往往會事半功倍,只要知道一半的性質,就能知道另一半的性質;而形狀、大小完全相同、只有位置不同的兩個函數圖象,由于可通過平移、旋轉等運動達到重合,因而可由一個函數的解析式確定另一個函數的解析式.
由此可見,這種運動變化的思想體現在幾何教學中,不僅可以把原來靜止的圖形能看成運動變化的結果,而且,用對稱的思想認識圖形,為學習帶來事半功倍的效果.
值得注意的是,教學中,教師要善于選擇典型的“例子”說明旋轉變換的教學意義,使學生真正認識到圖形運動變換是認識圖形、探索規律、解決問題的有力工具,而不是絞盡腦汁制造繁、難、偏、怪的問題,徒然增加學生的負擔.
參考文獻
[1]上海市教育委員會.上海市中小學數學課程標準(試行稿)[M].上海:上海教育出版社,2004.12.
[2]王敬庚.幾何變換漫談[M].長沙:湖南教育出版社長沙,2000.06.
[3]吳華,周玉霄.變易理論驅動下的動態幾何“變中不變”[J].數學教育學報,2010(12).
[4]潘勇.教學反思重在過程,貴在深刻[J].數學通報,2012(07).
《上海市中小學數學課程標準(試行稿)》明確規定了“圖形的運動”的教學內容和要求.教材中“圖形運動”的本質是幾何變換,例如,翻折運動、旋轉運動、中心對稱運動和平移運動,在本質上分別是軸對稱變換、旋轉變換、中心對稱變換和平移變換.教學要求是“在豐富實例的背景下,在觀察、操作的活動中,發現和歸納圖形的平移、翻轉、旋轉等運動各自的基本特征和它們保持圖形的形狀大小不變的共性,學習和總結平行線、軸對稱圖形、旋轉對稱圖形的有關知識.充分利用計算機和多媒體技術,展示圖形的運動和變化.初步體會圖形變換的思想,初步形成動態地研究圖形的意識.”[1]課改以來,這部分內容受到普遍重視,已成為中考中的熱點、難點.但教學實踐中,教師們普遍關注通過變換進行解題研究,且在解題教學中,存在“為變而變”、人為制造難點的傾向.忽略或淡化了蘊含在圖形運動背后的數學思想,如轉化思想、不變量思想、對稱思想等.本文以圖形旋轉變換為例,闡述對這部分內容的認識和實踐.
1通過圖形變換,引導學生體驗轉化的解題思想
“轉化”是幾何變換一個重要思想.這里的“轉化”是指將圖形進行變換,實現圖形位置的轉化,把一般情形轉化為特殊情形,使問題化難為易.它是一種以變化的、運動的觀點來處理孤立的、離散問題的思想.
例如,我們常常通過三角形全等來證明線段和角相等,然而在圖形中并不剛好總有合適的全等三角形,因此構造合適的全等三角形,常常成為添加輔助線的考慮目標.怎樣才能構造出圖1合適的全等三角形呢?我們可以用運動的觀點來考慮[2].
所以,P是到三個頂點距離之和最小的點.
這個例子告訴我們,通過圖形的旋轉,可以幫助我們構造出合適的全等三角形.那么為什么借助圖形旋轉能有效求解?從教學的角度來看,這才是教學的核心和根本.所以問題解決之后,教師要善于引導學生把題目所隱含的數學內容的實質揭示出來.
本題欲證PA+PB+PC為最小值,而這三條線段位于三個不同的三角形中,一個自然的想法就是能否將這三條線段首位相接.上述方法,將“將△APC繞點C順時針方向旋轉60°”就可以將“PA”搬到“P1E”的位置,將“PC”搬到“PP1”位置.由此可見,使用圖形旋轉的方法,不僅實現了線段的位置轉化,而且同時實現了線段的位置重組,把原本分散的條件集中到一條線段,然后運用極端原理找出問題解決的辦法.
上述問題說明,在幾何問題解決中,常常需要搬動圖形(角、線段、三角形等),實現了線段或角的位置的轉化和重組,把原本分散的條件集中到一條線段或一個三角形中,而旋轉是搬動圖形最常用的方法之一,特別是當圖形中有等腰三角形,正三角形或正方形時,更為旋轉提供了方便的條件.例如,對于等腰三角形,把一腰繞頂點旋轉頂角這么大的角度,就可與另一腰重合;對于正三角形,把一邊繞該邊的一個端點旋轉60°,就可與它的鄰邊重合;對于正方形,則需旋轉90°.在上述這些旋轉下,與被旋轉的線段相連的有關圖形,例如某個三角形,也跟隨一起旋轉,即可得到一個與之全等的三角形,可見運用旋轉可以幫助我們構造出合適的全等三角形.
2通過圖形變換,引導學生發現“變中不變”規律
“變中不變”是幾何變換的基本思想之一,這里的“變”通常是指圖形的位置有規則的發生“變”化,“不變”是指(圖形)經過變換后不改變的性質和量,也稱為不變量思想.“變中不變”是動態幾何的精髓.
教學中,我們通常結合圖形運動變換的定義和性質的教學,讓學生在經歷各種圖形運動的過程中,理解圖形的形狀和大小的不變性.進而體會圖形變換的基本性質,如圖形旋轉過程中,圖形中每一個點都繞著旋轉中心旋轉了同樣大小的角度,對應點到旋轉中心的距離相等,對應線段、對應角都相等,圖形的形狀、大小都不發生變化.
上述證明過程不僅適用于特殊情況的證明,而且可以適用于一般情況的證明(如圖5),△CEM是等腰直角三角形,揭示了規律背后的本質.
上述例子告訴我們,通過圖形的運動變換,不僅可以引導學生發現“變中不變”的結論,而且可以發現“變中不變”的解題方法,進而提高學生動態思維的能力,學會用運動的觀點去觀察、分析、猜想、驗證圖形的位置關系和數量關系.讓學生在經歷各種圖形運動的過程中,能夠形成動態研究圖形的意識.在教學中,教師與其尋找、編造不同花樣的題目,不如深入研究例習題特征,有目的引導學生進行變式、拓展、探究,深入挖掘其中潛在的數學思想方法,揭示其內在的本質和規律.
3通過圖形變換,引導學生用運動的觀點認識圖形的對稱性
對稱是一種重要的數學思想方法.“對稱”狹義理解通常指圖形或物體對某個點、直線或平面而言,在大小、形狀和排列上具有一一對應關系.自然界中有許許多多的事物都具有絢麗多彩的對稱性,它是自然美的直接展示.在幾何圖形中,大量幾何圖形也都有鮮明的對稱性,如軸自對稱圖形、中心自對稱圖形、旋轉自對稱圖形等,同樣給人以美的直觀的享受.而作為一種數學思想,“對稱”的內涵要豐富得多.在幾何“識圖”中,知道圖形“一半”的性質,就能知道圖形“另一半”的性質.在數學解題中,平等的條件及元素在思考過程中應當平等對待,并且由此及彼,已知條件中“對稱”的元素在結果的表達式中也應當對稱.也即數學對稱常常給我們帶來事半功倍的愉悅,事半功倍才是數學上對稱美的本質[4].
對稱思想在數學里運用非常廣泛.在初中幾何學習中,我們常常會遇到一些對稱問題,如幾何里的中心對稱、軸對稱等,教學中,引導學生用對稱的觀點去觀察,有助于從整體上把握圖形對稱的結構,認識圖形的性質.
例如,平行四邊形的性質教學,教材給出的性質有(1)平行四邊形的對邊相等;(2)平行四邊形的對角相等;(3)平行四邊形的對角線相互平分;(4)平行四邊形是中心對稱圖形,對稱中心是對角線的交點.性質(1)(2)(3)反映的是圖形“局部”特征,靜態特征,性質(4)反應的是圖形的“整體”特征,“動態”特征,它“統領”其他性質,有了中心對稱的思想,對邊相等、對角相等、對角線相互平分就成了對稱圖形對應線段、對應角相等的具體體現.而且在此基礎上,還可以發現更為一般的性質,經過對稱中心的任意直線EF將圖形分為關于“O”點對稱的兩個部分(如圖7),對角線是其特殊情況.這樣,通過旋轉對稱(中心對稱),可以對平行四邊形的性質有更深刻的認識.
對稱思想在函數的學習中,同樣有重要的地位和作用.研究函數的形態,往往要研究圖象的形狀、大小和對稱性.同一函數圖象,根據對稱性(軸對稱或旋轉對稱),往往會事半功倍,只要知道一半的性質,就能知道另一半的性質;而形狀、大小完全相同、只有位置不同的兩個函數圖象,由于可通過平移、旋轉等運動達到重合,因而可由一個函數的解析式確定另一個函數的解析式.
由此可見,這種運動變化的思想體現在幾何教學中,不僅可以把原來靜止的圖形能看成運動變化的結果,而且,用對稱的思想認識圖形,為學習帶來事半功倍的效果.
值得注意的是,教學中,教師要善于選擇典型的“例子”說明旋轉變換的教學意義,使學生真正認識到圖形運動變換是認識圖形、探索規律、解決問題的有力工具,而不是絞盡腦汁制造繁、難、偏、怪的問題,徒然增加學生的負擔.
參考文獻
[1]上海市教育委員會.上海市中小學數學課程標準(試行稿)[M].上海:上海教育出版社,2004.12.
[2]王敬庚.幾何變換漫談[M].長沙:湖南教育出版社長沙,2000.06.
[3]吳華,周玉霄.變易理論驅動下的動態幾何“變中不變”[J].數學教育學報,2010(12).
[4]潘勇.教學反思重在過程,貴在深刻[J].數學通報,2012(07).