初中數(shù)學(xué)最短路徑問題的教學(xué)探究

郭緒娥

[摘 要]最短路徑問題是中考數(shù)學(xué)的高頻考點(diǎn)，問題雖不難，但很多學(xué)生卻答不出來.探討最短路徑問題的解法，能提高學(xué)生的解題能力.

[關(guān)鍵詞]最短路徑;問題;初中數(shù)學(xué)

[中圖分類號]? ? G633.6? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）32-0013-02

青島市數(shù)學(xué)中考中每年都有一個(gè)求最短路徑的問題，這類問題雖然不難，但往往有一大批學(xué)生答不出來.針對這類問題，筆者進(jìn)行了研究，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，如果教師在教學(xué)方面做足功夫，學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)就會得到提高，就可以讓學(xué)生解題時(shí)得心應(yīng)手.

一、數(shù)學(xué)幾何模型

北師大版初中數(shù)學(xué)七年級下冊第123頁有這樣一道題：如圖1所示，要在街道旁修建一個(gè)奶站，向居民區(qū)A、B提供牛奶，奶站應(yīng)建在什么地方，才能使從A、B到它的距離之和最短？

我們都知道這個(gè)問題的解決方法是作A關(guān)于直線l的對稱點(diǎn)C，連接BC交街道l于P，則P為所求，如圖2所示.即要在街道旁修建一個(gè)奶站，向居民區(qū)A、B提供牛奶，奶站應(yīng)建在P處，才能使從A、B到它的距離之和最短.

那么為什么要作一個(gè)關(guān)于l的對稱點(diǎn)？如何利用學(xué)生已有的知識儲備進(jìn)行遷移，才能使學(xué)生易于接受？筆者先讓學(xué)生完成下面的題目.

如圖3，在河的兩岸有兩個(gè)村莊A、B，現(xiàn)在要在公路l上建一個(gè)汽車站C使汽車站到A、B兩村莊的距離之和最小，則汽車站C的位置應(yīng)該如何確定？

這個(gè)問題學(xué)生都知道應(yīng)連接A、B兩點(diǎn)，AB與直線l的交點(diǎn)就是點(diǎn)C的位置.

通過這個(gè)問題的解決，再把這個(gè)題目和軸對稱進(jìn)行聯(lián)系，學(xué)生就會覺得非常容易接受.

二、幾何模型的應(yīng)用

1.如圖4，菱形ABCD的兩條對角線長分別為6和8，點(diǎn)P是對角線AC上的一個(gè)動點(diǎn)，點(diǎn)M、N分別是邊AB、BC的中點(diǎn)，則[PM+PN]的最小值是多少？

這個(gè)問題中對應(yīng)上述題目的“公路”就是AC，M、N為那兩個(gè)點(diǎn)，通過找對稱點(diǎn)和利用菱形的性質(zhì)就會發(fā)現(xiàn)[PM+PN]的最小值等于菱形的邊長.因此，解決這個(gè)問題的同時(shí)把菱形的性質(zhì)也進(jìn)行了復(fù)習(xí)和鞏固.

2.如圖5，正方形ABCD的邊長為4，E是BC的中點(diǎn)，P為對角線BD上的動點(diǎn)，要使[PE+PC]的值最小，試確定點(diǎn)P的位置，并求出最小值.

要解決這個(gè)問題，就要引導(dǎo)學(xué)生找出圖形中的“公路”和兩個(gè)點(diǎn).不難發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問題中的“公路”就是BD，兩個(gè)點(diǎn)就是E、C.圖形中已經(jīng)給出了C點(diǎn)關(guān)于DB的對稱點(diǎn)A，連接AE，AE與BD的交點(diǎn)就是要求的點(diǎn)P，P點(diǎn)找出來后，就會發(fā)現(xiàn)[PE+PC]的最小值是線段AE的長.

通過這兩個(gè)問題的解決，模型又得到了提升，兩條線段和的最小值最后轉(zhuǎn)化為求一條線段的長度.

三、幾何模型生成的問題

1.如圖6，圓柱形玻璃杯高為12 cm、底面周長為18 cm，在杯內(nèi)離杯底4 cm的點(diǎn)B處有一滴蜂蜜，此時(shí)一只螞蟻正好在杯外壁，離杯上沿4 cm與蜂蜜相對的點(diǎn)A處，則螞蟻到達(dá)蜂蜜的最短距離為_______________cm.

這是青島市2012年的中考題.通過玻璃杯的內(nèi)外壁的展開圖（如圖7）不難發(fā)現(xiàn)玻璃杯的上邊沿所在的直線就是模型中的“公路”，而A、B就是模型中的兩個(gè)點(diǎn)，最短距離就轉(zhuǎn)化為求線段AB′的長度.這樣又把勾股定理及其逆定理進(jìn)行了復(fù)習(xí)和鞏固.

四、幾何模型與代數(shù)問題的結(jié)合

1.如圖8，在平面直角坐標(biāo)系中，矩形OACB的頂點(diǎn)O在坐標(biāo)原點(diǎn)，頂點(diǎn)A、B分別在x軸、y軸的正半軸上，[OA=3]，[OB=4]，D為邊OB的中點(diǎn).

（1）點(diǎn)D的坐標(biāo)為_____________________;

（2）若E為邊OA上的一個(gè)動點(diǎn)，當(dāng)[△CDE]的周長最小時(shí)，求點(diǎn)E的坐標(biāo).

這個(gè)問題中的第（1）問非常容易解決.第（2）問如果求[△CDE]的周長最小，也比較容易解決.但要求點(diǎn)E的坐標(biāo)，這就和一次函數(shù)聯(lián)系起來了.到此幾何與代數(shù)已經(jīng)比較緊密地結(jié)合起來，我們教師不能簡單地照本宣科.如何提高學(xué)生的數(shù)學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)？這就需要我們教師潛心研究教材.為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，我們再來看下面的題目.

2.如圖9，C為線段BD上一動點(diǎn)，分別過點(diǎn)B、D作[AB⊥BD]，[ED⊥BD]，連接AC、EC.已知[AB=2]，[DE=1]，[BD=8]，設(shè)[CD=x].

（1）用含x的代數(shù)式表示[AC+CE]的長;

（2）點(diǎn)C滿足什么條件時(shí)，[AC+CE]的值最小？

（3）根據(jù)（2）中的規(guī)律和結(jié)論，求出代數(shù)式[x2+4+12-x2+9]的最小值.

這個(gè)問題進(jìn)一步把幾何問題和代數(shù)問題緊密結(jié)合起來，特別是第（3）問，看似是求一個(gè)算術(shù)平方根的和的最小值.如果教學(xué)中沒有前面這些鋪墊，單獨(dú)拿出這個(gè)問題，學(xué)生基本解決不了.有了前面的鋪墊，就容易想到構(gòu)造幾何圖形，進(jìn)一步應(yīng)用勾股定理求出代數(shù)式的最小值.

五、拓展提高

1.如圖10，已知[∠AOB=45°]，P是[∠AOB]內(nèi)部一點(diǎn)，且[OP=2 cm]，點(diǎn)E、F分別在射線OA、OB上，找出E、F兩點(diǎn)，使[△PEF]周長的最小，并求出最小值.

這個(gè)問題學(xué)生往往容易認(rèn)為過P作OA、OB的垂線，垂足就是所求的點(diǎn).實(shí)際上這是錯誤的.通過圖11，我們就會發(fā)現(xiàn)[△PEF]的周長等于線段MN的長，因此，如何求線段MN的長是解決本題的關(guān)鍵.題目中的已知條件[∠AOB=45°]還沒有用，如何應(yīng)用這個(gè)條件？這個(gè)條件對我們解決問題有什么作用？帶著這些問題去思考.如圖12，連接[OM]、[ON]就會發(fā)現(xiàn)[∠MON=2×45°=90°]，這樣利用軸對稱的性質(zhì)和勾股定理就可以解決問題.

以上是筆者在教學(xué)中對最短路徑問題的研究，有不當(dāng)之處敬請批評指正.

（責(zé)任編輯 黃桂堅(jiān)）