建聯(lián)系顯本質(zhì) 理思路融文化
——“雙曲線及其標(biāo)準(zhǔn)方程”的教學(xué)與反思

李 昌 (南京師范大學(xué)灌云附屬中學(xué) 222200 江蘇省高中數(shù)學(xué)名師工作室 213001)

凸顯數(shù)學(xué)本質(zhì)、建立知識體系、理清運(yùn)算思路、融入數(shù)學(xué)文化、發(fā)展核心素養(yǎng)是數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)有之義．實踐中如何有機(jī)結(jié)合恰到好處地發(fā)揮這些功能，是一線教師不斷探索的問題．本文以“江蘇省高中數(shù)學(xué)名師工作室(主持人：張志勇)”研修活動為依托，回顧反思自己的一節(jié)公開課，敬請讀者批評指正．

1 學(xué)情分析

授課對象是江蘇省常州市第五中學(xué)高二某班學(xué)生，他們學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較好，已經(jīng)學(xué)習(xí)了《普通高中教科書·數(shù)學(xué)(選擇性必修第一冊)》的前兩章，能解決直線、圓以及它們的位置關(guān)系等有關(guān)問題，對解析法有初步的認(rèn)識．在第三章《圓錐曲線與方程》中，他們剛學(xué)完第1節(jié)“橢圓”，能清楚地表述橢圓的概念、標(biāo)準(zhǔn)方程和幾何性質(zhì)，會推導(dǎo)橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程．這些認(rèn)知有利于“雙曲線及標(biāo)準(zhǔn)方程”的教學(xué)．

2 課標(biāo)解讀

圓錐曲線是平面解析幾何的主要內(nèi)容，《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(下稱《課標(biāo)2017》)指出：平面解析幾何的教學(xué)，應(yīng)幫助學(xué)生在平面直角坐標(biāo)系中，認(rèn)識圓錐曲線的幾何特征，建立標(biāo)準(zhǔn)方程；運(yùn)用代數(shù)方法進(jìn)一步認(rèn)識圓錐曲線的性質(zhì)以及它們的位置關(guān)系，掌握平面解析幾何解決問題的基本過程，感悟蘊(yùn)含于其中的數(shù)學(xué)思想．通過圓錐曲線的教學(xué)，重點(diǎn)提升學(xué)生的直觀想象、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)建模、邏輯推理和數(shù)學(xué)抽象等素養(yǎng)．[1]雙曲線與橢圓的教學(xué)內(nèi)容和研究方法相似，所以雙曲線的教學(xué)應(yīng)具有一定的延續(xù)性和類比性．

教學(xué)目標(biāo) (1)了解雙曲線的實際背景，感受其在刻畫現(xiàn)實世界和解決實際問題中的作用；(2)經(jīng)歷從具體情境中抽象雙曲線概念的過程，獲得雙曲線的概念，提升數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)；(3)經(jīng)歷推導(dǎo)雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程的過程，培養(yǎng)和提升數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯推理能力．

教學(xué)重點(diǎn) 雙曲線解析定義的建立和標(biāo)準(zhǔn)方程的推導(dǎo)．

教學(xué)難點(diǎn) 雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程推導(dǎo)路徑的選擇與實施．

3 過程實錄

3.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

通過圖1喚醒學(xué)生對圓錐截線的記憶；通過圖2了解雙曲線在現(xiàn)實生活中的運(yùn)用，結(jié)合圖3(動畫)指出雙曲線是彗星等天體的運(yùn)動軌跡；提出如圖4所示的問題：設(shè)A,B,C是三個不共線的監(jiān)測站，B,A相距800 m，C,A相距1 000 m，信號源M與A,B,C在同一平面上．若A,B,C同時收到信號，如何確定M的位置？

圖1 圖2

圖3 圖4

生1：M在線段AB,AC的垂直平分線l1和l2的交點(diǎn)上，因為M到點(diǎn)A,B,C的距離相等．

師：很好！若將問題改為：某時刻B先收到信號，2 s后A和C同時收到該信號，其中信號傳播速度為340 m/s，如何確定M的位置？

生2：M仍在l2上但不在l1上，因為M到A,B兩點(diǎn)的距離不相等．

師：的確，但是線段MA,MB之間是否有等量關(guān)系？

生3：MA-MB=680．

師：這表明，若求出方程MA-MB=680的曲線，其與l2的交點(diǎn)即M的位置．由于接收信號的時間差可以是其他常數(shù)，因此一般的情形為：求平面上到兩定點(diǎn)的距離之差等于常數(shù)的動點(diǎn)軌跡．

設(shè)計意圖展示前三幅圖片意在激發(fā)學(xué)生回顧知識源頭，了解知識的應(yīng)用；通過對時差定位問題從特殊到一般的抽象概括，獲得研究對象，形成概念表象，提升學(xué)生抽象概括的素養(yǎng)．

3.2 探究雙曲線定義

師：研究過與之類似的軌跡問題嗎？

生4：把“距離之差”改為“距離之和”即為橢圓的定義．

師：很好！請回顧研究橢圓的思路和過程．

生4：先畫出圖形，根據(jù)圖形建立直角坐標(biāo)系，求出標(biāo)準(zhǔn)方程，再用方程研究幾何性質(zhì)．

師：這是解析法的研究范式．因此，先在平面上畫出到兩定點(diǎn)距離之差等于常數(shù)的點(diǎn)的軌跡．到定點(diǎn)的距離可以轉(zhuǎn)化為圓的模型，因此兩個動圓的交點(diǎn)可以模擬動點(diǎn)．如 圖5，在GeoGebra中取定兩點(diǎn)F1和F2為圓心畫兩個相交的圓，只要保持兩圓的半徑之差為常數(shù)，其交點(diǎn)M就滿足MF1-MF2為常數(shù)．為此，構(gòu)造過定點(diǎn)A,B的直線，取其上動點(diǎn)C在線段AB的延長線和反向延長線上移動時，CA-CB=±AB．觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AB

圖5

師：當(dāng)AB≥F1F2時，點(diǎn)M的軌跡如何？還是雙曲線嗎？請預(yù)測并說明依據(jù)．

生5：不是雙曲線，因為橢圓定義中有類似的限制．

師：橢圓是很好的參照對象，類比是發(fā)現(xiàn)結(jié)論的重要途徑．改變線段AB的長度，觀察交點(diǎn)M的軌跡形狀，發(fā)現(xiàn)當(dāng)AB>F1F2時，兩圓內(nèi)切，點(diǎn)M雖然滿足到F1,F2的距離差為常數(shù)，但其軌跡不是雙曲線，而是以F1,F2為端點(diǎn)的兩條射線，如圖6；當(dāng)AB>F1F2時，兩圓內(nèi)含無交點(diǎn)，如圖7，這表明此時點(diǎn)M的軌跡不存在．由此得雙曲線的定義：平面上到兩個定點(diǎn)F1,F2的距離之差的絕對值等于常數(shù)2a(0<2a

圖6 圖7

設(shè)計意圖引導(dǎo)學(xué)生對比橢圓的概念，建立知識聯(lián)系，探尋研究方法；運(yùn)用GeoGebra動態(tài)計算和代數(shù)演算功能，演示軌跡形狀，揭示概念本質(zhì)；改變2a與2c的大小，通過對軌跡形狀變化的觀察和對軌跡存在性的思考，完善雙曲線的概念，提升學(xué)生數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)．

3.3 推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)方程

師：回顧建立曲線方程的方法和步驟，嘗試建立雙曲線的標(biāo)準(zhǔn)方程．

師：如果去掉絕對值，能完成化簡嗎？說說化簡的思路．

師：很好！就是化簡橢圓方程的“兩次平方法”，課后自行完成吧．

生8：作差抵消相同項，但無法實施，因為它們在兩個根號內(nèi)．

師：這不是由雙曲線定義得出的等式，若不能與定義建立聯(lián)系，就毫無意義．

生10：左邊是平方差，因式分解為(MF1+MF2)(MF1-MF2)=4cx，即出現(xiàn)定義中的距離差．

師：那如何建立聯(lián)系？有何結(jié)果？

師：這有何用？

師：得出雙曲線上任意一點(diǎn)到兩焦點(diǎn)的距離，稱為焦半徑．這與兩點(diǎn)間距離公式不同，說明什么？

師(追問)：這是由雙曲線定義建立的方程嗎？為什么？

生11：是，左邊的焦半徑由雙曲線定義得出．

師：上述推導(dǎo)以根式為運(yùn)算對象，通過平方、作差、因式分解銜接定義．這種“平方差法”最早由英國數(shù)學(xué)家賴特于1836年在《圓錐曲線之代數(shù)體系》中給出．歷史上許多數(shù)學(xué)家推導(dǎo)圓錐曲線標(biāo)準(zhǔn)方程的方法別具智慧，如洛必塔的“和差術(shù)”、斯蒂爾的余弦定理等都值得學(xué)習(xí)借鑒，請大家課后查閱相關(guān)資料．

師：焦點(diǎn)在y軸上的雙曲線，其標(biāo)準(zhǔn)方程是什么？

師：從雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程的形式上，如何確定焦點(diǎn)的位置？

生12：是平方差等于1的代數(shù)式，焦點(diǎn)位置對應(yīng)于被減式．

設(shè)計意圖用“兩次平方法”推導(dǎo)雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程，是等價變形在變式情境下的遷移運(yùn)用，能體現(xiàn)方法的一致性，但只能提升學(xué)生的熟練程度．改用“平方差法”是全新的路徑，要重新選擇運(yùn)算對象、確定運(yùn)算法則、設(shè)計運(yùn)算思路，是發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)運(yùn)算素養(yǎng)的載體．告知推導(dǎo)方法，意在激發(fā)興趣開闊視野．

3.4 運(yùn)用數(shù)學(xué)知識

例1已知雙曲線的兩個焦點(diǎn)分別為F1(-5,0),F2(5,0)，其上一點(diǎn)到兩焦點(diǎn)的距離的差的絕對值等于8，求雙曲線的標(biāo)準(zhǔn)方程．(解 答略)

師：雙曲線的焦點(diǎn)坐標(biāo)既能定位又能定量，這與橢圓焦點(diǎn)坐標(biāo)的功能一致．

師：橢圓、雙曲線的標(biāo)準(zhǔn)方程形式相似，橢圓的a2比大小，雙曲線的a2看符號．

例3已知A,B兩地相距800 m，一枚炮彈在某處爆炸，在A處聽到爆炸聲的時間比在B處延遲2 s，聲音的速度是340 m/s．那么(1)爆炸點(diǎn)M在什么曲線上？(2)這條曲線的方程是什么？

解(1)MA-MB=680，而680<800，所以爆炸點(diǎn)M在以A,B為焦點(diǎn)的雙曲線距B較近的那一支上．

設(shè)計意圖例1是概念在標(biāo)準(zhǔn)情境下的直接運(yùn)用，意在明確焦點(diǎn)坐標(biāo)的定位和定量作用；例2為了對比橢圓和雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程的形式；例3是用于回應(yīng)情境中的問題，引出“雙曲時差定位法”建模運(yùn)用，也為學(xué)習(xí)直線與圓錐曲線的位置關(guān)系埋下伏筆．

3.5 小結(jié)課堂收獲(略)

4 教學(xué)感悟

4.1 雙曲線的概念抽象，既要建立與橢圓的關(guān)聯(lián)更要突出本質(zhì)

概念教學(xué)不能“掐頭去尾留中斷”，也不是“一個定義幾項注意”．學(xué)生只有清楚概念的來龍去脈，才能理解內(nèi)涵學(xué)到“活”的知識，才能體會數(shù)學(xué)的方法、精神和思想．雙曲線的概念教學(xué)應(yīng)從圓錐曲線整體性的視角體現(xiàn)其與橢圓的關(guān)聯(lián)，在獲得雙曲線概念表象后，才與橢圓建立聯(lián)系，如此才能避開直接把“和”改為“差”帶來的突兀和生硬．學(xué)生明白了雙曲線的特征后，就不會糾結(jié)于為什么不研究距離之積、之商為常數(shù)的軌跡，這有利于集中思維凝練本質(zhì)．

從概念的表現(xiàn)形態(tài)和思維形態(tài)看，教學(xué)應(yīng)該經(jīng)歷概念抽象和符號抽象兩個過程才能突出本質(zhì)，根據(jù)抽象程度可分為三個階段：簡約階段、符號階段、普適階段[2]．本課中，學(xué)生回顧情境、解決和抽象概括時差定位問題獲得研究對象，形成概念表象，實現(xiàn)對雙曲線的簡約抽象．學(xué)生觀察動點(diǎn)軌跡形狀、驗證距離差值的恒定性，獲得雙曲線的概念本質(zhì)，實現(xiàn)了幾何符號抽象；隨著雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程的建立，完成了代數(shù)符號抽象．改變2a與2c的大小，通過對軌跡形狀變化的觀察和對軌跡存在性的思辨，學(xué)生“看”到了限定2a<2c的必要性，實現(xiàn)了對雙曲線概念的純化，提高了概念的普適性．

4.2 標(biāo)準(zhǔn)方程的推導(dǎo)，既要理清運(yùn)算的思路又要滲透數(shù)學(xué)文化

《課標(biāo)2017》指出，數(shù)學(xué)運(yùn)算表現(xiàn)為理解運(yùn)算對象，掌握運(yùn)算法則，探究運(yùn)算思路和求得運(yùn)算結(jié)果．其中運(yùn)算思路的產(chǎn)生是解決問題的關(guān)鍵，是體現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算素養(yǎng)的精華．[3]雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程的推導(dǎo)是發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)運(yùn)算素養(yǎng)的有效載體．因為運(yùn)算對象和運(yùn)算法則具有多樣性和選擇性，所以運(yùn)算思路具有靈活性，但運(yùn)算結(jié)果具有唯一性，這種殊途同歸是數(shù)學(xué)本質(zhì)和獨(dú)特魅力的體現(xiàn)．“平方差法”推導(dǎo)雙曲線標(biāo)準(zhǔn)方程，運(yùn)算對象不是定義中距離差的等式，而是用于表達(dá)距離的兩個根號，其運(yùn)算思路不是“兩次平方法”的等價變形，而是用平方、作差和因式分解等運(yùn)算法則進(jìn)行代數(shù)變形，實現(xiàn)與雙曲線定義的銜接，獲得焦半徑的代數(shù)表達(dá)，從而建立雙曲線的方程．這是“算兩次”思想的運(yùn)用和體現(xiàn)．

圓錐曲線積淀了數(shù)學(xué)文化，凝聚了人類智慧．在教學(xué)中選擇合適的時機(jī)，以恰當(dāng)?shù)姆绞桨褦?shù)學(xué)家的方法融入課堂，讓學(xué)生親歷數(shù)學(xué)家真實的思維過程，“看到”數(shù)學(xué)家當(dāng)初是如何進(jìn)行分析、歸納、抽象、論證的，是如何進(jìn)行判斷、繞過障礙、走向成功的[4]，體會數(shù)學(xué)家思考問題的角度和方法，獲得數(shù)學(xué)文化的滋養(yǎng)，逐漸走出“知識理解”的圍欄，向“知識遷移”過渡，再向“知識創(chuàng)新”提升[5]．