注重數形結合　發展幾何直觀素養

【摘 要】幾何直觀主要是指利用圖形描述和分析問題，可以把復雜的數學問題變得簡明、形象，有助于探索解決問題的思路，預測結果。通過一題多解可以很好地發展學生的幾何直觀素養，讓學生走出“題海”，提高學習效率。

【關鍵詞】初中數學;數形結合;幾何直觀;一題多解

【中圖分類號】G633.6? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2022）24-0016-06

幾何證明題在中考數學中占有極其重要的地位，不僅屬于難點，還具有拉開學生之間的分數差距的作用。而角和線段是初中幾何的基本元素，其中角相等的證明，基本上可以涉及初中幾何的方方面面，如角平分線、兩直線平行、三角形全等及相似等知識。解決角相等問題的知識和方法越多，選擇的范圍也就越廣，這對教師的教和學生的學都提出了新的要求。縱觀各地試題，有的給基礎習題添加新問題，有的給基本模型創設新情境，有的賦予核心概念新視角。對此，學生要能夠抓住問題的本質，靈活運用角平分線、兩直線平行、全等三角形、等面積法等知識和方法，提升自己的解題

能力[1]。

幾何直觀主要是指運用圖形描述和分析問題的意識和習慣，可以把復雜的數學問題變得簡明、形象。下面筆者通過一道初二幾何壓軸題，展示數形結合與幾何直觀在證明角相等的問題中的

作用。

1? ?試題再現

2017—2018學年湖北省武漢市青山區八年級（上）期末數學試卷24題：如圖1，在平面直角坐標系中，直線AB分別交x軸、y軸于點A（a，0）與點B（0，b），且a，b滿足a2+4a+4+|2a+b|=0。

（1）a=____;b=____;

（2）點P在直線AB的右側，且∠APB=45°，

①若點P在x軸上，則點P的坐標為____;

②若ΔABP為直角三角形，求點P的坐標;

（3）如圖2，在（2）的條件下，點P在第四象限，∠BAP=90°，AP與y軸交于點M，BP與x軸交于點N，連接MN，求證：MP平分ΔBMN的一個外角。

2? ?解法呈現

解析問題（1）：方程左邊前三項先完成配方，然后根據兩個非負數的和為零則這兩個非負數都為零這一規律，得到兩個方程，最終解得a=-2，b=4。

解析問題（2）：①如圖3，根據上一問得到b=4，則得到OB的長為4，再根據點P在直線AB的右側且在軸上，再加上∠APB=45°，很容易根據等腰三角形的性質得到OP=OB=4，進而得到P的坐標為（4，0）。

②如圖4，題目要求ΔABP為直角三角形，并沒有指明哪個角是直角，此時要應用分類討論思想。由于已給出∠APB=45°，因此只有∠ABP=90°和∠BAP′=90°兩類。

當∠ABP=90°時，過點P作PC⊥OB于C，易證ΔAOB≌ΔBCP（AAS），∴P（4，2）;當∠BAP′=90°時，過點P′作P′D⊥OA于D，同理可得ΔADP′≌ΔBOA，∴P′（2，-2）。即滿足條件的點P坐標為（4，2）或（2，-2）。

2.1? 利用平行構造全等

問題（3）解法1：已知∠BAP為直角，因為兩坐標系互相垂直，容易想到“K字型”模型。借助平行輔助線，構造兩組全等，進而將角的問題通過全等得以轉化。

如圖5，由（2）知點P（2，-2），∵A（-2，0），∴直線AP的解析式為，

∴M（0，-1），∴BM=5，

同理，直線BP的解析式為y=-3x+4，

∴N（，0），∴MN=，

過點P作PH∥AB交x軸于H，

∵∠BAP=90°，

∴∠BAO+∠PAH=90°，

∴∠BAO+∠ABM=90°，

∴∠ABM=∠PAH，

在ΔABM和ΔPAH中，

∴ΔABM≌ΔPAH（ASA），

∴∠AMB=∠PHA，AH=BM=5，

∴∠PMG=∠PHA，OH=AH-OA=3，

∴H（3，0），

∴NH=3-，

∵P（2，-2），M（0，-1），H=（3，0），

∴PM=，PH=，PM=PH，

∴ΔPNM≌ΔPNH（SSS），

∴∠AHP=∠PMN，

∴∠PMG=PMN，即MP是ΔBMN的一個外角的平分線。

評析：借助平行線構建了“K字型”基本模型的兩個全等三角形ΔABM和ΔPAH，進而求得了AP和BP兩條直線的解析式，利用直線與坐標軸的交點和兩點間的距離公式得到MN=NH，PM=PH，最后再次利用全等求得兩角相等。在平時的教學中，教師不僅要重視兩直線平行、三角形全等、兩點距離公式等基本知識和基本方法的傳授，還要重視基本模型的滲透。

2.2? 巧借中點構造全等

解法2：要證明∠DMP=∠NMP，可以轉化為證明∠AMB=∠NMP，于是想到作MP的垂線來構造全等三角形。根據同垂直于一條直線的兩直線平行，借助直線解析式可以得到交點坐標，進而獲得相等線段。

如圖6，過點P作PM的垂線，交MN的延長線于點C，交y軸于點D。

設直線AP為y=kx+b（k≠0），直線過點A（-2，0），P（2，-2），

則有，解得，

∴直線AP為，

令x=0，則y=-1，∴M的坐標為（0，-1），

又∵AP中點為，即（0，-1），

∴M為AP中點。

設直線BP為y=k1x+b1（k1≠0），直線過點B，P，

∴，解得，

∴直線BP為y=-3x+4，令y=0，則，

∴N。

設直線MN為y=k2x+b2（k2≠0），直線過點

M，N，

∴，解得，

∴直線MN為，

又∵∠MPC=∠BAP=90°，

∴AB∥PC，設直線PC為y=2x+b3過點P，

∴-2=4+b3，解得b3=-6，

∴直線PC為y=2x-6，

∴，解得，

∴MC=。

又∵BM=OB+OM=5，∴BM+MC，

在RtΔABM與RtΔPCM中，

∴RtΔABM≌RtΔPCM（HL），

∴∠BMA=∠CMP，

又∵∠DMP=∠AMB，

∴∠DMP=∠PMC，

∴MP為∠DMN的平分線。

評析：借助兩直線垂直時k值互為負倒數的基本知識得到PC的直線解析式。利用中點坐標公式推出M為AP中點，再由直線解析式求得N，C的坐標，然后利用兩點間的距離公式得到BM=MC，最后利用全等求得兩角相等。

2.3? 利用函數構造全等

解法3：利用∠APB為45°這個條件，結合本問要證明的結論反推回來，此時作BP的垂線能夠得到全等三角形。

如圖7，過點P作BP的垂線交BA的延長線于點Q，交y軸于點G。

設直線BP為y=kx+b（k≠0），B（0，4），P（2，-2）在直線BP上，

∴，解得：，

∴直線BP為y=-3x+4，又∴BP⊥PQ，

可設直線PQ為，P（2，-2）在直線PQ上，∴，，

∴直線PQ為，

求得：，。

∴NP===，

GP===，

∴GP=NP。

∵∠BPA=45°，∠BPQ=90°

∴∠NPM=∠GPM=45°。

在ΔMNP與ΔMGP中，，

ΔMNP≌ΔMGP（SAS）

∴∠NPM=∠GPM，即MP平分∠GMN。

評析：此法同樣用到了兩直線垂直時k值互為負倒數，獲得PQ直線解析式，仍舊利用兩點間的距離公式得到線段相等，最后結合已知的45°角和公共邊，只用一次全等就能證明結論。兩直線垂直k的關系、特殊角的應用是此方法的特點，教師要引導學生充分利用現有條件構建全等模型，發展幾何直觀素養。

2.4? 借助旋轉構造全等

解法4：題中∠APB為45°，若向兩邊作垂線可以得到半角模型，可得出PE的輔助線做法，進而構造全等的模型。

如圖8，過點P分別向x軸、y軸作垂線，分別交于點C，D。

∵P（2，-2），∴CP=DP，

將?CPN繞著P點逆時針轉動90°，C點落在D點上，N點落在y軸的E點上。

∴?CPN≌?DPE，

∴∠CPN=∠DPE，EP=NP，

又∵∠CPN+MPD=45°，

∴∠DPE+∠MPD=45°，

∵∠EPM=45°，

∴∠EPM=∠NPM。

在?EPM與?NPM中，，

∴ΔEMP≌ΔNMP（SAS），

∴∠EMP=∠NMP，即MP平分∠NME。

評析：過P向坐標軸作垂線，易得到正方形，再加之∠APB=45°的條件，具有較強的指導性。由于學生常見的半角模型多是以直角為背景的，此時旋轉思想的應用比較自然，最后利用二次全等便可直接證明兩個角相等。這也要求教師在平時的教學中注重基本幾何模型的提煉，如半角模型、全等模型等。

2.5? 用等面積法構造全等

解法5：利用角平分線的逆定理來證明角平分線，往角兩邊作垂線應該是最容易想到的輔助線方法，再借助等面積方法思想，只需要證明PY=PH即可。

如圖9，過P點分別作y軸與MN的垂線交于點H與點Y。

設直線AP的解析式y=kx+b（k≠0），直線過點A（-2，0），（2，-2），

∴，解得，

∴直線AP為。

∵直線AP交y軸于點M，

∴M（0，1），

∴OM=1。

設直線BP為y=k1x+b1（k1≠0），

直線BP過B（0，4），P（2，-2），

∴，解得，

∴直線BP為y=-3+4，

∵直線BP交x軸于點N，

令y=0，則，

∴N（，0），

∴ON=，

評析：要證角平分線，可以證明點P到角兩邊的距離相等即可。作角兩邊垂線的輔助線還是比較容易想到的，這樣可以接著把問題轉化為面積問題，進而轉化為求線段長的問題，最終還是構造全等模型證明角平分線。面積法往往可以使問題簡化。

2.6? 截取線段構造全等

解法6：最簡單明了的方法就是直接構造兩角相等的全等三角形，截取線段相等不難想到，但是要借助直線解析式證明PN=PH是重難點，而借助坐標解決線段相等問題變得較為簡單。

評析：此解法為六種解法中最為巧妙的。難點是截取線段相等，亮點是解析式求點坐標，利用兩點間的距離公式得到邊相等，最后利用SSS巧妙證明全等。教師要使學生掌握化繁為簡的技巧，直接抓住問題的本質，理清解題的思路，有效提升學生的邏輯思維能力。

在幾何題目中，輔助線的添加具有較強的技巧性，對解題有舉足輕重的作用。如何利用條件添加輔助線？如何結合結論添加輔助線？這些都是教師在日常教學中應該重點思考的問題。教師平時還應多開展一題多解的訓練，這樣有助于學生把握一些基本的教學模型，提高學生的數學能力[2]。

由上述例題可以看到，函數解析式對于幾何證明有很大的幫助，不僅可以求解點的坐標，也能間接解決線段相等的問題。兩直線互相垂直時，k的關系以及兩點間的距離公式都能起到關鍵的作用。幾何直觀可以幫助學生直觀地理解數學知識，在整個數學學習過程中都發揮著重要作用。對此，教師應打破束縛，勇于探索，發展學生的幾何直觀素養。

【參考文獻】

[1]曹曉榮.與角平分線相關的基本題型[J].初中數學教與學，2017（8）.

[2]孫刖夫.淺談初中《幾何》習題一題多解與多變[J].成都教育學員學報，2000（7）.

【作者簡介】

李杰（1986～），男，四川成都人，本科，中學一級教師。研究方向：初中數學教學。