基于GeoGebra分析一道中考?jí)狠S題的源與流

趙玉葉

(江蘇省蘇州市吳江區(qū)盛澤第二中學(xué) 215228)

中考數(shù)學(xué)試題由專家組精心命制而成，而數(shù)學(xué)壓軸題歷來(lái)在數(shù)學(xué)中考中占有舉足輕重的地位．有些試題看似超乎尋常，實(shí)則抽絲剝繭后都能尋到基本的“知識(shí)源”，擁有很深的基礎(chǔ)性和生命力．GeoGebra數(shù)學(xué)軟件(簡(jiǎn)稱GGB)具有動(dòng)態(tài)、交互、開放、共享、簡(jiǎn)單、易用等特點(diǎn)，可以創(chuàng)建開放的探究環(huán)境，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)向動(dòng)態(tài)教學(xué)的轉(zhuǎn)變．本文基于GGB軟件分析2021年連云港中考數(shù)學(xué)27題這道動(dòng)點(diǎn)軌跡壓軸題，旨在對(duì)其解法進(jìn)行分析并給出一些初步的思考，從思路摸索中感悟模型的根源，從猜想驗(yàn)證中體驗(yàn)本質(zhì)的提煉，從可視化探究中思考問(wèn)題的推廣，實(shí)現(xiàn)壓軸題的“尋源”與“顯流”．

1 試題呈現(xiàn)

在數(shù)學(xué)興趣小組活動(dòng)中，小亮進(jìn)行數(shù)學(xué)探究活動(dòng)．

圖1

(1)△

ABC

是邊長(zhǎng)為3的等邊三角形，

E

是邊

AC

上的一點(diǎn)，且

AE

=1，小亮以

BE

為邊作等邊三角形

BEF

，如圖1．求

CF

的長(zhǎng)

.

(2)如圖1，△

ABC

是邊長(zhǎng)為3的等邊三角形，

E

是邊

AC

上的一個(gè)動(dòng)點(diǎn)，小亮以

BE

為邊作等邊三角形

BEF

，在點(diǎn)

E

從點(diǎn)

C

到點(diǎn)

A

的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，求點(diǎn)

F

所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)

.

(3)△

ABC

是邊長(zhǎng)為3的等邊三角形，

M

是高

CD

上的一個(gè)動(dòng)點(diǎn)，小亮以

BM

為邊作等邊三角形

BMN

，如圖2．在點(diǎn)

M

從點(diǎn)

C

到點(diǎn)

D

的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，求點(diǎn)

N

所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)

.

圖2 圖3

(4)正方形

ABCD

的邊長(zhǎng)為3，

E

是邊

CB

上的一個(gè)動(dòng)點(diǎn)，在點(diǎn)

E

從點(diǎn)

C

到點(diǎn)

B

的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，小亮以

B

為頂點(diǎn)作正方形

BFGH

，其中點(diǎn)

F

，

G

都在直線

AE

上，如圖3．當(dāng)點(diǎn)

E

到達(dá)點(diǎn)

B

時(shí)，點(diǎn)

F

,

G

,

H

與點(diǎn)

B

重合．則點(diǎn)

H

所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)為

，點(diǎn)

G

所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)為

．第(1)小題是典型的全等三角形模型——“手拉手”模型．我們很容易證明△

BAE

≌△

BCF

(SAS)，求得

CF

=

AE

=1．

下面主要探討第(2)～(4)小題．

2 尋源：方法初探——“按圖索跡”

2

.

1 動(dòng)點(diǎn)軌跡：模型歸納

后三小題考查的是動(dòng)點(diǎn)的軌跡問(wèn)題．初中數(shù)學(xué)中的動(dòng)點(diǎn)軌跡有兩種模型：直線型、圓弧型．受函數(shù)圖象畫法三步驟的指引，解決動(dòng)點(diǎn)軌跡問(wèn)題可以分為三步：(1)畫圖，取3個(gè)特殊位置(一般是起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn))；(2)連線，判斷曲直；(3)求解，求動(dòng)點(diǎn)路徑的線段長(zhǎng)或弧長(zhǎng)．

圖4 圖5

圖6

新授課探討函數(shù)圖象至少是用五點(diǎn)來(lái)作圖，但初中的動(dòng)點(diǎn)軌跡最終只有線段和圓弧兩種，所以3個(gè)點(diǎn)就夠判斷曲直．對(duì)于第(2)、(3)小題，如圖4、圖5所示，分別取動(dòng)點(diǎn)

E

和

M

的起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)三個(gè)位置就能分別畫出線段軌跡

CD

和

EF

．容易證明△

BCD

是等邊三角形，四邊形

ABDC

是菱形．根據(jù)已知條件，可以計(jì)算出

CD

=

AC

=3，對(duì)于第(4)小題，如圖6所示，同樣取三個(gè)特殊位置就能畫出點(diǎn)

H

和點(diǎn)

G

分別經(jīng)過(guò)的路徑：與再分別找到圓心

I

、半徑

BI

和圓心

M

、半徑

BM

，就能求得兩個(gè)圓弧的長(zhǎng)：

2

.

2 圖形變換：本質(zhì)提煉

上述常規(guī)解法需要畫圖確定動(dòng)點(diǎn)的軌跡，所以比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力．如果從圖形變換的角度去思考動(dòng)點(diǎn)軌跡的問(wèn)題，往往可以發(fā)現(xiàn)從動(dòng)點(diǎn)軌跡與主動(dòng)點(diǎn)軌跡是有關(guān)聯(lián)的．本題所有圖形運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)都是旋轉(zhuǎn)加位似，共同特征是正多邊形共頂點(diǎn)．在這樣的圖形變換下都會(huì)形成“手拉手”模型．

如圖7所示,第(3)小題中由圍繞點(diǎn)

B

的四條“拉手線”

BA

=

BC

，

BM

=

BN

，就能找到△

BAM

≌△

BCN

(SAS)．所以點(diǎn)

N

的運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)等于點(diǎn)

M

的運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)

DC

．同理，如圖8所示，第(4)小題中由圍繞點(diǎn)

B

的四條“拉手線”

BA

=

BC

，

BF

=

BH

，能找到△

BAF

≌△

BCH

(SAS)，也就是點(diǎn)

C

，

G

，

H

三點(diǎn)共線．于是在Rt△

ACG

中，點(diǎn)

G

在以

AC

為直徑的圓上，在Rt△

BCH

中，點(diǎn)

H

在以

BC

為直徑的圓上．

圖7 圖8

解題的成功要依靠正確思路的選擇，要從最接近它的方向攻克．解初中的幾何題理所應(yīng)當(dāng)提倡“以圖為綱，按圖索跡”．對(duì)于動(dòng)點(diǎn)軌跡問(wèn)題，我們可以從局部去分析動(dòng)點(diǎn)的軌跡模型，判斷直線型或圓弧型；也可以從整體出發(fā)關(guān)注圖形變換(平移、對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)、位似)．點(diǎn)動(dòng)成線，線藏于形，解題時(shí)雙管齊下，方可使思路并蒂開花．

3 顯流：深度拓展——“按圖索GGB”

數(shù)學(xué)家波利亞指出：“當(dāng)你找到第一個(gè)蘑菇后，要環(huán)顧四周，因?yàn)樗鼈兛偸浅啥焉L(zhǎng)的．”在進(jìn)行完上述探究過(guò)程后，學(xué)生對(duì)本題的動(dòng)點(diǎn)軌跡和圖形變換有了一定的認(rèn)識(shí)與掌握，此時(shí)教師可以利用信息技術(shù)工具，向?qū)W生展示點(diǎn)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其他特殊動(dòng)點(diǎn)和一般化圖形作進(jìn)一步推廣．下文探究“按圖索GGB”的可視化拓展，利用GGB展開探索．

3.1 驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)點(diǎn)的軌跡

利用GGB使試題中的動(dòng)點(diǎn)軌跡可視化．如 圖9～圖11所示，利用GGB軟件，我們可以動(dòng)態(tài)演示出隨著主動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，第(2)、(3)小題從動(dòng)點(diǎn)形成的確實(shí)是直線軌跡

CD

和

EF

，第(4)小題中從動(dòng)點(diǎn)

H

和

G

形成的軌跡確實(shí)是和

圖9 圖10 圖11

3

.

2 探：探索其他的動(dòng)點(diǎn)

問(wèn)題1-1

第(2)小題中等邊三角形

BEF

的各邊中點(diǎn)形成了怎樣的軌跡？

圖12

先利用GGB探究：輸入等邊三角形

ABC

→在邊

AC

上任取一點(diǎn)

E

→連結(jié)

BE

，輸入等邊三角形

BEF

→輸入中點(diǎn)

K

,

N

,

H

→分別選擇中點(diǎn)

K

,

N

,

H

關(guān)于動(dòng)點(diǎn)

E

的軌跡．如圖12，可發(fā)現(xiàn)各邊中點(diǎn)的軌跡也是線段．

證明

中位線

NI

中位線

HM

易證明△

BCD

是等邊三角形，則菱形

ABDC

的中位線

KL

問(wèn)題1-2

若將第(2)小題中等邊三角形

ABC

和等邊三角形

BEF

都換成一般三角形，那么第三個(gè)頂點(diǎn)的軌跡會(huì)有怎樣的變化？

圖13

先利用GGB探究：輸入任意三角形

ABC

→在邊

AC

上任取一點(diǎn)

D

→連結(jié)

BD

，標(biāo)記∠

BCD

為

α

→順時(shí)針旋轉(zhuǎn)△

BCD

，旋轉(zhuǎn)角為

α

→作位似三角形

BED

→選擇點(diǎn)

E

關(guān)于動(dòng)點(diǎn)

D

的軌跡．如圖13，可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)

E

的軌跡不再與

AB

邊平行，但保持直線型軌跡．

證明

因?yàn)椤?p>CAB

∽△

FCB

，所以可由求出點(diǎn)

E

的軌跡長(zhǎng)

CF

．

問(wèn)題1-3

若將第(2)小題中等邊三角形

ABC

和等邊三角形

BEF

都換成一般三角形，那么各邊中點(diǎn)的軌跡會(huì)有怎樣的變化？

圖14

先利用GGB探究：輸入中點(diǎn)

H

,

M

,

L

→分別選擇中點(diǎn)

H

,

M

,

L

關(guān)于動(dòng)點(diǎn)

D

的軌跡．如圖14，可發(fā)現(xiàn)各邊中點(diǎn)的軌跡也是線段．

證明

中位線

LJ

中位線

MK

中位線

HI

問(wèn)題2

若將第(3)小題的中點(diǎn)

D

換成一般位置的點(diǎn)，其軌跡會(huì)有怎樣的變化？

圖15

先利用GGB探究：輸入等邊三角形

ABC

→在邊

AB

上任取一動(dòng)點(diǎn)

D

→連結(jié)

CD

，在邊

CD

上任取一動(dòng)點(diǎn)

E

→連結(jié)

BE

，輸入等邊三角形

BEF

→選擇點(diǎn)

F

關(guān)于動(dòng)點(diǎn)

E

的軌跡．如圖15，拖動(dòng)點(diǎn)

D

可發(fā)現(xiàn)點(diǎn)

F

的起點(diǎn)

G

隨之運(yùn)動(dòng)，終點(diǎn)

H

保持不變，軌跡依舊呈現(xiàn)直線型．拖動(dòng)點(diǎn)

E

，點(diǎn)

F

隨之在線段

GH

上運(yùn)動(dòng)．

證明

根據(jù)

BD

=

BG

，利用“手拉手”模型，我們?nèi)菀鬃C明△

BDE

≌△

BGF

(SAS)，所以點(diǎn)

F

的軌跡長(zhǎng)

GH

等于點(diǎn)

E

的軌跡長(zhǎng)

CD

．

問(wèn)題3

若將第(4)小題中動(dòng)點(diǎn)

E

從邊

BC

換到直線

BC

上，那么點(diǎn)

G

與

H

的軌跡會(huì)怎樣變化？

圖16

先利用GGB探究：輸入正方形

ABCD

→在直線

BC

上任取一動(dòng)點(diǎn)

E

→連結(jié)

AE

→過(guò)點(diǎn)

B

作

BF

⊥

AE

于點(diǎn)

F

→以

BF

為邊作正方形

BFGH

→選擇點(diǎn)

G

關(guān)于動(dòng)點(diǎn)

E

的軌跡、點(diǎn)

H

關(guān)于動(dòng)點(diǎn)

E

的軌跡．如圖16所示，可發(fā)現(xiàn)點(diǎn)

G

、點(diǎn)

H

的軌跡由圓弧變?yōu)檎麍A周．

證明

在Rt△

ACG

中，點(diǎn)

G

在以

AC

為直徑的圓上；在Rt△

BCH

中，點(diǎn)

H

在以

BC

為直徑的圓上．

數(shù)學(xué)解題總是從分析已知元素和未知元素開始，二者的關(guān)聯(lián)越不明顯，就越值得探究．本道中考?jí)狠S題難度較大，區(qū)分度明顯，學(xué)生很難觀察出從動(dòng)點(diǎn)與主動(dòng)點(diǎn)的直接聯(lián)系，更難將軌跡和圖形變換分析出來(lái)．但運(yùn)用GGB，學(xué)生能夠直觀地“看到”動(dòng)點(diǎn)間的聯(lián)系和要求的動(dòng)點(diǎn)軌跡．具象化地展示試題的完成和拓展可以幫助學(xué)生認(rèn)清試題本質(zhì)、理解數(shù)學(xué)問(wèn)題，有助于其養(yǎng)成反思的好習(xí)慣，落實(shí)“低起點(diǎn)，高落點(diǎn)”的目標(biāo)．

4 結(jié)語(yǔ)

中考數(shù)學(xué)命題十分重視回歸教材、重視基本知識(shí)，而中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的目的在于使學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)能力，形成正確的解題思路和看題觀點(diǎn)，這是中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的本源．弗賴登塔爾認(rèn)為：“數(shù)學(xué)知識(shí)不是教出來(lái)的，而是研究出來(lái)的．”學(xué)生解決問(wèn)題的能力何嘗不是如此呢？只有親歷問(wèn)題的探索過(guò)程、鍛煉科學(xué)的思維方式，才能在實(shí)踐中逐步具備豐富的策略方法．教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)適時(shí)、適量地使用信息化平臺(tái)，能夠突破數(shù)學(xué)“難以意會(huì)，無(wú)法言傳”的障礙，真正做到“教懂、教活、教深”，引導(dǎo)學(xué)生將更多精力集中在高層次的數(shù)學(xué)思考上，實(shí)現(xiàn)有意義的解題教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展．