【摘要】学习数学的正确途径是实行“再创作”,教师要引导学生进行再创造,而不是把知识灌输给学生,正所谓:授之以鱼,不如授之以渔.
【关键词】折纸;GeoGebra
提起圆锥曲线,很多人的第一反应就是:好难!总觉得圆锥曲线高高在上,我们都在仰视。我们在学习圆锥曲线的时候,在一定程度上是在被动的接受知识,没有真是感受到圆锥曲线的形成,当然,课堂上也有部分老师讲过dandelin双球模型,或者用平面去截圆锥,我们也也感受圆锥曲线的神奇,但是很多同学可能还是觉得很深奥,今天,我就从一个非常接地气的角度——折纸,带大家认识圆锥曲线.
过于枯燥、死板地学习数学,是无法真正激起学生学习数学的兴趣的,而来源于我们生活中的数学,则更能使学生真切体会到数学的真实性,让大家感受到原来数学就在自己身边,也让我们能更加透彻地理解和掌握数学知识.在我们固有的印象中,折纸只能折出直线的图形,因为从我们折纸的过程中我们真切的感受到:无论如何,折痕都是直的.实际上,这是一种误解!足够多的直的折痕,有时也能围出优美的曲线.借助GeoGebra,更能够直观的感受圆锥曲线的形成过程,让曲线动起来.
GeoGebra=Geometry+Algebra,就是“几何+代数”,是进行数学学习、数学教学以及数学各类研究的强有力工具.该软件功能非常强大,可以进行计算,也可以利用其自带的几何工具来进行画点、直线、线段、多边形、平面、空间几何体、圆锥曲线、切线……,进行动态跟踪,让数学更加直观和具体。
引例:如图,取一张圆形纸片,其圆心记为点,点是圆内异于点的一个定点,点是圆周上的一个动点.我们把纸片进行折叠,使得点与点重合,然后再展平纸片,折痕(如虚线所示)与直线O相交于点.当点在圆周上运动时,则点的轨迹是( ).
A.圆 B.椭圆 C.双曲线 D.抛物线
我们会发现:将纸片每折叠一次,纸片上就会有一条直线,这条直线就是折痕,如果我们不断地重复这个折纸的动作,纸片上就会显示出一条清晰的曲线的轮廓,实际上,我们就是“折”出了这条曲线.
这个折纸的过程很简单,都是在重复相同的动作,过程虽然不难,但是却比较繁琐,如果想要使点取遍圆周上的所有点,那这个工作量就会非常大,这就我们人力所能及的范围,今天我们就借助一个强大的数学软件——GeoGebra,帮助我们折纸,让点真正动起来,借助GeoGebra,我们真切感受到了椭圆的形成。利用GeoGebra做出动画,通过动画,我们一眼就能看到所有的折痕就能衬托出一个椭圆的形状.按照上述的折法,折痕就是圆O的半径OA的中垂线,“折”出来的其实是椭圆.下面我们严格证明一下:
如图,设圆的半径为R,连接PM,则点P为线段AM的中垂线与圆O的半径OA的交点,由中垂线的性质,|PM|=|PA|,又|PA|+|PO|=|OA|=R,|PM|-|PO| =R>|OM|,该表达式即为椭圆的定义,则点P的轨迹为椭圆.
其实,折纸法建立在包络的基础上,折痕就是包络线. 在上述的操作方法中,中垂线就是折痕,也叫做包络线.其实,在上述折纸过程中,每一条折痕都是椭圆的切线,这无数条切线就把椭圆“包”住了.
变式:在上述例子中,我们把点移到圆外,此时点轨迹又是什么呢?
我们同样可以“折”出这条曲线,可以直观的看到是双曲线.
借助GeoGebra 的演示,我们就可以清晰地看到点的轨迹就是双曲线,同样,我们也能严格证明:
设圆的半径为R,连接PM,则点P为线段AM的中垂线与圆O的半径OA的交点,由中垂线的性质,则|PM|=|PA|,又|PA|-|PO|=|OA|=R,所以|PM|-|PO|=R<|OM|,则点P的轨迹为双曲线.
同样,中垂线就是折痕,也就是包络线,也就是双曲线的切线。
我们利用圆形纸片就可以“折”出椭圆和双曲线,到了这里,我们肯定会有一个想法:我们可以“折”出抛物线吗?答案是肯定的。
如下图所示:取一张长方形的纸片,先找到BC边的中点F,然后将点F折到BC边的对边(AD边)的任意一个位置,记为点E,过点E作AD的垂线交折痕于点P,则点P的轨迹为抛物线。一样地,我们借助GeoGebra 做出动画,就能清晰的看到点的轨迹就是抛物线.
证明如下: 连接PF,则点P为线段EF中垂线上的点,所以|PE|=|PF|又点F为BC边上的一个定点,|PE|为点P到定直线AD的距离,由抛物线的定义知点P的轨迹为抛线。
其中,折痕就是抛物线的切线,也就是包络线.
引申练:
将长方形纸片ABCD以EF为折痕折叠(点F在BC边上,点E在边AD或者CD上),使每次折叠后点C都落在AB上,此时,将点C记为点C',然后展平纸片,过点C作垂直于AB的折痕与折痕EF交于点P,则点P的轨迹是( )
A.圆 B.椭圆 C.双曲线 D.抛物线
解答:由题意知|PC|=|PC'|,所以点P在以点C为焦点,以AB为准线的抛物线上.故选D.
实际上,圆锥曲线就“生活”在我们的生活中,生活中最常见的一个例子,应该就是我们天天用、人人用的水杯,我们随便用一个圆柱体的水杯盛半杯水,当我们把水杯平放时,水面就是一个圆面,若把水杯倾斜一个角度,水面就会变成一个椭圆.我们的四周充满着圆锥曲线,而“折”出来的圆锥曲线,不仅接地气,具有浓浓的生活气息,大家都能操作,圆锥曲线不再高高在上,折纸还能较好地还原圆锥曲线本来所特有的本质.特别是在GeoGebra的帮助下,使“折纸”更加容易,让圆锥曲线动态的、清晰的呈现在我们的面前,圆锥曲线不再抽象,它使得我们的教学、学习可视化,让数学“动”起来.
我们借助GeoGebra,我们就可以把高高在上的数学拉近我们的身边,看清数学知识的本质和奥秘.
参考文献:
[1][美]托马斯·赫尔(Thomas Hull) 著,张文娟,叶雅玲,译.折纸设计的秘密——折纸模型中的数学世界,2017(5).
[2]王贵军.GeoGebra与数学实验,2017(9).
[3]闻杰.高考数学拉档提分全攻略——解析几何,2018(5).