这是一道在条件限制下,图形确定的几何难题。原题如下:
如图所示,矩形ABCD的对角线AC与BD相交于点O,点E在AD上,且DE = CD,连接OE,BE,∠ABE=1/2∠ACB。若AE= 2,求线段OE的长度。
1 先看标准答案
证明:设∠ABE =α,则∠ACB= 2α。
∵ AD∥BC,
∴ ∠EAF =∠ACB = 2α,
在Rt△AEF中,∠AEF = 90°-α,∠AFE = 180°-∠EAF -∠AEF = 90°-α,
∴ AF = AE = 2,
同理,可得 BC=FC
设线段ED=x,则AE= x,BC = 2+x,FC = BC = 2+x,
在Rt△ABC中,有
解得x=6(省略过程,其实有2个解,舍弃一个)。
过O点做OH⊥AD于H,
∵ 四边形ABCD是矩形,点O是对角线交点,
∴ OH = 1/2AB= 3,AH= 1/2AD= 4,EH =AH -AE = 2,
∴
2 题目分析
这道题存在两个较难的点:
难点1:如何发现AF = AE,BC = FC?
采用本题中的方式来证明等角对等边的方法,不常见,比较难想到。但其中包含了一定的规律,可作为一个”模型“来学习,熟悉之后问题不大。
什么模型呢?
如图,如果∠BAC = 2α,且∠C = 90°-α,则∠B = 180°- (90°- α) - 2α = 90°- α =∠C,即△ABC是等腰三角形。
将这个模型总结为一般命题的形式:在一个三角形中,如果一个角为2α,一个角为90°-α,则这个三角形为等腰三角形。再详细描述的话,2α的角为顶角,90°-α的角为底角。
此外,这个一般命题的逆命题也成立:在等腰三角形中,如果底角度数为90°-α,则顶角的度数为2α。这个结论似乎用处不大,犯不着刻意记忆,但我认为,学习数学,最好养成一种习惯:不要满足于解题答题,要学会自己提问自己,对于一个命题,条件与结论交换以后还成不成立?这样不断深入思考的好处是巨大的,不仅有助于理解、掌握数学,更能培养自己的思考方式及习惯,乃至总结出一套分析问题的方法。
课堂上,我经常劝诫学生:多向前思考一点点。
对于这个模型,如果单放在一个三角形中,玩不出什么花来,但换一个场景,则会大不相同。
如下图所示:在Rt△ABC中,如果∠ABD = 1/2∠C,则有DC =BC,这是直角边与斜边构成的等腰三角形,反之也成立。证明过程较为简单,就不多说了。
事情还没有结束,如果我们继续扩大∠ABD,会发生什么情况呢?如下图所示,保持Rt△ABC不变,增大∠ABD,如果∠ABD = 2∠C,则有AB =BD,这是直角边与三角形内一条线段构成的等腰三角形,反之也成立。特别地,当∠C = 30°时,△ABD是等边三角形。
再向前思考一点,等腰△ABD的对称轴BE是Rt△ABC斜边上的高。大家都知道,直角三角形斜边上的高,把直角三角形分成了两个相似的小直角三角形,这样很多知识点就都串起来了,当然也火起来了。
证明过程也不难,不再展开。
再再向前思考一点,上述两种情况结合起来,不就是本题中图形的一部分吗?答案中先证明了AE=AF,然后用同理证明了FC=BC,事实上,△AEF与△CFB是相似的关系。
这里还可以给我们一个启发:多注意平行线之间的“相似性”,看到一个三角形中的边角关系,要马上联想到与它相似的三角形也具有这种关系。不少同学在做题时忽视这点,看在眼里,急在心里。
回过头来再看一次这个过程,完全可以把讨论的过程编制成一道题:系统学习这个模型,渗透联想、发散的思考问题的方式,提醒学生不要陷入到单纯做题之中,培养学生探索、总结、表达能力……,是不是一举多得呢?可比直接告诉学生要好太多了。
难点2:如何想到要设未知数,利用勾股定理求解,或者说,如何想到长方形的长、宽竟然是确定的?
emmmm……,说实话,比较麻烦,这也是我从过去当学生,到现在做老师,最难回答的问题:你是怎么想到的?我怎么样才能想到呢?
学生想要顺利解答这个题,可能还真需要一定的解题技巧和答题经验。
即便如此,我们也应该思考这样一个问题:这些做题的“技巧”+“经验”,学生怎么去获得?除了“直接告知”+“反复练习”以外,能不能采用“引导学生自行探索发现”+“渗透一定的分析思路”+“适当练习巩固”的方式呢?
对比两种方法,恐怕就是“鱼”与“渔”的区别吧。前一种方法“废”学生,学生能够领会还好,如果不能领会,陷入到无意义的记忆+训练之中,会对学习积极性造成巨大的打击;后一种方法“费”老师,设计这样的教学过程,还是很费脑细胞的,哈哈,“费”老师的另一面,也意味着老师自身的成长。
如何“引导学生探索”先放一边,先看看自己当初是如何思考这道题的。
(1)我没有外在压力,不会想着要是考试,做不出来怎么办?相反,我是一种比较轻松、自由的心态去看待这道题。
我认为这种状态是很重要的,学习不等于做题,学习也不等于考试,做题、考试只是为了检验学习成果的一种方式,仅此而已。如何引导学生正确看待学习与考试的关系,是很重要的,适当的压力可以作为动力,但压力过大,就得不偿失了。
(2)我有不满足眼前的题目,向前探索的习惯。
看到一道几何题,我总喜欢研究这道题是怎么得到的,会不会存在更一般的规律。或者,我会去探索这道题是不是在几个条件限制下的确定图形。那这道题是哪种情况呢?我们先看原题
矩形ABCD的对角线AC与BD相交于点O,点E在AD上,且DE = CD,连接OE,BE,∠ABE=1/2∠ACB。若AE= 2,求线段OE的长度。
题中有这么几个条件:
第一,DE=CD,只有关系,没有大小。那我们可以尝试过E做EF⊥BC于F,这样就构成了一个正方形CDEF;
第二,AE=2,这是一个确定的条件,我们可以从正方形CDEF出发,延长DE至A,使AE=2,再过A作AB⊥CF的延长线于B,这样就构成了题中的矩形ABCD;
第三,连接BE,AC,此时要满足∠ABE=1/2∠ACB。
这时,一个想法会很自然的出现:如果改变正方形CDEF的边长,保持AE=2不变,还会出现∠ABE=1/2∠ACB的结论吗?
凭感觉,此结论不对,这算是一个猜想,那如何验证呢?——对数学而言,证明一个命题很难,但要否定一个命题则简单很多,只要举出一个反例即可。
我们来看下图,
从左向右看,正方形CDEF逐渐减小,保持AE = 2不变,我们发现:∠ABE 逐渐增大,而∠ACB逐渐减小。这就说明,两个角度之间的关系是不确定的,∠ABE=1/2∠ACB只是变化过程中的一个特殊情况!
顺着这个思路,我们再向前思考一点:存不存在极限情况,如果存在,会是怎样呢?
当正方形CDEF无限大,AE相比可以忽略,此时AE、BE近乎共线,则∠ABE=0°;相反,当正方形CDEF无限小,AE反而无限大,此时A、B两点无限接近,E、D两点无限接近,A、B、E、D趋于共线,则∠ABE=90°。也就是说,随着正方形CDEF边长从大到小,∠ABE的度数从0°逐渐增大到90°。
与之相对的∠ACB的角度变化情况呢?是不是从90°逐渐减小到0°呢?错!而是从45°逐渐减小到0°。这是因为当AE相比ED无限小时,A、E两点无限接近,此时∠ACB=45°。
很显然,这并不是举反例,真正的举例,应该是给线段CD任意赋2个不同的值,补完整个图形,然后判断两个角度之间的关系,最直接也是最无脑的办法,就是用量角器量。
那我为什么想要这么思考呢?一来,我自己已经非常习惯于这种思考方式;二来,我认为这种方式可以锻炼学生的动态想象能力,尤其是极限想象能力,并且这种能力很重要,所以想尝试带给学生。
经过以上分析,我们可以得到这样一个结论:这道题中,矩形ABCD的长、宽是确定的,求出了长、宽的长度,线段OE的长度就会很容易求出来。
(3)如何求长方形的宽呢?
方程思想,数学中非常非常非常重要的一种基本思想!找关系、列方程!这点不用多说。
在几何中,涉及长度关系的定理有哪些呢?最最常见的是勾股定理,利用相似找关系也比较常见。
到这里,思路上,就会清楚很多了。
不得不说,这道题还是很精巧,很有水平的。
最后多说一句,对比一下两种不同类型的几何题:
第一种,在条件的限制下,存在一般规律。这时给出一条线段求另一条线段,一般就是倍数关系,通过构造全等等方式直接求;
第二种,在条件的限制下,图形确定。这是给出一条线段,可能通过已知条件直接求,也可能间接求。能直接求的一般比较容易,需要间接求的大多比较难。
3 搭台阶,改编题目,引导学生在学习模型中收获更多
尝试着改编一下
1. 如下图,在△ABC中,∠BAC = 2α,∠C = 90°-α,求证△ABC是等腰三角形。
2. 如下图,在Rt△ABC中,∠ABC = 90°。
(1)如果∠ABD = 1/2∠C,请猜想线段BC、CD的关系,并证明;
(2)请描述第(1)中所表示的一般规律,并思考条件结论交换后是否仍然成立;
(3)保持Rt△ABC不变,逐渐增大∠ABD,直至∠ABD = 2∠C,请画出此时的图形,并探索其中可能的一般规律。
(4)对于第(3)题中你探索出的一般规律,当条件与结果互逆,规律还成立吗?
题目之所以这样设置,出于以下几个目的:
(1)学习“模型”与“套路”——不是排斥所谓的“模型”与“套路”,只是警惕该以怎样的方式带给学生;
(2)除了具体的知识以外,尽量带给学生一些更重要的“能力”——几何直观,大胆猜想、小心求证的意识与能力,总结意识与能力(对本题而言,就是从题目中总结出一般命题、逆命题及证明),探索能力等。就我个人而言,我特别看重“意识”,比如分析的意识,反思的意识,总结的意识等等,“意识”不等于能力,但却意味着可能性。只要保留“意识”的种子,并加以适当的耕耘,或早或晚,或大或小,总会开出不一样的花朵。
(3)第1题,看似无脑,也是为了照顾到基础比较弱的同学,对于思维比较好的同学,可以跳过直接给第2题。
“为未来保留一丝可能性”
4 总结
(1)不要满足于教给学生“知识”,进一步思考什么更需要教?“能力”无法直接教,必须要借助具体的载体,也就是具体的“知识”,并且需要学生自己去完成,谁也代替不了。
(2)就能力而言,知识好比磨刀石,只有经过具体知识的磨砺,才能发展出相应的能力。从这个角度考虑看,“知识重要”还是“能力重要”的辨析就是个伪命题。真正需要辨析的,是学习知识的正确方式:正确的学习方式,既可以获得知识,也容易获得相应的能力;错误的学习方式,不仅学不到能力,学到的知识也是无甚用处的死知识。错误的磨刀方式,只会使刀越来越钝。
(3)时刻提醒自己,要警惕自己对能力,或者说数学的核心素养的理解,要持续不断地充实自己。
(4)以上所说,并不仅限于初中几何难题,具体的数学内容,或许有不同的处理方法,但初心与本题是相同的。
(5)要想沿着这个思路做好,不会是一件容易的事情,但我相信,只要我有这个意识,加上以日以年的努力,一定会有所突破。而且,这本身就是一个互相成就的过程。
(6)“苟利学生欣然以,岂因繁琐避趋之”