《几何画板》在高中数学教学中的应用

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  对于数学科学来说主要是抽象思维和理论思维,这是事实;但从人类数学思维系统的发展来说,形象思维是最早出现的,并在数学研究和教学中都起着重要的作用。很难想象,一个没有得到形象思维培养的人会有很高的抽象思维、理论思维能力。同样,一个学生如果根本不具备数学想象力,要把数学学好那也是不可能的。
  正如前苏联著名数学家A·H·柯尔莫戈洛夫所指出的:“只要有可能,数学家总是尽力把他们正在研究的问题从几何上视觉化。”因此,随着计算机多媒体的出现和飞速发展,在网络技术广泛应用于各个领域的同时,也给学校教育带来了一场深刻的变革——用计算机辅助教学,改善人们的认知环境——越来越受到重视。从国外引进的教育软件《几何画板》以其学习入门容易、操作简单的优点及其强大的图形和图象功能、方便的动画功能被国内许多数学教师看好,并已成为制作中学数学课件的主要创作平台之一。
  那么,《几何画板》在高中数学教学中有哪些应用呢?作为一名高中数学教师,笔者就此谈几点体会:
  一、《几何画板》在高中代数教学中的应用
  如在同一个直角坐标系中作出函数y=x2、y=x3和y=x1/2的图象,比较各图象的形状和位置,归纳幂函数的性质。还可以作出含有若干参数的函数图象,当参数变化时函数图象也相应地变化。如在讲函数y=Asin(ωx+φ)的图象时,传统教学只能将A、ω、φ代入有限个值,观察各种情况时的函数图象之间的关系;利用《几何画板》则可以以线段b、T的长度和A点到x轴的距离为参数作图(如图1),当拖动两条线段的某一端点(即改变两条线段的长度)时分别改变三角函数的首相和周期,拖动点A则改变其振幅,这样在教学时既快速灵活又不失一般性。
  二、《几何画板》在立体几何教学中的应用
  像在讲二面角的定义时(如图2),当拖动点A时,点A所在的半平面也随之转动,即改变了二面角的大小,图形的直观变动有利于帮助学生建立空间观念和空间想象力。在讲棱台的概念时,可以演示由棱锥分割成棱台的过程(如图3),更可以让棱锥和棱台都转动起来,使学生在直观掌握棱台的定义,并通过棱台与棱锥的关系由棱锥的性质得出棱台的性质的同时,让学生欣赏到数学的美,激发学生学习数学的兴趣。在讲锥体的体积时,可以演示将三棱柱分割成三个体积相等的三棱锥的过程(如图4),既避免了学生空洞的想象而难以理解,又锻炼了学生用分割几何体的方法解决问题的能力。在用祖恒原理推导球的体积时,运用动画和轨迹功能作图5,当拖动点O时,平行于桌面的平面截球和柱锥所得截面也相应地变动,直观美丽的画面在学生学得知识的同时给人以美的感受,创建了一个轻松、乐学的氛围。
  三、《几何画板》在平面解析几何教学中的应用
  平面解析几何是用代数方法来研究几何问题的一门数学学科,它研究的主要问题,即它的基本思想和基本方法是:根据已知条件,选择适当的坐标系,借助形和数的对应关系,求出表示平面曲线的方程,把形的问题转化为数来研究;再通过方程,研究平面曲线的性质,把数的研究转化为形来讨论。而曲线中各几何量受各种因素的影响而变化,导致点、线按不同的方式作运动,曲线和方程的对应关系比较抽象,学生不易理解,显而易见,展示几何图形变形与运动的整体过程在解析几何教学中是非常重要的。这样,《几何画板》又以其极强的运算功能和图形图象功能在解析几何的教与学中大显身手。如它能作出各种形式的方程(普通方程、参数方程、极坐标方程)的曲线;能对动态的对象进行“追踪”,并显示该对象的“轨迹”;能通过拖动某一对象(如点、线)观察整个图形的变化,来研究两个或两个以上曲线的位置关系。
  具体地说,比如在讲平行直线系y=x+b或中心直线系y=kx+2时,如图6所示,分别拖动图(1)中的点A和图(2)中的点B,可以相应地看到一组斜率为1的平行直线和过定点(0,2)的一组直线(不包括y轴)。
  再比如在讲椭圆的定义时,可以由“到两定点F1、F2的距离之和为定值的点的轨迹”入手——如图7,令线段AB的长为“定值”,在线段AB上取一点E,分别以F1为圆心、AE的长为半径和以F2为圆心、AE的长为半径作圆,则两圆的交点轨迹即满足要求。先让学生猜测这样的点的轨迹是什么图形,学生各抒己见之后,老师演示图7(1),学生豁然开朗:“原来是椭圆。”这时老师用鼠标拖动点B(即改变线段AB的长),使得|AB|=|F1F2|,如图7(2),满足条件的点的轨迹变成了一条线段F1F2,学生开始谨慎起来并认真思索,不难得出图7(3)(|AB|<|F1F2|时)的情形。经过这个过程,学生不仅能很深刻地掌握椭圆的概念,也锻炼了思维的严密性。
  综上所述,使用《几何画板》进行数学教学,通过具体的感性的信息呈现,能给学生留下更为深刻的印象,使学生能够更有实感地去把握它。
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