用“图形变式”有效破解“图形误导”

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  【摘要】几何学是一门研究几何图形的学科,能正确“读图”既是学生的一项基本功,也是学生解决几何问题的重要一环,但在做练习时,一些学生读图往往过于直观,没有洞察到图形的本质,从而容易被图形所误导。本文主要以一道证明题为例,谈谈在教学中,教师应如何让学生学会破解图形误导的方法。
  【关键词】证明题;图形误导;图形变式
  题目是一份试卷的第18题,原题是这样的:18.已知,如图,AB是⊙O的直径,CB⊥BA,连结AC交⊙O于D,DE切⊙O于D,交BC于E,求证:BE=EC。
  题目很短,也很清晰,理解起来应该不难,拿到题目,笔者的想法是这样的:
  想法一:DE是⊙O的切线,很自然想到作辅助线:连结OD(如图1),此时四边形BODE很像正方形,如果能证明这一点,那么,由正方形对角线平分一组对角容易得出∠EBD=∠EDB=450,而AB是⊙O的直径,那么∠BDC也是直角,则△BDC是一个等腰直角三角形,且∠CDE=∠EDB=450,由等腰三角形“三线合一”之性质,马上可以得出要证的结论。现在剩下的问题是如何证明四边形BODE是正方形,由题不难得出这个四边形有一组邻边相等:OB=OD,有两个角是直角∠CBA=∠ODE=900,但要证明四边形BODE是正方形还缺一个条件,如果能再找多一个角是直角,那问题就全部解决,可是如何找呢?
  想法二:D点会是线段AC的中点吗?如果是,BD就成了Rt△ABC斜边上的中线,那么BD=CD=AD,进而容易得出△CDE,△EDB.△OBD,△OAD等都是等腰直角三角形,这样BE=ED=CE,问题也好解决,可是如何能证明D是AC中点呢?
  两种想法都走进了死胡同,反思两种想法,有一个共同点:“看图形四边形BODE很像正方形”或“D像AC的中点”,下面的论证都是由这两个结论成立出发来做的,可是就偏偏是这两个出发点本身就已经有了问题,所以当然不可能证明出来。可以说,这两种想法都是被图形“误导—了。
  四边形BODE很像正方形,可它真是正方形吗?D像AC的中点,可它真是AC中点吗?我们不妨通过“图形变式”来看看:事实上,题中只要求CB⊥BA.却没有要求CB有多长,既然题中没有这个要求,那么,如果CB长一点,对结论“BE=EC”应该没有影响。我们想像一下,如果把CB变长一点(如图2),这时,显然四边形BODE就不再像正方形,D也不再像AC中点,两种想法出发点已经错了,当然不可能证明出来。
  那应该如何证明呢,通过图形变式,要证明BE=EC,因为CB⊥⊙O的直径AB,所以其实CB也是⊙O的切线,由切线长定理容易得出BE=DE,如果能证明CE也等于DE,那问题就解决了,因为CE、DE在同一个三角形△CDE内,自然优先想能否通过“等角对等边”来证明,即要证明∠C=∠1,因为∠1 ∠2=900,由DE是⊙O的切线知∠2 ∠3=900,也就是说∠1=∠3,如果能证∠3=∠C,那问题就解决了,显然这两个角不在同一个三角形内,也不在两个看上去全等的三角形内,所以一下了还不能直接得出。再观察图形,由OB=OD,容易得出∠3=∠4,那是否有∠4=∠C呢?由△ABD和△ABC這两个直角三角形可以得出,∠4和∠C同是∠A的余角,应相等,于是思路就全线贯通了。
  其分析图如下:
  反思这个题目的解题过程,读图时被图形所误导成了学生思路进入死胡同的主要原因,而利用“图形变式”来破解“图形误导”成了解题的关键。作为教师,我们应如何让学生学会破解“图形误导”的方法呢?
  1.读图讨于盲观,没有洞察到图形的本质属性,这是“图形误导”的主因
  我们这里所说的“图形误导”,通俗来说,是指在没有理据支撑的情况下,凭感觉看图形像什么就得出的错误的结论。比如上题,“四边形BODE很像正方形”“D点是线段AC的中点”这两个结论都是因“图形误导”而得出的错误结论,这也是两种想法最终都走进死胡同的原因。一旦出发点错了,再往下想也是徒劳。由此可见,“图形误导”对解题来说往往是致命的。
  那么为什么会出现“图形误导”的情况呢?这与学生读图时过于直观,没有洞察到图形的本质是分不开的。例如上题中,因为四边形BODE很像正方形,并且已经有一组邻边相等:OB=OD,有两个角是直角:∠CBA=∠ODE=900,这就更坚定了四边形BODE是正方形的观点。但从本质上来讲,题目只要求CB⊥BA.却没有要求CB有多长,既然这样,那么,如果CB长一点或者短一点,对结论“BE=EC”应该没有影响。那么把CB变长,整个图形的形状就发生了变化,原来看上去理所当然的“四边形BODE很像正方形”“D点是线段AC的中点”就显然不成立了。
  在读图时,先凭着直观印象去思考,这本身并没有什么问题,这也是常用的方法,但当想法不通时,就要懂得退回来,并对图形进行变式思考,这一点显得很有必要。
  2.“图形变式”是破解“图形误导”的有效方法,其要点在于“形”变“神”不变
  所谓的“形”变是指图形的形状发生改变,而“神”不变是指其本质(条件)不能变。还是以上题为例,题目只要求CB上BA,却没有要求CB有多长,所以CB长度是可以改变的,但CB⊥BA这个条件是不能改变的,所以,在进行图形变式时,我们可以把CB变长(或变短),这时整个图形的形状就发生了变化,但是它的本质条件CB⊥BA并没有改变,而正是因为通过这样一个变形,我们再也不会认为“四边形BODE是正方形”或“D点是线段AC的中点”了,这对于我们重新思考问题,直到找到正确的解题方法来说显得尤为重要。
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