數學帝葛軍:學好數學的三件法寶

2021-02-17 蘇家長匯

葛軍,南師附中校長,因在數學上有獨到的研究,所以被人們尊稱為「葛大爺」,我們這裡簡稱「葛大」。

雖然近年來,葛大幾乎不怎麼露面,但葛大每次出現,都會掀起滔天巨浪,大家可能不了解葛大的「數學帝」的稱號是怎麼來的,我們用網傳的一段數據來告訴你:

這是一段在網上流傳較廣的段子:

2003年,葛軍參與江蘇高考數學命題工作,江蘇數學全省平均分68分(滿分150分)。

2010年,葛軍參與江蘇高考數學命題工作。當年江蘇數學平均分83.5分(總分160分)。

2013年,葛軍參與安徽高考數學命題工作,理科平均分只有55分左右(滿分150分),導致安徽省一本分數線較2012年狂降54分。

憑藉這些廣為流傳的光輝事跡,葛大一戰成名,被推上高考數學第一命題人的寶座,封「數學帝」。

對學生說 葛軍經常對初升高的學生說:「背上你的行囊,行囊裡只放進三樣寶貝,其他的千萬不要放,輕裝上陣!」有學生不相信:「我學了那麼多,這三樣寶貝能對付嗎?」他回答:「完全能對付,萬變不離其宗。」

這三樣寶貝是:一把劍、一個A、一面鏡,「這三樣東西串起了整個高中數學學習的基本的結構」。

接著葛軍介紹了「三件寶貝」的具體含義:

▲ 一把劍

一把劍是什麼劍?

武俠中的「倚天劍」,劍氣貫長。

它可以變換成數軸;再輕輕一抖動又可以變換成雌雄二劍,構成橫刀立馬之勢,也就是笛卡爾坐標系,用這個「十字架」可以把幾何問題轉換成代數問題,面對許多問題就可以「所向披靡」。

案例1.如圖,正方形ABCD的邊長是12cm,E、F分別是直線BC、直線CD上的動點,當點E在直線BC上運動時,始終保持AE⊥EF.

(1)證明:Rt△ABE∽Rt△ECF;

(2)當點E在邊BC上,BE為多少時,四邊形ABCF的面積等於88

(3)當點E在直線BC上時,△AEF和△CEF能相似嗎?若不能,說明理由,若能,直接寫出此時BE的長.

【分析】(1)通過餘角的性質可得∠BAE=∠CEF,即可得結論;

(2)由相似三角形的性質可求 CF=,由三角形的面積公式可求解;

(3)分三種情況討論,由相似三角形的性質可求解.

【解答】證明:(1)∵AE⊥EF,

∴∠AEB+∠CEF=90°,

又∵∠BAE+∠AEB=90°.

∴∠BAE=∠CEF,

又∵∠B=∠C=90°,

∴Rt△ABE∽Rt△ECF;

(2)如圖,設BE=xcm,則CE=(12﹣x)cm,

∵Rt△ABE∽Rt△ECF,

∴BE=4cm或BE=8cm;

(3)△ABE∽△AEF能成立,

如圖1,當點E在線段BC上時,

∵AE⊥EF,

∴∠AEF=∠C=90°,

∵AF不平行BC,

∴∠AFE≠∠FEC,

當∠FEC=∠EAF時,△AEF∽△ECF,

∴∠BAE=∠FEC=∠EAF, ,

∵tan∠BAE=tan∠EAF=

,∴BE=EC,BE=12-BE

∴BE=6(cm);

如圖2,當點E在CB的延長線上時,設AF與BC的交點為H,

當∠CEF=∠AFE時,△CEF∽△EFA,

∴EH=HF,∠FAE=∠HEA,

∴AH=EH=HF,

∵BC∥AD,

∴△CFH∽△DFA,

∴ 

∴CH=6(cm),

∴BH=6(cm),

∴AH=(cm),

∴BE=EH﹣BH=()(cm),

如圖3,當點E在BC的延長線上時,設AF與BC交於點H,

當∠EFC=∠EAF時,△FCE∽△AEF,

同理可求BE=()(cm),

綜上所述:BE的長是6cm或()cm或()cm.

在筆者看來,數形結合思想就是數學之利劍,是數學學習中重要的思想方法之一,是解決許多數學問題的有效思想。數學家華羅庚曾說:「數缺形時少直觀,形少數時難入微,數形結合百般好,隔離分家萬事休」。

利用數形結合能使「數」和「形」統一起來。以形助數、以數輔形,可以使許多數學問題變得清晰、直觀。

數形結合的基本思想,就是在研究問題的過程中,注意把數和形結合起來考察,斟酌問題的具體情形,把圖形性質的問題轉化為數量關係的問題,或者把數量關係的問題轉化為圖形性質的問題,使複雜問題簡單化,抽象問題具體化,化難為易,獲得簡便易行的成功方案。

▲ 一個A

一個A,「萬象大千,愛(諧音A)在處處」。

A在「數」處,它指代的可能是整數、有理數、實數、複數……

A在「式」上,可能表示有理式、無理式、函數式……

A還可以是向量、矩陣,可以是圓、橢圓、雙曲線、拋物線、二次曲線,可以是球、柱、錐、臺,或是組合數、概率……

要了解A的概念、出現的形式,在解題中能快速將它們識別出來,同時能用整體性的思維去看待它們。

案例2.小明同學發現這樣一個規律:兩個頂角相等的等腰三角形,如果具有公共的頂角的頂點,並把它們的底角頂點連接起來則形成一組全等的三角形,小明把具有這個規律的圖形稱為「手拉手」圖形.

(1)問題發現:如圖1,若△ABC和△ADE均是頂角為40°的等腰三角形,BC、DE分別是底邊,求證:BD=CE;

(2)拓展探究:如圖2,若△ACB和△DCE均為等邊三角形,點A、D、E在同一條直線上,連接BE,則∠AEB的度數為_____;線段BE與AD之間的數量關係是_____;

(3)解決問題:如圖3,若△ACB和△DCE均為等腰直角三角形,∠ACB=∠DCE=90°,點A、D、E在同一條直線上,CM為△DCE中DE邊上的高,連接BE,請判斷∠AEB的度數及線段CM、AE、BE之間的數量關係並說明理由.

【分析】(1)先判斷出∠BAD=∠CAE,進而利用SAS判斷出△BAD≌△CAE,即可得出結論;

(2)同(1)的方法判斷出△BAD≌△CAE,得出AD=BE,∠ADC=∠BEC,最後用角的差,即可得出結論;

(3)同(2)的方法,即可得出結論.

【解答】:(1)∵△ABC和△ADE均是頂角為40°的等腰三角形,

∴AB=AC,AD=AE,∠BAC=∠DAE,

∴∠BAC﹣∠CAD=∠DAE﹣∠CAD,

∴∠BAD=∠CAE,

∴△BAD≌△CAE(SAS),

∴BD=CE;

(2)∵△ABC和△ADE均是等邊三角形,

∴CA=CB,CD=CE,∠ACB=∠DCE=∠CDE=∠CED=60°,

∴∠ACB﹣∠BCD=∠DCE﹣∠BCD,

∴∠ACD=∠BCE,

∴△ACD≌△BCE(SAS),

∴AD=BE,∠ADC=∠BEC,

∵∠CDE=60°,

∴∠BEC=∠ADC=180°﹣∠CDE=120°,

∵∠CED=60°,

∴∠AEB=∠BEC﹣∠CED=60°,

故答案為:60°,BE=AD;

(3)AE=BE+2CM,理由:

同(1)(2)的方法得,△ACD≌△BCE(SAS),

∵△CDE是等腰直角三角形,

∴∠CDE=∠CED=45°,

∴∠ADC=180°﹣∠CDE=45°,

∴∠BEC=∠ADC=135°,

∴∠AEB=∠BEC﹣∠CED=135°﹣45°=90°,

∵CD=CE,CM⊥DE,

∴DM=ME,

∵∠DCE=90°,

∴DM=ME=CM.

∴AE=AD+DE=BE+2CM.

在筆者看來,技術分為「道」和「術」兩種,做事的原理和原則是「道」,而做事的具體方法就是「術」。

數學真正的作用,就是讓我們掌握「道」。

因為從歷史的發展來看,所有的「術」都會經歷:獨門秘籍——普及——落伍 的過程。

而只有掌握了「道」的人才能永遠遊刃有餘。

——當然,我還要再加一句話:只知道「術」,而不去研究「道」的人,水平會被鎖死在某個「理論極限內」,無法突破。

關於解題之道:實質上就是通過審題來構思、探究解題思路的思維過程。解題必須充分運用條件和儘可能滿足結論的需要,因而,通過審題全面掌握題意了解題的基礎與首要任務。那麼,審題要從哪些方面進行呢?這裡有五點建議:

(1)初步地全面理解題意(理解它的每一個字、詞、每一句話),能清楚地理解全部條件和結論;

(2)準確地作出必要的圖形,包括示意圖;

(3)必要時,要把語言和不宜於直接計算的算式化為能直接計算的算式,把不便於進行數學處理的語言化為便於進行數學處理的語言;

(4)發現比較隱蔽的條件;

(5)根據題目的特徵提供的啟示(信息)預見主要步驟或主要原則。

這五項要求,前三項是基本的,後兩項是較高的。

▲ 一面鏡

一面鏡,對鏡自問,一日三省,養批判性、創新性思維能力。

當你拿到一個關於橢圓的問題,能不能靜下心來把它做好,做好之後思考,換成拋物線會怎麼樣?換成雙曲線會怎麼樣?

當你去思考了,你的認識在加深,水平真正得到提高。

也就是常說的「一道題做透了,要遠勝於100道題」。

題目再變,你不再覺得可怕,你可以說「我都看透了」。

案例3.課堂上,老師提出了這樣一個問題:

如圖1,在△ABC中,AD平分∠BAC交BC於點D,且AB+BD=AC.

求證:∠ABC=2∠ACB.

小明的方法是:如圖2,在AC上截取AE,使AE=AB,連接DE,構造全等三角形來證明結論.

(1)小天提出,如果把小明的方法叫做「截長法」,那麼還可以用「補短法」通過延長線段AB構造全等三角形進行證明.輔助線的畫法是:延長AB至F,使BF=_____,連接DF.

請補全小天提出的輔助線的畫法,並在圖1中畫出相應的輔助線;

(2)小芸通過探究,將老師所給的問題做了進一步的拓展,給同學們提出了如下的問題:

如圖3,點D在△ABC的內部,AD,BD,CD分別平分∠BAC,∠ABC,∠ACB,且AB+BD=AC.求證:∠ABC=2∠ACB.

請你解答小芸提出的這個問題;

(3)小東將老師所給問題中的一個條件和結論進行交換,得到的命題如下:

如果在△ABC中,∠ABC=2∠ACB,點D在邊BC上,AB+BD=AC,那麼AD平分∠BAC.

小東判斷這個命題也是真命題,老師說小東的判斷是正確的.請你利用圖4對這個命題進行證明.

【分析】(1)延長AB至F,使BF=BD,連接DF,根據三角形的外角性質得到∠ABC=2∠F,證明△ADF≌△ADC,根據全等三角形的性質證明結論;

(2)在AC上截取AE,使AE=AB,連接DE,證明△ADB≌△ADE,根據全等三角形的性質證明結論;

(3)延長AB至G,使BG=BD,連接DG,證明△ADG≌△ADC,根據全等三角形的性質、角平分線的定義證明.

【解答】證明:(1)延長AB至F,使BF=BD,連接DF,則∠BDF=∠F,

∴∠ABC=∠BDF+∠F=2∠F,

∵AD平分∠BAC

∴∠BAD=∠CAD,

∵AB+BD=AC,BF=BD,

∴AF=AC,

在△ADF和△ADC中,

易證明△ADF≌△ADC(SAS),

∴∠ACB=∠F,

∴∠ABC=2∠ACB;

(2)如圖3,在AC上截取AE,使AE=AB,連接DE,

∵AD,BD,CD分別平分∠BAC,∠ABC,∠ACB,

∴∠DAB=∠DAE,∠DBA=∠DBC,∠DCA=∠DCB,

∵AB+BD=AC,AE=AB,

∴DB=CE,

在△ADB和△ADE中,

易證明△ADB≌△ADE(SAS),

∴BD=DE,∠ABD=∠AED,

∴DE=CE,

∴∠EDC=∠ECD,

∴∠AED=2∠ECD,

∴∠ABD=2∠ECD,

(3)如圖4,延長AB至G,使BG=BD,連接DG,則∠BDG=∠AGD,

∴∠ABC=∠BDG+∠G=2∠AGD,

∵∠ABC=2∠ACB,

∴∠AGD=∠ACB,

∵AB+BD=AC,BG=BD,

∴AG=AC,

∴∠AGC=∠ACG,

∴∠DGC=∠DCG,

∴DG=DC,

在△ADG和△ADC中,

易證明△ADG≌△ADC(SSS),

∴∠DAG=∠DAC,即AD平分∠BAC.

正如教育專家錢仲寒說,每節課都是給學生自學的示範。例題教學也不例外,它是通過引導學生挖掘典型題目的潛在教育教學價值,從不同方面不同層次鍛鍊思維品質,培養思維能力,以此培養自主學習能力,其作用直接表現為:

① 對新授課中的定義、定理、公式的內涵與外延進行深化,連點成線,線組成面,由面成體,構建立體認知結構網絡;

② 豐富應用含義,增加應用層次;

③ 概括提煉數學方法,進而形成數學思想,增強數學應用意識。

數學如詩,數學「悄然地在你身邊,努力影響你,讓你變得更為明智、理性,富有智慧」。

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