解法的尽头是概念——圆折叠类问题

我们在学习圆概念的时候,都会牢牢记住两段描述,如下图:

从教材配图中,我们发现,引入圆概念的最佳操作是圆规画圆,这在后面引入弦、弧、圆心角等概念的时候同样适用。

在学习了圆的轴对称性和旋转对称性之后,与圆有关的图形会更加灵活多变,但无论涉及到何种精妙的解法,追根溯源的结果,仍然是圆的概念。本文以两道选填题为例,探讨一下关于圆的折叠问题。

第一道题

如图,AB是圆O的直径,BC是圆O的弦,先将弧BC沿BC翻折交AB于点D,再将弧BD沿AB翻折交BC于点E,若弧BE=弧DE,设∠ABC=α,则α所在的范围是( )

A、21.9°<α<22.3° B、22.3°<α<22.7°

C、22.3°<α<23.1° D、23.1°<α<23.5°

试题分析

本题中所有的弧,均为同圆或等圆中的弧,这一层认知是后续所有推导的前提,如果没有意识到这一点,将无从下手。

我们有必要先观察∠ABC,确定它的身份是圆周角,但在图中众多的弧中,它是哪段弧所对的圆周角呢?

答案是弧DE、弧CD、弧AC均为它所对的弧。

我们先从弧DE开始,它是弧BD的一半,即弧BD=2弧DE,显然弧BD+弧CD=弧BC,即弧BC=3弧DE,弧BC所对的圆周角是∠CAB,于是我们连接AC,即可得到结果,如下图:

直径AB所对圆周角为直角,于是3α+α=90°,求得α=22.5°,本题选B

顺便说一下,这是2021年武汉市中考数学第9题,按当年的难度设置,并非最难选择题,而且这四个选项明显是“防猜设计”,看上去是动点问题,实质上是静态图形。

在解这道题的过程中,方法很多,但个人认为,利用同弧所对的圆周角相等为最优解,这部分概念在教材“五合一”定理教学中,在这部分章节中,我们期望学生在看图时,将弧、弦、弦心距、圆心角、圆周角视为“一体”,知一推四,见一想四。题中沿弦BC翻折,再沿AB翻折,这两次轴对称变换,并没有改变这些弧是等弧的事实,原因是它们都是从同一个圆中变化而来,若是将它们各自所在的圆作出来,也可以发现它们都是等圆。在这个前提下,同一个圆周角就有可能是多段弧所对,这也是命题中最为巧妙的一点。

第二道题

如图,已知△ABC是圆O的内接三角形,圆O的半径为2,将劣弧AC沿AC折叠后刚好经过弦BC的中点D,若∠ACB=60°,则弦AC的长为______________

试题分析

我们依然先来观察图中的弧,弧AC折叠后成为弧ADC,它们是等弧,折叠后再观察∠ACB,这个60°角所对的弧是弧AD,同时也对着弧AB,所以我们知道弧AD=弧AB,由“五合一”可知弦AB=弦AD,不妨连接AD,此时出现的△ABD是等腰三角形,如下图:

接下来的任务是寻找半径与弦AC间的关联,由弦AB所对圆周角是60°,我们可连接OA、OB,得等腰△AOB,利用特殊等腰三角形边长比,求得AB=2√3,对于等腰三角形,最为特殊的线是底边上的高,于是作AE⊥BC于点E,如下图

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图中出现了特殊直角三角形,含60°角的Rt△ACE,再结合前面得到的等腰△ABD,我们设BE=DE=x,则CD=2x,表示出CE=3x,AC=6x,AE=3√3x,在Rt△ABE中,利用勾股定理列方程得(2√3)²=x²+(3√3x)²,解得x=√21/7,最后得到AC=6√21/7.

从解题到教学

这两道题共同的特点是出现了圆的翻折或折叠,学生在理解这个操作的过程中,需要将它和学过的同弧(等弧)联系起来,从解题失败的学生那里了解到,多数并未想到翻折的结果是得到了等弧,进一步的追问后,关于等弧的理解,存在一知半解的情况,具体表现为提及等弧,能回答前提是在同圆或等圆中,但问及本题,却没有建立起翻折后的弧来自原来的圆,它们也是等圆,这个情景在课堂教学中未出现,学生第一次见到,限于本身能力不足,不能自主理解,需要老师引导。

但教材中是有折叠圆纸纸片情景的,如下图:

在这部分教材的处理中,当时是为了引出垂径定理,强调轴对称性,让学生侧重观察对折后重合的部分,并且对称轴是直径。

因此,把学生想不到归咎于“书上没有”是错误的。教材中的每个情景,都可能被挖掘成为命题素材,所以在前一节内容引入等圆或等弧概念的时候,就可以将这个情景展现出来。

同样的,在教材中,由圆的旋转不变性得到的结论中,关于“弧相等”的条件或结论,也有必要引入这个情景,以拓展学生的视角。

可以将这两道题进行适当改编,简化图形和推理,作为概念延伸出现在课堂上。

任何学生解题过程中遇到的障碍,最终都需要与课堂上的概念学习关联起来,同时也给教师的教学留下了反思空间,如何让学生学得更好,归根到底需要教师学习如何教得更好。