大数据背景下高中数学解题教学探究
——以一道解析几何题的讲评为
郭建华 南京市金陵中 210005
“数据驱动学校,分析变革教育”的大数据时代已经来临,教考中教师对学生答题情况,由传统的记录、
分析和对比,到应用“智学”等教学软件和系统用客观数据代替了经验性判断,对学生的答题情况了解更加
精准,更利于教师对教学策略的优化调整、教学方式的改进以及对重难点、易错点的准确把握.教师用数据分
析学生知识和方法的缺失,真正实现了个性、科 学化和精准化的教学.本文以我校期中考试的一道解析几何
题的讲评为例予以说明.
1 试题再现
在平面直角坐标 xOy ,已知椭圆 C
x
2
a
2
y
2
b
2
1(ab0)的离心率为
2
2
,且经过点 A(1
2
2
)
(1)求椭圆 C 的方程;
(2) F 为椭 C 的右焦点直线 l 与椭圆 C 相切于 P( P 在第一象),过原点 O 作直线 l 的平行线
与直线 PF 相交于点 Q,问:线 PQ 的长是否为定?若是,求出定值;若不是,说明理由.
2 试题分析
本题围绕直线和椭圆相切相交、直线和直线平行相交等位置关系,考查两动点间距离定值的计算问
题.考查考生方程思想、数形结合等思想方法.考查考生理解运算对象、掌握方程联立韦达定理运用等运算
法则、探究运算思路、运用符号运算求得运算结果的运算素养
本题满分 12 分,全校均分为 7.34 分,得分率 61.19%,第(2)问满分 8 分,整体均分不 3.73 分.从
(2)问的答题反馈看主要是运算出了问题:方法选择呆板、笨拙;运算肤浅、耐力不足,浅尝辄止、半途而
废;联想、转化意识欠缺,不能根据现有信息,处理数式 讲评时应重视运算算理和算法的指导.从答题方
法而言,大部分学生选择的通性通法,即设点 P 的坐标,进而表示直线 l 的斜率,根据直线 PF 方程和 OQ
方程联立求点 Q 坐标,再计算线段 PQ 的长.也有少部分同学打破思维固化的枷锁,进行创新解题,抓住两
直线的平行关系,利用三角形相似求解,简捷明快,使得解法耳目一新.讲评时应加强引导学生对图形特征分
析、几何元素和几何性质的探究,充分利用数形结合解题.还应力求在算法思想的层面上指导学生,形成解
析几何的运算策略,提高学生的元认知能力,提升创新意识,从而巩固四基,发展四能.
3 解法探究
(1)问答案为
x
2
2
y
2
1,下面针对(2)的解法进行如下探究
解法 1 如图 1 所示,设直线 l 的方程为 ykxm,与
x
2
2
y
2
1 联立,
消元 y 并整理得(2k
2
1)x
2
4mkx2m
2
20
因为直线 l 与椭圆 M 相切所以 Δ(4mk)
2
4(2m
2
2)(2k
2
1)0
化简得 m
2
2k
2
1
P(x
P
y
P
),则 x
P
2mk
2k
2
1
2k
m
y
P
k·
2k
m
m
1
m
P(
2k
m
1
m
)
当点 P (1
2
2
)时,Q(1,-
2
2
)PQ 2
当点 P 不为(1
2
2
)时,直线 PF 方程为 y=-
1
2km
(x1),与 ykx 联立,
解得 x
Q
1
2k
2
mk1
1
m(mk)
于是 PQ (x
P
x
Q
)
2
(y
P
y
Q
)
2
1
1
1
(2km)
2
·|x
P
x
Q
|
1
1
(2km)
2
·|
2k
m
1
m(mk)
|
4k
2
4mkm
2
1
(2km)
2
·|
2k
2
2mk1
m(mk)
|
( m
2
2k
2
1 代入,关键换 1)
2k
2
4mk2m
2
(2km)
2
·|
m
2
2mk
m(mk)
|
2
综上,线段 PQ 的长为定值 2
评析 数据显示运用解法 1 时:有百分之 30%的同学没有把 P(
2k
m
1
m
)表示出来;表示点 Q 坐标 x
Q
1
2k
2
mk1
没有把 m
2
2k
2
1 代入化简,导致运算量越来越大,以致无功而返.
解法 2 P(x
P
y
P
),则
x
P
2
2
y
P
2
1
lyy
P
k(xx
P
),与
x
2
2
y
2
1 联立,令 Δ0,得 k
x
P
2y
P
x
P
1 时,易得 PQ 2
x
P
1 时,直线 PFy
y
P
x
P
1
(x1),与 y
x
P
2y
P
x 联立,解得 x
Q
2y
P
2
x
P
2
2y
P
2
x
P
2x
P
2
2x
P
于是 PQ
2
[1(
y
P
x
P
1
)
2
(x
P
x
Q
)
2
[1(
y
P
x
P
1
)
2
(x
P
2x
P
2
2x
P
)
2
x
P
2
2x
P
1y
P
2
(x
P
1)
2
·(
2x
P
x
P
2
2x
P
2
2x
P
)
2
x
P
2
2x
P
11
x
P
2
2
(2x
P
)
2
2
PQ 2
评析 数据显示运用解法 2,约 50%的同学设 P(x
P
y
P
),设 lyy
P
k(xx
P
),与
x
2
2
y
2
1 联立,令 Δ
0,得 k
x
P
2y
P
.其实这部分的运算量还是比较大的,部分同学背结论椭圆在 P 处的切线方程为:
x
P
x
a
2
y
P
y
b
2
1,从而假算得 k
x
P
2y
P
.还有约 20%的同学算得 x
Q
2y
P
2
x
P
2
2y
P
2
x
P
没有把
x
P
2
2
y
P
2
1 代入化
简,导致算不到底.
解法 3 如图 2 所示,同解法 1 P(
2k
m
1
m
)
延长切线 l x 轴于点 E(
m
k
0)
易知△OFQ∽△EFP,所以
PF
PQ
EF
OE
,即
PF
PQ
m
k
1
m
k
1
k
m
2
于是 PQ
m
mk
·PF
m
mk
·( aex
P
)
m
mk
·[ 2
2
2
(
2k
m
)]
m
mk
·
2 (mk)
m
2
评析 结合图形特征,将切线 l 延长交坐标轴于点 E,利用△OFQ∽△EFP,较快地表示出了线 PQ
长度.与解法 1 解法 2 相比较节省了一定量的解题路径,遗憾的是只有 3%的同学运用此法.
在命题者的立意中,往往体现得非常明确,但是在命题设计的情境、命题的设问中,都不会明确地提出
来,运算求解能力体现在考试命题中具有相对隐蔽性, 因此教师教学过程中,不能仅将学生的注意力集中在
对运算法则的记忆、运算过程的技巧训练上,只追求学生算得又快又对而缺少对运算意义的了解,以及对算
理算法的理解和掌握
4 变式探究
教学中教会学生通性通法应形成章法”,不应“盲目乱想乱写”.这里的章法包括先“形”后
“数”,先“特殊”后“一般”,先“慢选择”后“快计算”.
解题教学不能只是“短平快”,还应“慢研究”. 数学问题的解决 并不意味着这个问题思维活动已
经结束 ,而却意味着对这个问题进行深入研究的开始.比如:本试题 PQ 长度结果恰好为椭圆的“实半
轴”,是偶然吗?由此提出以下命题进行探究:
命题 1 在平面直角坐标系 xOy 中,已知椭圆 C
x
2
a
2
y
2
b
2
1(ab0),设 F 为椭圆 C 的右焦点,直线 l
与椭圆 C 相切于点 P( P 在第一象限).若过原点 O 作直线 l 的平行线与直线 PF 相交于点 Q ,则 PQa
证明 如图 3 所示,设直线 lykxt,且与 x 轴交于 A
易得 A (
t
k
0)
联立椭圆 C
x
2
a
2
y
2
b
2
1 并消去 y
(b
2
a
2
k
2
)x
2
2a
2
ktxa
2
(t
2
b
2
)0
直线 l 与双曲线 D 相切于点 P
Δ(2a
2
kt)
2
4a
2
(t
2
b
2
)(b
2
a
2
k
2
)0,化简得 t
2
a
2
k
2
b
2
设点 P 的横坐标为 x
0
(x
0
0),由韦达定理得 2x
0
=-
2a
2
kt
b
2
a
2
k
2
x
0
a
2
kt
b
2
a
2
k
2
a
2
k
t
易证△APF∽△OQF,所
QF
FP
OF
AF
,故
PQ
FP
OA
AF
PQ
OA
AF
×FP
t
k
c
t
k
(ex
0
a)
t
k
t
k
c
[a
c
a
×(
a
2
k
t
)]
t
ckt
×
a(ckt)
t
a
PQa
命题 2 在平面直角坐标 xOy 中,已知双曲线 D
x
2
a
2
y
2
b
2
1(a0b0),设 F 为抛物线 D 的右焦点,
直线 l 与双曲线 D 相切于点 P( P 在第一象).若过原点 O 作直线 l 的平行线与直线 PF 相交于点 Q
PQa
证明 如图 4 所示,设直线 lykxt,且与 x 轴交于 A,易得 A (
t
k
0)
联立双曲线 D
x
2
a
2
y
2
b
2
1 并消去 y
(b
2
a
2
k
2
)x
2
2a
2
ktxa
2
(t
2
b
2
)0
直线 l 与双曲线 D 相切于点 P
3
4
Δ(2a
2
kt)
2
4a
2
(b
2
t
2
)(b
2
a
2
k
2
)0,化简得 t
2
a
2
k
2
b
2
设点 P 的横坐标为 x
0
(x
0
0),由韦达定理得 2x
0
=-
2a
2
kt
b
2
a
2
k
2
x
0
a
2
kt
b
2
a
2
k
2
a
2
k
t
易证△APF∽△OQF,故
PQ
FP
OA
AF
PQ
OA
AF
FP
t
k
c
t
k
(ex
0
a)
t
k
c
t
k
[
c
a
×(
a
2
k
t
)a]
t
ckt
×
a(ckt)
t
a
PQa
命题 3 在平面直角坐标系 xOy 中,已知抛物线 Ey
2
2px(p0) F 为抛物线 E 的右焦点,直线 l
抛物线 E 相切于点 P ( P 在第一象限).若过原点 O 作直线 l 的平行线与直线 PF 相交于点 Q,则 FQ
p
2
证明 如图 5 所示,设直线 lykxt,且与 x 轴交于 A
易得 A(
t
k
0)
联立双曲线 Ey
2
2px(p0)并消去 y
k
2
x
2
2(ktp)xt
2
0
直线 l 与双曲线 D 相切于点 P
Δ(2kt2p)
2
4t
2
k
2
0,化简得 p2kt
设点 P 的横坐标为 x
0
(x
0
0),由韦达定理得 2x
0
=-
2kt2p
k
2
x
0
pkt
k
2
易证△APF∽△OQF,故
FQ
FP
OF
AF
FQ
OF
FA
×PF
p
2
p
2
t
k
(x
0
p
2
)
pk
pk2t
×(
pkt
k
2
p
2
)
pk
pk2t
×
2ktpk
2
2k
2
p
2
PQ
p
2
评析 通过变式探究,既将同结构问题进行了推广,丰富学生的知识结构,同时又加深了学生对数形结
思想的理解应用发展了学生的数学抽象能力.教师带领同学进行圆锥曲线中平行弦问题的探究和揭秘,对开
启学生的实践能力和创新意识也是大有裨益的
5 类题推送
大数据与教学的深度融合,为教与学提供精准服务,让教师全面了解每个学生的答题情况,为学生制定
“个性化”的“补偿性”练习巩固和检测学习效果.下面是“智学”系统通过分析学生的答题情况,推送
给学生“相似题组”供学生再训练.
(1)若点 P 是椭圆 C
x
2
a
2
y
2
b
2
1(ab0)上的一个动点,O 是椭圆的中心,过椭圆的左顶点 A 且平行于弦
OP 的直线交椭圆于 M,与 y 轴交于点 N
证明:
2
2
AM AN
OP
5
(2) CD 是椭圆
x
2
a
2
y
2
b
2
1(ab0)一条直径,过椭圆的左顶点 A CD 的平行线,交椭圆于另一点 N
y 轴交于点 M,证明:|AM|·|AN||CO|·|CD|
6 几点思考
6.1 经历数学发现和探究,注重算理算法的理解和掌握
对于具有典型性和解法多样性的题目,除了要教给学生研究解决问题的基本套路,还应加强对运算意义
的了解,以及对算理算法的理解和掌握 .案例研究表明,清晰的算法思想和对运算过程的预判、调整是提高
解析几何解答题运算求解能力的根本,这有益于培养学生发现和提出问题,分析和解决问题的能力.当他们
面临新的问题时,才不会感觉束手无策.数学解题教学课堂要敢于放手让学生探究,追求“慢”教学,要以
学生发展为本,在教学过程中不断设置有利于激发学习潜能,锻炼学生思维的问题和情境,实现课堂效益最
大化.另外,数学教学内容的呈现还要利于学生自主探究,在交流互动中体验知识的产生和发展,在思维碰
撞中经历数学的发现和创造.只有“慢”教学,才能让知识的剖析更为细腻,让习题的辐射更为广泛,让学
生的体验更为深刻,才能为学生提供更多的“思”、“说”、“做”的时间和空间.没有数学思考,就没有
真正的数学学习,让学生通过自己的思考建立起自己的数学理解力时,才可达到对知识有较高程度的掌握.
6.2 加强解题回顾和总结,完善解题认知结构
提高学生的解题能力是数学解题教学的重要目的,只有完善学生的解题认知结构,才可以达到这一目
的.解题认知结构由以下三个方面组成:解题知识结构、思维机构和解题元认知结构.解题知识结构包括组
织良好的数学知识结构和解题知识块.解题知识块包括“问题类型、基本数学模式、基本问题、一般的方法
和特殊的技巧等”;解题的思维结构包括一般思维方法、数学思想方法与数学解题策略等;解题的元认知,
由主题的元认知结构和元认知监控等.借助大数据分析,明白学生缺失的是什么?应采取什么对策?学生解题
的认知结构如何完善?如何完善?解题认知结构形成的最有效的时机就是解题后的归纳、反思、提炼和总
结.一题多解是完善学生认知结构的有效途径,将问题所考的知识和方法进行纵横联系,相互渗透,在反思
中总结,在总结中提炼,不断积累解题的活动经验,提升学生的解题能力.
利用大数据分析,更有针对性的指导学生,有利于积极探索多样化的教学方式,以较好满足学生的个性
化需求.根据大数据的诊断,面对学生的问题教师更能有效地精准教学,增强实效,利于发展学生的数学核
心素养.
参考文献:
[1]
涂荣豹.数学解题学习中的元认知
[J]
.数学教育学报,
2001
(11)
[2]
董林伟.倾听学生的思考:例谈运算能力及其培养途径
[J]
.数学通报,
2009(
9
)
[3]
余建国.基于算法思想的解析几何运算策略案例研究
[J]
.中学数学
(
)
2015(5
)
[4]
郭建华.注重“微”探究,追求“慢”教学
[J]
.中小学数学
(
高中
)
2016(11)
基金项目:
1.南京市教育科学 “十三五 规划 2018 年度立项课题“大数据分析背景下高中数学教与学行为变革
的实践研究”(编号:L/2018/235)研究成果之一.
2 南京市教研立项课题“大数据与高中数学教学效益的研究”((2017NJJK12L12)研究成果之一
(本文发表于《数学之友》2020 年第 24 )