波利亚解题——案例分析(0507)

1波利亚解题——案例分析例题：给定正四棱台的高h，上底的一条边长a和下底的一条边长b，求正四棱台的体积V．(学生已学过棱柱、棱锥的体积)波利亚解题：一、弄清问题（理解题目的未知和已知条件）本题的已知条件有哪些？本题的未知是什么？①正四棱台的高h；②上底边长a；？正四棱台的体积V．③下底边长b二、拟定计划（找到已知条件和未知之间的联系）1）怎样才能求得V？由于我们已经知道棱柱、棱锥的体积公式，而棱台的几何结构（棱台的定义）告诉我们，棱台是“用一个平行于底面的平面去截棱锥”，从一个大棱锥中截去一个小棱锥所生成的．如果知道了相应两棱锥的体积1V和2V，我们就能求出棱台的体积21VVV。①这样我们就引入两个新的符号1V和2V，同时也找到了V、1V、2V三个量之间的联系，这就把求V转化为求1V和2V．22）怎样才能求得1V和2V？据棱锥的体积公式（ShV31），底面积可由已知条件直接求得，关键是如何求出两个棱锥的高。并且，一旦求出小棱锥的高x，大棱锥的高也就求出，为hx．我们再次引入了一个新符号x，于是根据棱锥的体积公式就有xaV2231，)(3121hxbV，这样，问题就由求1V和2V转化为了求x。3）怎样才能求得x？为了使未知数x与已知数a、b、h联系起来，建立起一个等量关系．我们调动处理立体几何问题的基本经验，进行“平面化”的思考．用一个通过高线以及底面一边上中点（如下图蓝色线条所示）的平面去截两个棱锥，在这个截面上有两个相似三角形能把a、b、h、x联系起来（转化为平面几何问题），由三角形相似的性质得：hxxba②3这就将一个几何问题最终转化为代数方程的求解．解上述方程，便可由a、b、h表示x，至此，我们已在V与已知数a、b、h之间建立起了一个不中断的联络网，解题思路全部沟通．三、实现计划（利用找到的联系进行解题）作辅助线，由相似三角形的性质可得，hxxba，解得abahx。所以两椎体的体积分别为有：abhaabahaxaV331313222，abhbhabahbhxbV331)(313221，所以棱台的体积：333322333321hbabaabhababhaabhbVVV。③4四、回顾（1）正面检验每一步，推理是有效的，演算是准确的。再作特殊性检验，令0a，由③可得正四棱锥体的体积公式；令ba，由③可得正四棱柱体的体积公式。这既反映了新知识与原有知识的相容性，又显示出棱台体积公式的一般性；这既沟通了三类几何体极限状态间的知识联系，又可增进三个体积公式的联系记忆。（2）回顾这个解题过程可以看到，解题首先要弄清题意，从中捕捉有用的信息(如图所示，有棱台、a、b、h、V共5条信息)，同时又要及时提取记忆网络中的有关信息(如回想：棱台的定义、棱锥的体积公式、相似三角形的性质定理、反映几何结构的运算、调动求解立体几何问题的经验积累等不下6条信息)，并相应将两组信息资源作合乎逻辑的有效组合．这当中，起调控作用的关键是如何去构思出一个成功的计划（包括解题策略）。由这一案例，每一个解题者还可以根据自己的知识经验各自进一步领悟关于如何制定计划的普遍建议或模式。（3）在解题方法上，这个案例是分析法的一次成功应用，从结论出发由后往前找成立的充分条件。①为了求V，我们只需求1V、2V（由棱台体积到棱锥体积的转化——由未知到已知，化归）；②为了求1V、2V，我们只需求x（由体积计算到线段计算的转化——由复杂到简单，降维）；③为了求x，我们只需建立关于x的方程(由几何到代数的转化——数形结合)；④最后，解方程求x，解题的思路就畅通了，在当初各自孤立而空旷的画面上，形成了一个5联接未知与已知间的不中断网络，书写只不过是循相反次序将网络图作一叙述。这个过程显示了分析与综合的关系，“分析自然先行，综合后继；分析是创造，综合是执行；分析是制定一个计划，综合是执行这个计划”。（4）在思维策略上，这个案例是“三层次解决”的一次成功应用。首先是一般性解决(策略水平上的解决)，把V转化为1V、2V的求解（21VVV），就明确了解题的总体方向；其次是功能性解决（方法水平的解决），发挥组合与分解、相似形、解方程等方法的解题功能；最后是特殊性解决（技能水平的解决），比如按照棱台的几何结构作图、添辅助线找出相似三角形、求出方程的解、具体演算体积公式等，是对推理步骤和运算细节作实际完成。（5）在心理机制上，这个案例呈现出“激活——扩散”的基本过程。首先在正四棱台（条件）求体积（结论）的启引下，激活了记忆网络中棱台的几何结构和棱锥的体积公式；然后，沿着体积计算的接线向外扩散，依次激活截面知识、相似三角形知识、解方程知识，……直到条件与结论之间的网络沟通．这种“扩散——激活”的观点，正是数学证明思维中心理过程的一种解释。（6）在立体几何学科方法上，这是“组合与分解”的一次成功应用。首先把棱台补充（组合）为棱锥，然后再把棱锥截成（分解）棱台并作出截面，这种做法在6求棱锥体积时曾经用过（先组合成一个棱柱、再分解为三个棱锥），它又一次向我们展示“能割善补”是解决立体几何问题的一个诀窍，而“平面化”的思考则是沟通立体几何与平面几何联系的一座重要桥梁。这些都可以用于求解其他立体几何问题，并且作为一般化的思想（化归、降维）还可以用于其他学科。（7）“你能否用别的方法导出这个结果?”在信念上我们应该永远而坚定地做出肯定的回答，操作上未实现只是能力问题或暂时现象。（8）“你能不能把这一结果或方法用于其他问题?”能，至少我们可以由正四棱台体积公式一般化为棱台体积公式（方法是一样的）。注意到：12Sa，22Sb，21SSab，可一般化猜想棱台的体积公式为：32211hSSSSV7附录——波利亚解题程序表弄清问题第一、你必须弄清问题未知是什么？已知是什么？条件是什么？满足条件是否可能？要确定未知，条件是否充分？或者它是否不充分？或者是多余的？或者是矛盾的？画张图，引入适当的符号．把条件的各个部分分开．你能否把它们写下来？拟定计划第二、找出已知数与未知数之间的联系．如果找不出直接的联系，你可能不得不考虑辅助问题．你应该最终得出一个求解的计划你以前见过它吗？你是否见过相同的问题而形式稍有不同？你是否知道与此有关的问题？你是否知道一个可能用得上的定理？看着未知数，试想出一个具有相同未知数或相似未知数的熟悉的问题．这里有一个与你现在的问题有关，且早已解决的问题．你能不能利用它？你能利用它的结果吗？你能利用它的方法吗？为了能利用它，你是否应该引入某些辅助元素？你能不能重新叙述这个问题？你能不能用不同的方法重新叙述它？回到定义去．如果你不能解决所提出的问题，可先解决一个与此有关的问题．你能不能想出一个更容易着手的有关问题？一个更普遍的问题？一个更特殊的问题？一个类比的问题？你能否解决这个问题的一部分？仅仅保持条件的一部分而舍去其余部分．这样对于未知数能确定到什么程度？它会怎样变化？你能不能从已知数据导出某些有用的东西？你能不能想出适合于确定未知数的其他数据？如果需要的话，你能不能改变未知数或数据，或者二者都改变，以使新未知8数和新数据彼此更接近？你是否利用了所有的已知数据？你是否利用了整个条件？你是否考虑了包含在问题中的必要的概念？实现计划第三、实行你的计划实现你的求解计划，检验每一步骤．你能否清楚地看出这一步骤是正确的？你能否证明这一步骤是正确的？回顾第四、验算所得到的解．你能否检验这个论证？你能否用别的方法导出这个结果？你能不能一下子看出它来？你能不能把这一结果或方法用于其他的问题？