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第十一屆全國(guó)高中青年數(shù)學(xué)教師優(yōu)質(zhì)課大賽《空間中點(diǎn)、直線和平面的向量表示》河南—趙

視頻標(biāo)簽:第十一屆全國(guó)高中

所屬欄目:高中數(shù)學(xué)優(yōu)質(zhì)課視頻

視頻課題:第十一屆全國(guó)高中青年數(shù)學(xué)教師優(yōu)質(zhì)課大賽《空間中點(diǎn)、直線和平面的向量表示》河南—趙

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第十一屆全國(guó)高中青年數(shù)學(xué)教師優(yōu)質(zhì)課大賽《空間中點(diǎn)、直線和平面的向量表示》河南—趙

2022年全國(guó)高中數(shù)學(xué)優(yōu)秀課教學(xué)設(shè)計(jì)
 
 
 
§1.4.1 空間中點(diǎn)、直線和平面的向量表示

(第一課時(shí))
                                                                    
 
 
 
一、教學(xué)內(nèi)容和內(nèi)容解析
(一)內(nèi)容
空間中點(diǎn)、直線和平面的向量表示,以及平面法向量的概念和求法.
(二)內(nèi)容解析
本節(jié)課是本章第4節(jié)的第一課時(shí),本章的第4節(jié)空間向量的應(yīng)用,是在學(xué)習(xí)了空間向量及其運(yùn)算、空間向量基本定理以及空間向量及其運(yùn)算的坐標(biāo)表示之后,再利用空間向量集中、具體地解決立體幾何的問題.前面的學(xué)習(xí)比較分散,隨學(xué)隨用、學(xué)以致用,同時(shí)在解決立體幾何問題中鞏固空間向量的知識(shí),而本節(jié)內(nèi)容,讓學(xué)生進(jìn)一步集中體會(huì)用向量解決立體幾何問題的思想和方法.作為本節(jié)的第一課時(shí)《空間中點(diǎn)、直線和平面的向量表示》,可以說(shuō)是起著承上啟下的作用,既充分運(yùn)用了前面所學(xué)知識(shí),來(lái)對(duì)空間基本元素的向量表示進(jìn)行探究,又是本節(jié)的第2-6課時(shí)所研究?jī)?nèi)容的重要理論基礎(chǔ).因此,學(xué)好本節(jié)課,至關(guān)重要.
基于以上分析,確定本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是:利用向量集方向和大小于一身的特性,利用共線定理以及平面向量基本定理的內(nèi)容,推導(dǎo)點(diǎn)、直線和平面的向量表示;類比直線的方向向量的概念,探索平面的法向量的概念,并能夠在具體問題中求得平面的法向量.
  • 教學(xué)目標(biāo)和目標(biāo)解析
  • 目標(biāo)
1.能利用共線定理、平面向量基本定理等內(nèi)容,探究點(diǎn)、直線和平面的向量表示,并建立立體圖形與空間向量的聯(lián)系;理解直線的方向向量和平面的法向量,掌握平面法向量的求解方法;
2.通過經(jīng)歷問題的探究過程,體會(huì)其中的研究方法,從而把握問題的本質(zhì);感悟此過程中所體現(xiàn)的轉(zhuǎn)化與化歸等數(shù)學(xué)思想;
3.通過提出問題、分析問題和解決問題的過程,提升數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理、直觀想象等核心素養(yǎng).
(二)目標(biāo)解析
達(dá)成上述目標(biāo)的標(biāo)志是:
1.學(xué)生通過長(zhǎng)方體這個(gè)載體,直觀想象、抽象歸納出點(diǎn)的位置向量,并明確用點(diǎn)的位置向量來(lái)表示點(diǎn)的意義.
2.學(xué)生能夠通過抓住“點(diǎn)的位置向量”這條主線,突破“直線的向量表示”這個(gè)難點(diǎn),從而自主探究得出“平面的向量表示”方法;通過“陀螺的軸和圓盤平面始終保持垂直關(guān)系”的實(shí)例,抽象出“平面法向量”的概念,并理解法向量的作用及意義.
3.學(xué)生能夠體會(huì)從“點(diǎn)、直線和平面的位置關(guān)系”是如何轉(zhuǎn)化為“向量的位置關(guān)系”的,以及從“向量的位置關(guān)系”又是如何轉(zhuǎn)化為“向量的數(shù)量運(yùn)算”的過程中所體現(xiàn)出來(lái)的轉(zhuǎn)化與化歸思想.
  • 學(xué)生學(xué)情分析
  • 學(xué)情分析
本節(jié)課的教學(xué)對(duì)象是高二學(xué)生.學(xué)生在本節(jié)課之前已經(jīng)具備的認(rèn)知基礎(chǔ)有:
1.平面向量的概念、運(yùn)算,平面向量基本定理及坐標(biāo)表示;
2.空間向量的概念、運(yùn)算,空間向量基本定理及坐標(biāo)表示;
3.立體幾何初步的相關(guān)知識(shí).
雖然學(xué)生有平面向量在平面幾何中的應(yīng)用以及空間向量解決簡(jiǎn)單立體幾何問題的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn),但由于他們對(duì)空間立體幾何中引進(jìn)空間向量的意圖還不夠明確,對(duì)“向量法”在具體解決立體幾何問題時(shí)的整體思路的把握還不夠熟練,導(dǎo)致他們對(duì)空間向量的認(rèn)識(shí)還是很分散的,不夠系統(tǒng)的.因而他們對(duì)于如何借助向量來(lái)表示空間幾何體還是有很大困難的,更難理解如何用向量表示式來(lái)表示點(diǎn)線面了.考慮到學(xué)生已有用“任意一個(gè)”來(lái)代替所有對(duì)象的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn),教學(xué)時(shí)可在教師的提示下讓學(xué)生充分理解“表示直線(平面)就是表示直線(平面)上的任意一點(diǎn)”,將問題轉(zhuǎn)化為探索直線或平面上任意一點(diǎn)P的位置向量所需滿足的條件,從而得到線面的向量表示式.
對(duì)于平面法向量的概念,學(xué)生通過陀螺旋轉(zhuǎn)過程中,陀螺的軸和圓盤平面始終保持垂直關(guān)系,能夠抽象出刻畫平面方向的向量——法向量,從而經(jīng)歷借助法向量表示平面的探究過程,此過程有前面的向量表示做基礎(chǔ),對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō),并不是難點(diǎn).但是非特殊平面的法向量的求法,對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)新的知識(shí)內(nèi)容,教學(xué)時(shí)需要引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn),一步一步地分析問題從而解決問題.
(二)教學(xué)重、難點(diǎn)
重點(diǎn):點(diǎn)、直線和平面的向量表示,以及平面法向量的求法.
難點(diǎn):點(diǎn)、直線和平面的向量表示的探究過程.
(三)難點(diǎn)突破策略
通過問題引導(dǎo),讓學(xué)生經(jīng)歷“痛苦”的思考過程,使學(xué)生逐步發(fā)現(xiàn)為什么“向量可以代替點(diǎn)、直線和平面”,“如何借助向量來(lái)表示點(diǎn)、直線和平面”,繼而通過抓主線——點(diǎn)的位置向量,轉(zhuǎn)化、類比,最后得到正確的結(jié)論.
  • 教學(xué)策略分析
  • 問題診斷
1.學(xué)生對(duì)“用向量表示點(diǎn)、直線和平面”中“表示”一詞,難以理解.
2.學(xué)生可以通過探究初步認(rèn)識(shí)到“如何借助向量和定點(diǎn)確定一條直線和一個(gè)平面”,但對(duì)于“如何把直線和平面表示成一個(gè)向量關(guān)系式”,學(xué)生可能還會(huì)有些困惑.
(二)教學(xué)策略
1.通過以長(zhǎng)方體為載體,建立學(xué)生熟悉的立體空間場(chǎng)景,減少學(xué)生的畏難情緒,此外,將所有的探究都在同一個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)行,一線貫穿,減少無(wú)效勞動(dòng),集中學(xué)生的注意力,使他們專注于主要問題的討論.
2.通過引導(dǎo)學(xué)生抓主線——點(diǎn)的位置向量,即直線所對(duì)應(yīng)的向量其實(shí)就是直線上任意一點(diǎn)的位置向量,平面所對(duì)應(yīng)的向量就是平面內(nèi)任意一點(diǎn)的位置向量,使學(xué)生對(duì)直線和平面的向量表示的探究層層遞進(jìn),并得出相應(yīng)的向量表示式.
五、教學(xué)過程設(shè)計(jì)
(一)引導(dǎo)語(yǔ):本節(jié)課我們共同學(xué)習(xí)《空間中點(diǎn)、直線和平面的向量表示》,關(guān)于向量,前面我們也學(xué)過一些知識(shí),也解決過一些問題,也體驗(yàn)到了它的一些優(yōu)越性,比如像線面垂直的判定定理,如果一條直線垂直于平面內(nèi)的兩條相交直線,那么它就垂直于這個(gè)平面.這個(gè)定理的證明,如果用綜合幾何法是非常麻煩的,書寫下來(lái)大概需要一兩頁(yè),但用了向量法就很簡(jiǎn)單,短短幾行就得出了結(jié)論.然而,向量法的優(yōu)越性,我們看到的也只是一點(diǎn)點(diǎn).其實(shí),運(yùn)用向量法可以解決空間幾何中的所有問題.
那同學(xué)們想一下,立體幾何,都有哪些問題?(學(xué)生答)
立體幾何問題無(wú)非是位置關(guān)系與度量計(jì)算,如果我們要把這些問題交給向量來(lái)解決,關(guān)鍵是什么呢?
空間中所有幾何體都是由點(diǎn)線面組成的,只要用向量表示了點(diǎn)、線、面,那么也就可以表示所有幾何體了,從而將立體幾何問題轉(zhuǎn)化為向量運(yùn)算問題,那到底該怎么表示呢?
【設(shè)計(jì)意圖】此段引導(dǎo)語(yǔ)體現(xiàn)三個(gè)方面的內(nèi)容:1.前面我們學(xué)習(xí)過向量的相關(guān)知識(shí),并從簡(jiǎn)單的應(yīng)用過程中體會(huì)到了向量法的一些優(yōu)越性;2.我們想用向量來(lái)解決什么樣的立體幾何問題;3.向量法解決立體幾何問題的關(guān)鍵是什么.突出研究目的,構(gòu)建知識(shí)框架,明確研究目標(biāo).
(二)新知探究
探究一:如何用向量表示空間中的一個(gè)點(diǎn)?
問題引入:用哪個(gè)向量表示點(diǎn)

師生活動(dòng):通過觀察和問題的提出,引導(dǎo)學(xué)生思考如何將一個(gè)向量和一個(gè)點(diǎn)建立起關(guān)系,從而想到“還需再找一個(gè)起點(diǎn),比如點(diǎn)”的辦法.
追問1:什么是“表示”?
追問2:若還有一個(gè)向量,滿足條件,那么點(diǎn)在哪?
追問3:非得用點(diǎn)作為起點(diǎn)嗎,如果用空間中的任意一點(diǎn)作為基點(diǎn),點(diǎn)的位置向量是誰(shuí),誰(shuí)來(lái)表示點(diǎn)
學(xué)生活動(dòng):學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)點(diǎn)和點(diǎn)重合,也就是說(shuō)唯一確定點(diǎn);如果用空間中的任意一點(diǎn)作為基點(diǎn),點(diǎn)的位置向量為,此時(shí)點(diǎn)被向量所表示.
【設(shè)計(jì)意圖】開門見山地提出“用哪個(gè)向量表示點(diǎn)”的問題,首先使學(xué)生明確“表示”就是“代替”;其次引導(dǎo)學(xué)生思考為什么向量可以表示點(diǎn);最后得出“一個(gè)點(diǎn)就是用它的位置向量來(lái)表示”的結(jié)論.
探究二:如何用向量表示空間中的一條直線?
問題引入:用哪個(gè)向量表示直線
師生活動(dòng):首先,教師依然提醒學(xué)生“表示”就是“代替”;其次,表示的是誰(shuí)?(直線)所以,要先把直線的位置確定下來(lái)(一個(gè)點(diǎn)和一個(gè)方向向量唯一確定直線);再次,如何借助向量和定點(diǎn)來(lái)表示直線上任意一點(diǎn)的位置向量();最后,深入剖析為什么能夠這樣表示().
追問:非得用點(diǎn)做基點(diǎn)嗎?如果用空間中任意一點(diǎn)作為基點(diǎn),又該如何表示直線上任意一點(diǎn)的位置向量?
師生活動(dòng):教師引導(dǎo)學(xué)生從位置關(guān)系出發(fā),雖然此時(shí)點(diǎn)的位置向量并不與方向向量平行,但我們可以將轉(zhuǎn)化為來(lái)表示,于是得到直線的向量表示式.
追問:有時(shí)候我們也把上式寫為:,大家能看懂嗎?什么意思呢?此時(shí)點(diǎn)在哪?
師生活動(dòng):同學(xué)們研究發(fā)現(xiàn),此時(shí)的點(diǎn)在直線上.教師提醒,有些時(shí)候,我們可以根據(jù)題目條件直接選取直線上的向量作為它的方向向量,之后表示直線去參加運(yùn)算.
【設(shè)計(jì)意圖】以問題串的形式,引導(dǎo)學(xué)生逐步探索,層層遞進(jìn),直到獲得問題的本質(zhì).通過引導(dǎo)學(xué)生有邏輯的思考,培養(yǎng)其邏輯推理的能力.
探究三:如何用向量表示空間中的一個(gè)平面?
1.問題引入:如何用向量表示平面

師生活動(dòng):教師引導(dǎo),學(xué)生發(fā)現(xiàn)還用點(diǎn)和方向向量不能唯一確定平面,想要唯一確定平面,還需添加什么條件?(再添加一個(gè)不與向量共線的向量,比如向量)為了表示的方便,令
追問:如何借助點(diǎn)以及兩個(gè)不共線的向量來(lái)表示平面
學(xué)生活動(dòng):根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),自主探究平面的向量表示式.
學(xué)生展示:教師隨機(jī)拍取一位同學(xué)的研究成果,并讓此同學(xué)描述研究過程.
師生活動(dòng):根據(jù)學(xué)生的展示,教師將此研究過程具體展開以“一問一答”的形式進(jìn)行詳細(xì)的講解(共面⟺).
追問:非得用點(diǎn)做基點(diǎn)嗎?如果用空間中任意一點(diǎn)作為基點(diǎn),又該如何表示平面上任意一點(diǎn)的位置向量?
師生活動(dòng):教師引導(dǎo)學(xué)生類比直線的向量表示,得出,從而得到
追問:有時(shí)候,我們也把上式寫為:,大家能看懂嗎?什么意思呢?點(diǎn)和點(diǎn)在哪?
師生活動(dòng):根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn),學(xué)生可以很快發(fā)現(xiàn)此式的意義所在,即在有些題目中,通常用平面內(nèi)的兩個(gè)不共線的向量來(lái)確定此平面,有時(shí)是很方便的.
【設(shè)計(jì)意圖】在學(xué)生已經(jīng)掌握了點(diǎn)和直線的向量表示的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比的手段進(jìn)行自主探究.通過動(dòng)手操作,給出平面的向量表示式的猜想.學(xué)生可以得出,但對(duì)于這個(gè)式子為何可以成為平面的向量表示式還會(huì)有疑慮.通過追問(什么樣的向量才滿足此式?為什么會(huì)共面?反之,是否成立?),逐步打消他們的疑惑,以使學(xué)生確認(rèn)此表示式的正確性.從而使學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)幾何問題向代數(shù)運(yùn)算的轉(zhuǎn)化過程,體會(huì)直觀感知、操作確認(rèn)、思辨論證的研究問題一般過程,發(fā)展直觀想象和邏輯推理的核心素養(yǎng).
2.問題引入:請(qǐng)同學(xué)們對(duì)比,哪個(gè)更為簡(jiǎn)潔?能否也只借助一個(gè)點(diǎn)和一個(gè)向量來(lái)表示一個(gè)平面呢?
師生活動(dòng):大部分學(xué)生都會(huì)在平面內(nèi)去找可以表示平面的那個(gè)向量,但很快又都發(fā)現(xiàn)平面內(nèi)的哪一個(gè)向量都不能唯一確定這個(gè)平面,所以教師引導(dǎo)學(xué)生跳出這個(gè)平面去尋找.
通過陀螺的軸與陀螺圓盤始終保持垂直關(guān)系的實(shí)例,讓學(xué)生直觀想象可以刻畫平面方向的向量應(yīng)該是一個(gè)什么樣的向量,從而引出“法向量”的概念.
追問:在長(zhǎng)方體情境下,平面的法向量都有誰(shuí)?只給出平面的一個(gè)法向量是否可以將這個(gè)平面唯一確定?
師生活動(dòng):教師引導(dǎo),學(xué)生發(fā)現(xiàn)平面的法向量不唯一,只有平面的一個(gè)法向量無(wú)法唯一確定這個(gè)平面,還需再加一個(gè)定點(diǎn).于是點(diǎn)和法向量(令)就唯一確定了平面
追問:如何借助點(diǎn)和法向量來(lái)表示平面
學(xué)生活動(dòng):點(diǎn)為基點(diǎn),向量為點(diǎn)的位置向量,根據(jù)法向量的定義可知,,從而得到,即平面可以用集合來(lái)刻畫.
師生活動(dòng):教師與學(xué)生共同總結(jié)平面的兩種向量表示方法.并對(duì)點(diǎn)線面的向量表示進(jìn)行簡(jiǎn)單系統(tǒng)的整理.
【設(shè)計(jì)意圖】實(shí)例引出“法向量”的概念,培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)抽象的核心素養(yǎng).由法向量的定義,學(xué)生可以自主探究得出垂直關(guān)系,繼而得到數(shù)量積為零的運(yùn)算關(guān)系,使學(xué)生再次體會(huì)轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)思想.
(三)例題分析,鞏固新知
如圖,在長(zhǎng)方體中,的中點(diǎn).以為原點(diǎn),所在直線分別為軸、y軸、軸,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系.
  1. 求長(zhǎng)方體六個(gè)面的法向量;
  2. 求平面的法向量.
師生活動(dòng):教師引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出第(1)問中平面的法向量的坐標(biāo)
追問:還可以寫成其它的坐標(biāo)來(lái)表示平面的法向量嗎?如果可以,哪個(gè)更好?
師生活動(dòng):根據(jù)教師的問題,學(xué)生經(jīng)過思考,發(fā)現(xiàn)寫為更為簡(jiǎn)練.
學(xué)生活動(dòng):請(qǐng)同學(xué)們自主完成長(zhǎng)方體其余幾個(gè)面的法向量的坐標(biāo)表示,并思考為什么要選擇更為簡(jiǎn)練的結(jié)果?
師生活動(dòng):此題第(2)問中平面的法向量,并不像第(1)問中平面的法向量那么容易得出,教師引導(dǎo)學(xué)生從法向量的定義出發(fā),找到向量的垂直關(guān)系,向量的垂直關(guān)系再轉(zhuǎn)化為向量的數(shù)量積運(yùn)算,從而利用待定系數(shù)法求出法向量.教師根據(jù)學(xué)生回答,寫出主要步驟,之后在PPT中給出完整解題步驟,并和同學(xué)們一起進(jìn)行解題步驟的歸納總結(jié).
【設(shè)計(jì)意圖】此題使學(xué)生初步體會(huì)平面的法向量的求法,對(duì)于簡(jiǎn)單易找的,如何做;對(duì)于不能直接找出的,如何求.掌握解題方法和解題的一般步驟.
變式訓(xùn)練 如圖,在長(zhǎng)方體中,的中點(diǎn).以為原點(diǎn),所在直線分別為軸、y軸、軸,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系.求平面的法向量.
學(xué)生活動(dòng):學(xué)生獨(dú)自完成此變式.
學(xué)生展示:教師利用希沃Link將其中兩位同學(xué)的解題過程傳送到大屏幕,通過對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩位同學(xué)所選的平面內(nèi)的向量不完全相同,但并不影響結(jié)果,從而說(shuō)明平面可以由向量中的任意兩個(gè)來(lái)表示.
【設(shè)計(jì)意圖】通過例題教學(xué)以及變式訓(xùn)練,使學(xué)生掌握求平面法向量的一種具體方法,結(jié)合題目的分析過程,培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力,并且進(jìn)一步學(xué)會(huì)獨(dú)立思考與歸納總結(jié).
(四)課堂小結(jié)
師生活動(dòng):教師引導(dǎo)學(xué)生從以下三個(gè)方面對(duì)本節(jié)課進(jìn)行小結(jié):知識(shí)內(nèi)容,研究方法和數(shù)學(xué)思想.具體來(lái)說(shuō),知識(shí)內(nèi)容方面:點(diǎn)線面的向量表示以及如何得到的這些向量表示式;研究方法方面:從始至終抓住了一條主線——點(diǎn)的位置向量;思想方法方面:本節(jié)課主要運(yùn)用了轉(zhuǎn)化與化歸的數(shù)學(xué)思想,具體體現(xiàn)在點(diǎn)線面的位置關(guān)系轉(zhuǎn)化為向量的位置關(guān)系,向量的位置關(guān)系轉(zhuǎn)化為向量的運(yùn)算關(guān)系,也就是幾何問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)運(yùn)算來(lái)解決,使得原本復(fù)雜的問題變得簡(jiǎn)單,原來(lái)不能解決的問題可以解決.今后同學(xué)們遇到貌似不能解決的問題或是無(wú)法逾越的困難時(shí),想一想轉(zhuǎn)化思想,換一個(gè)角度,多一個(gè)視角,或許能夠柳暗花明!
【設(shè)計(jì)意圖】通過小結(jié),梳理本節(jié)課所學(xué)的知識(shí),并回顧本節(jié)課的學(xué)習(xí)過程,進(jìn)一步體會(huì)轉(zhuǎn)化與化歸的數(shù)學(xué)思想,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的反思意識(shí)和習(xí)慣,幫助學(xué)生在更廣的范圍內(nèi)把所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化,并掌握相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法.最后,讓學(xué)生感受“數(shù)學(xué)來(lái)源于生活,又服務(wù)于生活”,提高利用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問題的能力,讓生活數(shù)學(xué)化.
(五)作業(yè)布置
【必做題】第41頁(yè) 習(xí)題1.4 第1、2題
【選做題】第42頁(yè) 習(xí)題1.4 第3、4題
【設(shè)計(jì)意圖】通過分層作業(yè)的布置,使學(xué)生清楚,哪些是必須做到的,哪些是需要努力去做到的,從而使本節(jié)課所學(xué)知識(shí)得以鞏固和運(yùn)用.

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