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文檔簡介

初中數學九年級下冊“解直角三角形”單元教學設計

第一部分:單元整體解讀與設計理念

一、單元內容本質與價值定位

“解直角三角形”是人教版初中數學九年級下冊第二十八章“銳角三角函數”的核心內容與自然延伸。本單元標志著學生從對三角形靜態的、以全等和相似為核心的關系研究,轉向對其邊角數量關系的動態刻畫與定量計算,實現了幾何與代數思想的深度融合。其本質在于,利用銳角三角函數的工具性,將幾何圖形(直角三角形)中的已知元素(邊、角)與未知元素通過確定的函數關系(sinA,cosA,tanA)聯系起來,從而構建方程(組),實現幾何問題的代數化解法。

本單元具有承上啟下的樞紐價值。“承上”在于,它是對已學勾股定理、三角形內角和定理、相似三角形比例性質及銳角三角函數定義的整合與應用;“啟下”在于,它是高中系統學習任意角三角函數、解任意三角形(正弦定理、余弦定理)、向量及解析幾何中方向角、斜率等概念的重要認知基礎和直觀模型。從更廣闊的跨學科視野看,解直角三角形的思想方法是數學建模的典型范例,是解決測量、航海、工程、物理(如力的分解)等諸多領域實際問題的關鍵數學工具。

二、核心素養發展目標

基于《義務教育數學課程標準(2022年版)》的要求,本單元教學設計旨在通過解直角三角形的學習,系統性發展學生的以下核心素養:

1.抽象能力與模型觀念:能從復雜的現實情境(如測量高度、坡度、方位)中,抽象出直角三角形的幾何結構,識別已知與未知的邊角元素,并正確選擇三角函數關系建立方程模型。這是將實際問題“數學化”的關鍵步驟。

2.推理能力與運算能力:在解直角三角形的過程中,邏輯嚴謹地依據定義和定理進行公式變形和方程求解。推理體現在對關系式的選擇依據上,運算則體現在準確、熟練地進行代數運算和近似計算(查表或使用計算器)上。

3.幾何直觀與空間觀念:通過繪制示意圖,將文字描述的方位、俯角、仰角、坡比等概念直觀地轉化為直角三角形中的角和邊,強化對空間關系的理解和想象。

4.應用意識與創新意識:鼓勵學生主動發現并提出生活中的可測量問題,設計測量方案,運用解直角三角形的知識創造性解決問題,并反思模型的適用性與結果的合理性。

三、大單元教學結構重構

傳統教學常將本節內容劃分為“已知兩邊解三角形”和“已知一邊一銳角解三角形”兩個孤立課時。為實現更高水準的教學,本設計采用“大單元整合”與“問題鏈驅動”的理念,將整個解直角三角形的學習過程重構為一個連貫的、螺旋上升的探究與應用體系。

單元主線:從定義(工具準備)→基本解法(工具使用)→綜合應用(工具實踐)→拓展建模(工具創新)。

課時重構:

1.第一課時:工具的磨礪——解直角三角形的原理與基本類型

2.第二課時:測量的藝術(一)——單一模型的應用(仰角、俯角)

3.第三課時:測量的藝術(二)——復合模型與生活情境(坡度、方位角)

4.第四課時:建模的挑戰——方案設計與跨學科項目實踐

5.(可選)第五課時:單元的升華——思維導圖構建與反思評價

第二部分:單元學習目標與重難點

一、單元學習目標

1.知識與技能:

1.2.理解解直角三角形的含義,即由直角三角形中除直角外的兩個已知元素(至少有一條邊),求出其余三個未知元素的過程。

2.3.熟練掌握直角三角形中邊(三邊)、角(兩銳角)之間的五種基本關系(勾股定理、兩銳角互余、三個銳角三角函數關系式),并能根據已知條件靈活選擇關系式。

3.4.能準確、熟練地解基本的直角三角形(已知兩邊或已知一邊一銳角)。

4.5.能理解仰角、俯角、坡度(坡比)、坡角、方向角等概念,并將其準確轉化為直角三角形中的內角或邊的關系。

5.6.能綜合運用解直角三角形的知識,解決較為復雜的測量和工程計算問題,并規范書寫解題過程。

7.過程與方法:

1.8.經歷“實際問題→抽象為幾何模型→建立數學關系→求解→解釋與檢驗”的完整數學建模過程。

2.9.通過變式訓練和問題鏈探究,體會方程思想、數形結合思想和轉化(化歸)思想在解決幾何問題中的威力。

3.10.在小組合作解決實際測量項目的過程中,學會制定方案、分工協作、使用工具(包括數學用表和科學計算器)、分析誤差。

11.情感、態度與價值觀:

1.12.感受數學與現實世界的緊密聯系,體會數學作為工具的實用性與美感。

2.13.在克服復雜問題的過程中,增強學習數學的自信心和探究精神。

3.14.培養嚴謹、求實的科學態度和規范表述的數學交流習慣。

二、教學重點與難點

1.教學重點:

1.2.靈活運用直角三角形的邊角關系解三角形。

2.3.將實際問題中的術語(仰角、坡度等)正確轉化為數學模型中的元素。

3.4.建立方程模型解決綜合性應用問題。

5.教學難點:

1.6.難點一(建模難點):在面對復雜、非標準化的現實情境時,如何通過添加輔助線,構造出有效的直角三角形模型。這需要極強的幾何直觀和空間想象能力。

2.7.難點二(選擇難點):在多個可用的三角函數關系式中,如何根據已知條件選擇最簡潔、計算最便捷的公式,優化解題路徑。這需要對關系式的內在聯系有深刻理解。

3.8.難點三(綜合難點):在涉及多個直角三角形或需要多步推理的復合型問題中,如何梳理邏輯鏈條,有序地、分步地解決問題。

第三部分:教學實施過程(核心環節詳案)

第一課時:工具的磨礪——解直角三角形的原理與基本類型

【課時目標】

1.理解“解直角三角形”的準確內涵。

2.系統歸納并熟練運用解直角三角形的五個基本關系式。

3.能獨立完成兩種基本類型的求解,并總結解題的一般步驟與策略。

【教學過程】

環節一:創設情境,溫故知新(約8分鐘)

1.問題導入:展示一張古埃及人利用影子測量金字塔高度的傳說圖片。

1.2.提問:“如果傳說中,泰勒斯在陽光下,他的身高和影長構成了一個直角三角形,金字塔的影長也可測量。但這里有一個關鍵條件被隱藏了,是什么?”(引導學生回憶:太陽光是平行光,因此兩個三角形的頂角——太陽光與地面的夾角——相等。)

2.3.追問:“這個相等的角,在數學上為我們建立了什么關系?”(引出:相似三角形。但今天,我們要用一個更直接的工具——三角函數,來定量計算。)

4.知識回顧(思維導圖熱身):請學生以“直角三角形”為中心詞,快速羅列所有已知的邊、角關系定理和定義。教師通過板書畫出結構圖,引導學生聚焦于:

1.5.角的關系:∠A+∠B=90°。

2.6.邊的關系:a2+b2=c2(勾股定理)。

3.7.邊角關系:sinA=a/c,cosA=b/c,tanA=a/b。(及其變式)

環節二:概念建構,明晰內涵(約10分鐘)

1.給出定義:在直角三角形中,由已知的邊和角,求出未知的邊和角的過程,叫做解直角三角形。

2.關鍵剖析:

1.3.“已知”意味著什么?——已知元素的值必須是具體的數或可表示的式。

2.4.直角三角形共有六個元素(三邊、三角),直角(90°)是永恒已知的。因此,我們實際上只需要再知道“兩個元素”。

3.5.核心問題:“這兩個已知元素可以是任意兩個嗎?”引導學生討論:

1.4.6.已知兩角(如∠A=30°,∠B=60°):能確定形狀,但不能確定大小。因為所有這樣的三角形都相似,邊長比例固定但數值無窮多。結論:已知兩角(除直角外)不能唯一解三角形。

2.5.7.已知一邊一角或兩邊:可以唯一確定三角形的形狀和大小。結論:解直角三角形的條件——除直角外,再知道兩個元素,且其中至少有一個是邊。

環節三:關系梳理,形成工具包(約12分鐘)

1.工具包整理:將五個基本關系式進行系統化整理,強調其“知二求一”的功能。

關系類別

具體關系式

功能(已知→可求)

角關系

∠A+∠B=90°

知一銳角→另一銳角

邊關系

a2+b2=c2

知兩邊→第三邊

邊角關系

sinA=a/c

知斜邊與一角→對邊;知對邊與一角→斜邊…

cosA=b/c

知斜邊與一角→鄰邊;知鄰邊與一角→斜邊…

tanA=a/b

知兩直角邊→一角;知一直角邊與一角→另一直角邊…

2.選擇策略討論:給出一個直角三角形ABC(∠C=90°),已知邊a和邊c。

1.3.提問:“求∠A,有哪些方法?”(sinA=a/c;cosA=?(需先求b);tanA=?(需先求b))

2.4.引導比較:顯然,直接使用sinA=a/c是最優路徑。歸納選擇原則:盡量使用原始已知數據,避免中間計算,以減少誤差積累和步驟。

環節四:典例精析,掌握基本類型(約12分鐘)

呈現兩種基本類型的例題,引導學生共同分析、口述思路、教師規范板書。

類型一:已知兩邊

例1:在Rt△ABC中,∠C=90°,a=6,b=8。解這個三角形。

1.學生分析:已知兩直角邊,可依次求:c(勾股定理)→∠A(tanA=a/b)→∠B(互余)。

2.教師強調:求邊用勾股定理最直接;求角用正切,因為兩邊已知。

類型二:已知一邊一銳角

例2:在Rt△ABC中,∠C=90°,∠A=30°,c=10。解這個三角形。

1.學生分析:已知斜邊和一銳角,可依次求:∠B(互余)→a(sinA=a/c)→b(cosA=b/c或勾股定理)。

2.教師強調:已知角,求邊首選正弦或余弦;求出的邊可作為新的已知,靈活切換關系式。

環節五:變式演練,內化步驟(約15分鐘)

1.基礎演練:學生獨立完成課本基礎練習題(已知兩邊、已知一邊一角的不同組合),同桌互查。

2.變式提高:

1.3.變式1:已知∠A=60°,a=5√3,解三角形。(從“已知斜邊一角”變為“已知對邊一角”,選擇tanA還是sinA?)

2.4.變式2:已知∠B=45°,c=4√2,解三角形。(已知的是哪個銳角?關系式如何調整?sinB=b/c)

3.5.變式3:已知a=5,c=13,解三角形。(引導學生注意:首先判斷∠A還是∠B?sinA=5/13<1/2,故∠A<30°,是一個非特殊角。此時如何求角?——引出使用計算器或數學用表求銳角的角度。)

6.步驟歸納:師生共同總結解直角三角形的一般步驟:

1.7.一畫:畫出示意圖,標出已知和未知。

2.8.二選:分析已知條件類型,選擇合適的邊角關系式。

3.9.三列:列出方程(或直接寫出算式)。

4.10.四解:求解方程或計算。

5.11.五答:給出完整答案(必要時說明取舍)。

【課堂小結與作業布置】(約3分鐘)

1.小結:強調“知二(至少一邊)可解”的條件,以及依據條件優化選擇關系式的思想。

2.作業:基礎題+提高題(包含非特殊角的計算);預習仰角、俯角概念。

第二課時:測量的藝術(一)——單一模型的應用(仰角、俯角)

【課時目標】

1.理解仰角、俯角的概念,并能準確在圖形中標識。

2.能將簡單的測量問題轉化為解直角三角形的數學模型。

3.培養將文字語言翻譯為圖形語言和符號語言的能力。

【教學過程】

環節一:概念源于生活(約8分鐘)

1.情境導入:播放一段無人機航拍或人物眺望遠方的短視頻。

2.概念生成:

1.3.定格一個畫面:觀察者抬頭看目標。

1.2.4.提問:視線與水平線形成了什么角?這個角的大小與觀察者的身高有關嗎?(無關,是視線與水平線的夾角)

2.3.5.給出定義:視線在水平線上方的,稱為仰角。

4.6.定格另一個畫面:觀察者低頭看目標。

1.5.7.類比給出定義:視線在水平線下方的,稱為俯角。

8.圖形化理解:教師在黑板上畫出標準的仰角和俯角示意圖,強調:

1.9.水平線是基準線。

2.10.角是視線與水平線的夾角。

3.11.通常需要構造直角三角形,仰角/俯角就是直角三角形的一個銳角。

環節二:模型初建與應用(約20分鐘)

例1(基礎建模):如圖,小明在離旗桿底部24米的D處,用測角儀測得旗桿頂端A的仰角為30°。已知測角儀高CD=1.5米,求旗桿AB的高度。

1.學生活動:分組討論,嘗試畫出幾何圖形。常見錯誤:學生可能忽略測角儀的高度,直接將觀測點畫在地面。

2.教師引導:

1.3.關鍵點1:識別觀測點在哪里?(測角儀的中心,即C點)。

2.4.關鍵點2:水平線是哪條?視線是哪條?(過C的水平線,視線CA)。

3.5.關鍵點3:構造直角三角形。(過C作CB‘⊥AB于B’,則Rt△AB‘C中,∠ACB’=30°,CB‘=BD=24米)。

4.6.關鍵點4:目標AB=AB‘+B’B=AB‘+CD。

7.規范板書:展示完整的圖形、設元、列式、計算、作答過程。強調“轉化”:實際問題→數學圖形→數學關系式。

例2(變式:俯角):熱氣球的探測器顯示,從熱氣球看一棟高樓頂部的俯角為30°,看這棟樓底部的俯角為60°。熱氣球與樓的水平距離為120米,這棟樓有多高?

1.挑戰:此問題涉及兩個直角三角形(分別對應頂部和底部),且公共邊是水平距離。

2.探究:引導學生畫出兩個分開的直角三角形,再思考如何整合。設熱氣球為P點,樓頂為A,樓底為B,水平面上的垂足為C。

1.3.在Rt△PAC中,∠APC=30°,PC=120,可求AC。

2.4.在Rt△PBC中,∠BPC=60°,PC=120,可求BC。

3.5.樓高AB=BC-AC。

6.提煉思想:“化整為零,各個擊破”。復雜圖形可以分解為幾個基本模型。

環節三:模型辨析與鞏固(約15分鐘)

設計一組對比練習,讓學生辨析細微差別,深化理解。

1.練習A:在山腳C測得山頂A仰角45°,前進100米至D,測得仰角60°,求山高。(“測高儀”高度忽略不計)

1.2.模型特征:兩個直角三角形有公共高(山高),但水平距離不同。需設元列方程組求解。

3.練習B:在樓頂A測得地面B處俯角為30°,在樓底C測得B處俯角為45°,樓高50米,求A、B兩點間的距離。

1.4.模型特征:觀察點分別在樓頂和樓底,目標相同。需要利用樓高這個條件建立兩個三角形之間的聯系。

環節四:誤差分析與科學精神(約5分鐘)

討論:在實際測量中,我們的計算結果會有誤差。誤差可能來源于哪些方面?

1.角度測量的不精確(儀器、讀數)。

2.距離測量的不精確(皮尺拉得不直等)。

3.模型理想化帶來的誤差(地面是否絕對水平?觀測點是否一個點?)。

引導學生認識數學模型的“理想化”特點,理解數學解是精確的,但應用于實際時是近似的,培養實事求是的科學態度。

【課堂小結與作業布置】(約2分鐘)

1.小結:仰角/俯角問題的核心是構造含該角的直角三角形,并注意觀測點的高度。

2.作業:設計一道利用仰角測量本校旗桿高度的方案(包括需要測量的數據、計算原理)。

第三課時:測量的藝術(二)——復合模型與生活情境(坡度、方位角)

【課時目標】

1.理解坡度(坡比)、坡角、方向角(方位角)的概念及表示方法。

2.能將涉及坡度、方向角的復合實際問題轉化為一個或多個直角三角形問題求解。

3.發展綜合分析和解決復雜問題的能力。

【教學過程】

環節一:從“坡”開始(約10分鐘)

1.生活觀察:展示盤山公路、屋頂、堤壩的剖面圖。

2.概念講授:

1.3.坡度(坡比)i:坡面的鉛直高度(h)與水平寬度(l)的比,即i=h:l。常寫作i=1:m或i=h/l。

2.4.坡角α:坡面與水平面的夾角。顯然,tanα=i=h/l。

3.5.強調:坡度越大,坡角越大,坡越陡。

6.即時理解:

1.7.提問:i=1:√3,坡角α是多少?(α=30°)。

2.8.提問:已知坡長(斜坡長度)s=10米,坡度i=1:2,求鉛直高度h?(需先由i和s,利用h2+l2=s2和h/l=1/2聯立求解)。

環節二:坡度模型應用(約15分鐘)

例題(工程應用):一段路基的橫斷面是梯形ABCD,AD∥BC,路基頂寬AB=8米,斜坡AD的坡度i1=1:1,斜坡BC的坡度i2=1:√3,路基高AE=4米。求路基底寬CD和坡角B。

1.模型分解:梯形通常通過作高分解為矩形和直角三角形。

2.教師引導:

1.3.作AE⊥BC,DF⊥BC。將梯形分為矩形AEFD和兩個直角三角形。

2.4.在Rt△ABE中,i1=AE/BE=1/1,AE=4,故BE=4。

3.5.在Rt△DFC中,i2=DF/FC=1/√3,DF=AE=4,故FC=4√3。

4.6.底寬CD=EF+BE+FC=AB+BE+FC=8+4+4√3=12+4√3。

5.7.坡角B:即∠B,tanB=i2=1/√3,故∠B=30°。

8.總結:遇到梯形、堤壩等非直角三角形圖形,通過添加高線,是構造直角三角形的通用方法。

環節三:認識“方向”(約10分鐘)

1.情境導入:出示地圖或航海圖,介紹方向表示法。

2.概念講授:

1.3.方向角(方位角):以正北或正南為基準,配以偏東或偏西的角度來描述方向。

2.4.常見表述:

1.3.5.“北偏東30°”:從正北方向向東旋轉30°。

2.4.6.“南偏西60°”:從正南方向向西旋轉60°。

5.7.圖形化:在黑板上畫出“十字”坐標(上北下南,左西右東),標出幾個典型方向角。強調方向角也是直角三角形中的一個銳角。

環節四:綜合建模挑戰(約20分鐘)

例題(航海/救援問題):一艘漁船在A處遇險,發出求救信號。位于A正南方向40海里的B處的救援船立即前往營救,測得遇險漁船在B的北偏東60°方向。同時,位于A正西方向80海里的C處的搜救直升機也收到信號。

(1)求救援船B到遇險漁船A的距離。

(2)若搜救直升機以200海里/小時的速度直線飛往A,請問它能否比以30海里/小時速度航行的救援船先到達?(√3≈1.732)

1.讀題與繪圖:這是本課難點。教師帶領學生逐步分析,分步繪圖。

1.2.第一步:確定參照點。以哪里為中心畫圖?可以分別以B點和C點為中心,但更清晰的是建立一個統一的平面坐標系。建議以A點為原點(遇險點)。

2.3.第二步:根據描述,確定B、C相對于A的位置。

1.3.4.B在A正南40海里→B點在A點下方,AB=40。

2.4.5.“漁船在B的北偏東60°”→這句話的主體是B,觀測點是B。意思是,從B看A,方向是北偏東60°。所以在以B為原點的方向坐標系中,A在B的北偏東60°。對應到以A為原點的圖,就是∠BAN=60°(AN為正北方向線)。

5.6.第三步:根據以上信息,能否確定一個直角三角形?可以,過B作BN⊥AN(北方向線)于N,則Rt△ABN中,∠ABN=30°,AB=40,可求AN和BN。

6.7.第四步:C在A正西80海里→C點在A點左側,AC=80。

8.問題(1)求解:題目問BA距離,但AB=40是已知條件?此處需要警惕審題陷阱!“正南方向40海里”是B相對于A的位置,但“測得…在B的北偏東60°方向”是B觀測A的信息。這兩個條件可能矛盾,也可能用于驗證或求其他量。重新審題:第一個條件給出了AB的距離和絕對方位(A在B的正北40海里)。第二個條件給出了相對方位(A在B的北偏東60°)。這兩個條件描述的是同一個相對位置,它們必須一致。畫出圖形后會發現,如果AB=40且A在B的正北,那么∠BAN=0°;但第二個條件說∠BAN=60°。這說明題目設定中,AB=40海里是直線距離,而“正南方向”是粗略描述。實際上,A在B的北偏東60°,距離40海里。

1.9.修正理解:B到A的距離是40海里,方向是北偏東60°。那么,在Rt△BNA中,∠NBA=30°,斜邊AB=40。要求的是什么?問題(1)就是求AB,已知為40?不,可能問題(1)是求A、C之間的距離?再次讀題:問題(1)明確“求救援船B到遇險漁船A的距離”,這已經直接給出是40海里。這顯得過于簡單。可能題目有誤,或者意圖是求水平距離的南北分量?更合理的改編是:已知A在B的北偏東60°方向,且A在B的正南方向40海里處(矛盾,需舍棄“正南”)。或者已知B在A的正南方向40海里,同時A在B的北偏東60°,求AB(此時圖形中,過B作水平線,A在B的北偏東60°,且A在B的正北方有40海里投影,這構成兩個直角三角形,可解)。

2.10.為教學順暢,我們重構一個合理的題目條件:漁船在A處遇險。位于A南偏西60°方向40海里的B處的救援船,測得遇險漁船在B的北偏東30°方向。同時,位于A正西方向80海里的C處有直升機。

3.11.在新條件下分析:

1.4.12.條件1:B在A的南偏西60°方向40海里。即以A為觀測點,B的方向。

2.5.13.條件2:A在B的北偏東30°方向。即以B為觀測點,A的方向。這兩個條件是一致的(互逆,角度和為90°是特例)。

3.6.14.繪圖:以A為原點,畫出B:南偏西60°,距離40。連接AB。過B作南北線,可發現∠NBA=30°(因為A在B的北偏東30°)。在△ABN中,已知AB=40,∠A=30°(因為B在A的南偏西60°,所以∠SAB=60°,∠NAB=30°),∠BNA=90°?需要驗證。由條件,∠SAB=60°(SA為正南),則∠NAB=30°。在B點,設正北為BN‘,正東為BE’,則∠N‘BA=30°(因為A在B的北偏東30°)。在A點的∠NAB與在B點的∠N’BA,它們的內錯角關系?這不構成直接直角三角形。因此,直接解三角形ABN(N為過B向AN作的垂足)需要更多信息。

7.15.鑒于課堂時間,采用一個更清晰的經典模型:

“一船位于A處,觀察到燈塔B在北偏東30°方向,船向正東航行40海里到達C處,此時觀察到燈塔B在北偏西60°方向。求船與燈塔的最近距離?”

8.16.這個模型更清晰地包含兩個直角三角形,且航行路線AC為水平線。講解此模型更能體現方向角的綜合應用。

17.(采用經典模型)講解:

1.18.繪圖:畫出水平基線AC=40。在A點,畫射線AB,使∠CAB=30°(因為北偏東30°,即與正東方向夾30°,與正北夾60°)。在C點,畫射線CB,使∠ACB=30°(因為北偏西60°,即與正西夾60°,所以與正東方向AC的延長線夾角為120°,其補角∠BCA‘=60°,但更簡單的是作垂線:過B作BD⊥AC于D,則目標為求BD)。

2.19.設BD=x。在Rt△ABD中,AD=x/tan30°=√3x。

3.20.在Rt△CBD中,CD=x/tan60°=x/√3。

4.21.由AD+CD=AC=40,得√3x+x/√3=40,解得x=10√3。

22.問題(2)比較時間:分別計算直升機從C到A的時間(80/200=0.4小時),和船從B到A的時間(需先求AB,AB=AD/cos30°=(√3*10√3)/(√3/2)=30/(√3/2)=20√3≈34.64海里,時間≈34.64/30≈1.155小時)。直升機先到。

【課堂小結與作業布置】(約5分鐘)

1.小結:坡度問題關鍵是抓住i=h/l=tanα;方向角問題關鍵是畫好“十字”方向坐標,確定直角三角形。

2.作業:綜合應用題(包含坡度和方向角);準備下一節課的項目方案。

第四課時:建模的挑戰——方案設計與跨學科項目實踐

【課時目標】

1.能綜合運用解直角三角形的知識,設計解決實際測量問題的可行方案。

2.通過小組項目合作,體驗完整的數學建模過程,提升協作與交流能力。

3.感受數學與物理、地理、工程等學科的關聯。

【教學過程】

環節一:項目發布與準備(約10分鐘)

1.項目主題:“校園不可達距離與高度的測量方案設計與實踐”。

2.可選任務(小組任選其一或自擬):

1.3.任務A:測量校園內旗桿或高大樹木的高度。(不可直接攀爬)

2.4.任務B:測量教學樓屋頂的坡度。

3.5

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