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数学建模是高校常见的一门课程,在新课改后,也渐渐引入中学的数学教学当中.数学建模课程的开设在我国有一定的历史,也逐渐形成了自己的一套教学研究模式.但是由于对有效的教学策略研究不够深入,缺乏科学的理论指导,所以高校的数学建模方法教学往往拘泥于理论,没有达到应用的效果,不利于提高大学生的应用能力.因此,在高校开展数学建模方法教学策略的研究,对高校数学建模的教学和学生能力的培养具有重要的指导意义,也是推动学科作用于社会发展的一个力量,应该成为高校教学的一个研究重点.
一、数学建模及其方法的概述
数学建模是数学学科的一个分支,具体指的是利用数学计算的方法对生活中的实际问题进行前提假设、过程分析、建立模型并计算得出结论的解决问题过程.数学建模是数学应用于实际生活的一个表现,是联系数学学科和生活实际的一个桥梁.数学建模的方法很多,分类方式也多种多样.常用的数学建模方法有:类比法、差分法、回归分析法等等,每一种方法都有对应解决的模型类型,在解决实际问题时,要根据问题的不同背景选择适合的解决方法.
二、数学建模方法在高校教学中的重要性
由于数学建模是一门联系数学与生活实际的学科,因此,对于高等教育而言,数学建模教学的重要性是不言而喻的.在初等教育中,我们接触的数学在生活中的应用并不明显,即使有相关的应用,也是一些浅显、简单的应用,不能凸显出数学对人类社会发展的重要性.新课改以后,中学的数学学习也引入了数学建模的相关学习,但是这部分的学习还是停留在较为简单的一些模型中,对数学建模的了解不够透彻.在高等教育阶段开展数学建模方法的学习是深化数学学科学习的重要手段,通过建模方法的学习,学生可以在感知数学作用于生活和社会发展的同时掌握数学的具体方法,这有利于学习其他的数学学科知识.
三、高校数学建模方法教学的现状
(一)教师缺乏应用经验,课堂过于理论化
开设数学建模课程在高校当中已经属于普遍的现象,尤其是在“高教社杯”全国大学生数学建模竞赛逐渐普遍化的情况下,许多高校都将数学建模列为必修课程.但是,在实际的高校数学建模方法教学中,学生应用数学来解决实际问题的能力并没有明显的提高,其中教师缺乏应用经验是一个很大的原因.数学建模方法教学是教学生用数学建模方法去解决实际问题,是应用性的教学,要求以学生作为课堂的主体,让学生能主动性地开展创造性、研究性的学习.有些高校负责教授数学建模方法的教师本身的应用知识和经验就有所欠缺,使得在教学的过程中课堂过于理论化,条条框框的步骤和方法让学生对学习失去了兴趣,难以将方法真正牢记于心并应用起来.
(二)忽略了教学策略的个性化选择
数学建模的方法很多,每一种方法都有不同的适用背景和对应的能解决的问题模型,因此,对于不同的数学建模方法,采用的教学策略也应该有所区别.简而言之,因材施教的材不仅仅局限于教学的对象,也应该考虑到教学的原材料.例如,在数学建模方法中,聚类分析对于集散类型的模型是比较有利的,排队论对于研究排队或者类排队问题就是一个有力的工具.有的教师在教学中没有意识到这一点,对于不同的数学建模方法,习惯性地采用基本方法步骤讲解加对应模型练习的方式,使得学生不能很好地掌握每一个方法的特点,对于方法和模型之间的联系性没有很好地摸透,达不到真正应用的目的,从而不利于数学思维的培养和良好解决问题习惯的养成.
四、高校数学建模方法的教学策略研究
(一)注重数学建模方法的多重联合
多重联合的教学策略就是要求对数学建模方法进行有机组成,使其能在解决问题中发挥最大的作用.要做到方法的联合,就要求学生对每一种数学建模方法的含义、特点、步骤、作用了如指掌,这样才能更好地完成方法之间的选择、搭配.因此,加强基本方法的学习是多重联合教学策略的基础.其次,教师在教学的过程中要掌握不同数学建模方法之间的联系性和统摄性,教会学生在具体的问题情境中懂得用不同的方法进行组合和联合,更好地来解决问题.数学建模方法的多重联合其实是对数学知识本身的一个高层次应用,因为只有对方法了如指掌,才能更好地进行联合运用.
(二)注重数学建模方法的阶级递进
数学建模方法教学是对数学的应用学习的一个工具,但是不同的学生的接受能力、基础知识水平、智力水平都是有差异的,因此数学建模方法教学要遵循阶级递进的原则,因材施教,由简到难.对于刚接触数学建模学习的学生来说,在建模方法的教学上要以学生对建模的意义、过程、步骤的掌握为主,后续再引进对方法的深刻领悟和意义分析,这样才能让学生真正掌握数学建模的方法,明白建模教学的意义.如果在教学的环节打破了学生认知能力梯队,就会造成学习效果下降,打击学生学习的自信心,甚至使得学生对学习失去兴趣,产生抵触情绪.
(三)注重数学建模方法的交叉设计
数学建模方法的教学还要注意与现实情境的交叉,数学建模方法本来就是用于解决生活中的实际问题的,因此,离开了生活实际的建模方法教学就会是纸上谈兵.在具体的教学过程中,教师要注重方法和情境的交叉融合,通过创设具体的问题情境让学生感受到方法的特点和适用情形.以2014年全国高教社杯大学生数学建模竞赛B题为例,这道题目是数学作用于生活的一个直接体现,与学生的生活实际也比较贴切.这个问题情境要求学生通过数学建模的方法对被碎纸机碎掉之后的纸片进行还原.这个问题情境放在当下,可以与人民币拼接复原的新闻相结合,让学生在学习灰度矩阵建模方法的时候更有兴趣和亲身体验.
(四)注重开展应用性教学
学习数学建模方法的最K目的就是能够使得学习的数学知识能够有所依、有所用,因此数学建模方法教学的最终归途应该放置于应用型教学当中.应用性教学的开展方式是丰富多样的,除了课堂上实际问题模型的演练之外,还可以通过全国大学生数学建模竞赛来作为学习、感受的平台.大多数高校都会要求学生在寒暑假开展相关的社会实践调研,这也可以作为开展应用性教学的平台.教师可以指导学生将调研的问题通过数学建模方法来进行分析和调研,形成结果,做到一举两得,让学生真切感受数学建模方法的应用.某高校的学生在暑期对两个校区之间的校车设置进行了调查,通过数学建模的方法得出了一个最佳的设置模型,一方面为学校的办学提供了参考,另一方面也完成了社会实践的任务.数学建模方法的教学如果无法做到与应用性教学相结合,那么就无法达到教学的根本目的,对于学生自身的成长和能力的培养来说也是不利的.
能有效地使用数学建模方法建立数学模型并处理生活中的现实问题是凸显数学应用于实际、服务于社会的重要途径,也是当代大学生顺应社会发展需求应当具有的能力.数学建模方法的学习是培养学生良好地分析、解决问题能力的重要课程,有助于让学生真正将数学与生活实际相联系,同时也能为其他数学学科的学习打下方法基础.因此,开展高校数学建模方法的教学策略研究无论是对学生的发展来说,还是对社会的发展来说都是具有十分重要的意义的.在未来,还需要在数学建模方法教学策略研究的基础上,进一步把握学科的特点,从学生的学情和课程建设的目标着手,对教学策略进行调整和完善,提高高校数学建模的教学成效.
【参考文献】
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[3]宋岩,王道波,黄远林.应用型高校大学生数学建模活动的探索与实践[J].中国市场,2015(10):180-181.
算法改进数学建模改进意见一、数学建模发展现状分析
1.数学建模概述
数学模型是反应客观世界的一个假设对象,通过系统分析客观事物的发生规律、变化规律,测算出客观事物的变化范围和发展方向,找出客观事物发生演变的内在规律。因为任何事物都可以通过数学建模进行研究,所以数学建模在人们生产和生活的各个领域应用非常广泛。通常情况下,在对事物进行数学建模之前,应提出一个建模假设,这个假设构想是建立数学模型的重要依据,研究人员应深入研究建模对象的分析、测算、控制、选择的各参数变量,将参数变量引入数学模型中,可以通过测算精准的计算出客观事物发展的规律性参数,翻译这些参数,可以让研究者知道客观事物发生变化的具体规律。
2.在教学中应用数学建模的重要性
随着计算机网络技术的发展和改革,数学建模技术的发展速度飞快,在教学中引入数学建模思想,不仅可以提升学生的解题思维能力,还能有效地增加学生的辩证思维能力。据相关数据统计,2012年我国各高校开展的数学建模研讨会多达135场,学生通过数学建模思想的学习,将数学建模思想和所学的专业知识有机的结合在一起,深化数学建模理论在实际应用中的能力。由此可见,数学建模理论不仅对教学具有重要发展意义,还能够提升我国各领域产业的发展效果。因为数学建模理论涉及到辩证思维和数学计算,所以要想让数学建模理论在实际应用中更好的实施,必须完善其数学建模理论,制定合理的数学建模步骤,改善数学建模算法,这种才能充分体现出数学建模理论的综合应用性能。
二、数学建模方法
通过对数学建模理论进行系统分析可知,常用的数学建模种类有很多,其应用性能也存在很大的差异性,具体分类情况如下。
1.初等教学法
初等教学法是最基础的数学建模方法,这种建模方法构建出的数学模型的等级结构很简单,一般为静态、线性、确定性的数学模型结构,这种数学模型的测算方法相对简单,其测量值的范围也很小,一般应用在学生成绩比较、材料质量对比等单一比较的模型中。
2.数据分析法
对数据信息庞大的数据进行测算时,经常会应用到数据分析法,这种数学模型建立在统计学的基础上,通过对数据进行测算分析和对比,可以精准地计算出数据的变化规律和变化特征,常用的测算方法有时序和回归分析法。
3.仿真模拟法
在数学建模中引用计算机网络技术,不仅可以提高数学模型的准确度和合理性,还能通过计算机模拟技术更直观、更客观地体现出数学模型的实验方法。统计估计法和等效抽样法是仿真模拟数学模型最常应用的测算方法,通过连续和离散系统的虚拟模型,制定出合理的试验步骤,并测算出试验结果。
4.层次分析法
层次分析法可以对整体事物进行层级分离,并逐一层级的对数学模型结构进行测算,这种分析方法可以体现数学模型的公平性、理论性和分级性,所以被广泛地应用在经济计划和企业管理、能源分配领域。
三、数学建模算法的改进意见
1.数学建模算法
目前常用的数学建模算法主要有6类,其具体算法如下:①模拟算法,通过计算机仿真模拟技术,将数据引入模型构架,并通过虚拟模型的测算结果来验证数学模型的准确性和合理性;②数据处理算法,数据是数学建模算法的重要测算依据,通过数据拟合、参数变量测算、参数插值计算等,可以增强数据的规律性和规范性,Matlab工具是进行数据处理的主要应用软件;③规划算法,规划不仅可以优化数学模型结构,还能增加数学建模结构的规范性,常用的规划方法有线性、整数、多元、二次规划,通过数学规划测算方法可以精准的描述出数学模型的结构变化特征;⑤图论算法,图论可以直观的反映出数学模型的结构构架,包括短路算法、网络工程算法、二分图算法;⑥分治算法,分治算法应用在层级分析数学模型中,通过数据分析对模型的动态变化进行系统的规划,对模型的原始状态进行还原处理,对模型各层级数据进行分治处理。
2.数学建模算法的改进意见
通过上文对数学模型算法进行系统分析可知,数学建模算法的计算准确度虽然很高,但其算法对工作人员的专业计算要求很高,同时由于不同类型的模型算法不同,在对数学模型进行测算时经常会出现“混合测算”现象,这种测算方法在一定程度上会大大降低数学模型测算结果的准确度,本文针对数学建模算法出现的问题,提出以下几点合理性改进意见:①建立“共通性”的测算方法,使不同类型的数学模型的测算方法大同小异;②深化数学建模的系统化、规范化、统一化,在数学建模之初,严格按照建模规范设计数学模型,这样不仅可以提高数学模型的规范性,还能提高数学模型的测算效率;③大力推进计算机网络工程技术在数学建模中的应用,因为计算机网络应用程度具有很好的测算性能,计算机软件工程人员可以针对固定数学模型,建立测算系统,通过计算机应用软件,就可以精准的计算出数学模型的测算值。
四、结论
通过上文对数学模型的算法改进和分类进行深入研究分析可知,数学建模理论虽然可以在一定程度上优化客观事物的模型系统,但是其测算理论依据和测算方法仍存在很多问题没有解决,要想实现数学模型的综合应用性能,提高测算效率,必须建立完善的数学建模算法理论,合理应用相关测算方法。
参考文献:
\[1\]韦程东,钟兴智,陈志强.改进数学建模教学方法促进大学生创新能力形成\[J\].教育与职业,2010,14(12):101-113.
\[2\]袁媛.独立学院数学建模类课程教学的探索与研究\[J\].中国现代药物应用,2013,15(04):101-142.
\[3\]王春.专家呼吁:将数学建模思想融入数学类主干课程\[R\].科技日报,2011,15(09):108-113.
【关键词】数学建模教学;教学方法;数学建模竞赛;教学效果
1研究生数学建模培训教学在我校深入开展
我校自2007年6月开始组织研究生参加数学建模竞赛,培养研究生200余人,教师们利用双修日、暑期授课,给参加培训的研究生讲解数学方法的应用,从实际问题出发的建模能力,模型求解与数学软件的编程等。研究生数学建模培训教学的深入开展,有力地推动了研究生数学基础课程的教学改革。
2研究生数学建模培训教学方法
为了改变以往课堂教学“填鸭式、注入式”的教学方法,研究生数学建模培训教学更多地采用自学指导法与研讨探索法进行教学。
2.1自学指导法
自学指导法是由教师根据教学目的和教学内容,研究生已掌握的知识和智能发展水平制定授课方案,课前向研究生讲明教学的目标,再根据研究生心理活动的逻辑规律,创造良好的教学环境,促使研究生的思维处于积极活动状态,使他们在积极的思维活动中自我阅读教学内容,掌握新知识,发展智能和创造力。自学指导法的基本步骤一般是:确定目的、自学、指导、练习。(1)确定目标。教师讲课前,向研究生讲明学习的目的和达到目的的方法与途径,并提出学习中要思考的问题,为实现学习目标做好心理准备,引起研究生积极的心理活动。(2)自学。研究生有目的地阅读教学材料,初步掌握新课的基本内容,并记录阅读中出现的疑难问题,在这一教学环节中,教师应启发研究生提出问题。(3)指导。教师启发、引导研究生利用已掌握的知识和积累的经验,主动地研讨、学习新的知识,找出规律,发展智能和创造力。在这一教学环节中,教师要注意在方法上指导研究生学习,及时解答研究生学习中遇到的各种疑难问题。(4)练习。布置作业由研究生独立完成,教师及时检查研究生作业情况,了解作业中出现的问题,研究生完成练习后,教师及时组织讲评。
2.2研讨探索法
研讨探索法就是开始上课时,教师提出某一课题,让研究生3个人一组去分析研究该课题,研究生可以查阅文献资料,从而获得对问题的感性认识,初步了解该问题的内部机理;然后组织研究生课堂讨论,让研究生讲出自己在分析研究过程中的发现和形成的观点,互相交流,互相启发,互相质疑,进行必要的争论,促使研究生尽快由感性认识上升到理性认识,形成一定层次水平的科学概念,建立数学模型,解决实际问题。研讨探索法的基本步骤:(1)提出课题。教师提出一个开放性题目,由3个研究生一组共同去分析题意,了解问题背景。(2)分析研究。每一个研究生小组围绕教师给出的课题,查阅文献资料,分析实际问题中的数量关系,如应用处理连续量、离散量、随机量的数学方法,建立数学模型,通过计算机求解,回答有关问题,写出论文初稿。(3)课堂讨论。将研究生小组集中起来,组织研究生在课堂上开展讨论,研究生可以自愿上讲台讲授自己的观点、模型、解决问题的思路等。每个研究生小组都有一个代表首先上讲台讲授自己小组的论文,回答课题中的有关问题,然后研究生自由发言,不同的解法、思路要充分表达出来。教师参加讨论,主要是对需要拓展的知识进行补充讲解。(4)总结。教师对讨论的问题进行讲评,研究生根据讨论情况及自身对问题的分析和理解写出科技论文,解决所提出的问题。在近几年来研究生数学建模培训教学工作中,我们采用了自学指导法和研讨探索法教学。研究生通过学习掌握了新知识,智能和创造力得到发展,也培养了他们的自学能力。
3研究生数学建模培训教学安排
我校研究生数学建模培训每年11月份启动,次年5月组织研究生参加江西省研究生数学建模竞赛,9月组织研究生参加全国研究生数学建模竞赛。首先由研究生院组织各学院有关专业的研究生自愿报名参加数学建模培训班;其次信息工程学院数学建模教练组根据研究生报名情况组建数学建模培训班,必要时组织报名研究生进行选拔考试,选拔优秀的研究生参加数学建模培训班;再次由数学建模教练组根据有关数学建模竞赛要求,制订研究生数学建模培训班教学方案,确定培训内容,选择讲课教师,开展培训教学;最后组织研究生参加江西省研究生数学建模竞赛及全国研究生数学建模竞赛,根据参加竞赛、获奖情况,及时总结培训教学与竞赛效果,对教学内容、教学方法、教学手段进行改进,为下一轮的培训教学与组织参赛打下坚实的基础。
柯玉明
数学建模是指根据具体问题,在一定假设条件下找出解决这个问题的数学框架,求出模型的解,并对它进行验证的全过程。传统的数学教学总给人一种印象,似乎数学研究的内容仅仅是从公理、公式、定义出发的逻辑推理。实际上,在实践中有用的数学技术和其他科学技术一样,都是从观察开始的,都需要形象思维作为先导。数学建模回复了数学研究收集数据,建立模型,求取答案,解释验证的本来面目。数学建模思想的教学渗透不仅仅是大学生、研究生的教育问题,在中学里逐步进行有关数学建模思想的渗透更是顺应了当前素质教育和新课程标准教学改革的需要。
在现行的义务教育课程标准实验教科书(华师大版)数学初中一年级(七年级)(上)教材中,时常能遇到一些创设有关知识情境的问题,这些问题大多数可以结合数学思想、数学方法进行教学。在这个教学过程中进行数学建模思想的渗透,不仅可以使学生体会到数学并非只是一门抽象的学科,而且可以使学生感觉到利用数学建模的思想结合数学方法解决实际问题的妙处,进而对数学产生更大的兴趣。
这里就“有理数的加法法则”的教学来谈一谈如何在教学中渗透数学建模思想。“有理数的加法”这一节的第一部分就是学习有理数的加法法则,课文是按提出问题……进行实验……探索、概括的步骤来得出法则的。在实际教学中教师可以先给学生提出问题“一位同学在一条东西向的跑道上,先走了20米,又走了30米,能否确定他现在位于原来位置的哪个方向,与原来位置相距多少?”,然后让学生回答出这个问题的答案。(结果在实际教学中我发现学生所回答的答案中包括了全部可能的答案,这时我趁势提问回答出答案的同学是如何想出来的,并把他们的回答一一写在黑板上,用1、2、3、……来区分出不同的分类情况。)在学生回答完之后,就可以顺势介绍数学建模的数学思想和分类讨论的数学方法,并结合这个问题介绍数学建模的一般步骤:首先,由问题的意思可以知道求两次运动的总结果,是用加法来解答;然后对这个问题进行适当的假设:①先向东走,再向东走;②先向东走,再向西走;③先向西走,再向东走;④先向西走,再向西走;接下来根据四种假设的条件规定向东为正,向西为负,建立数学模型——数轴,画出图形并把各种条件下的运动结果在数轴上表示出来,列出算式根据实际意思写出这个问题的结果,分别得到四个等式,最后引导学生观察上述四个算式,归纳出有理数的加法法则。这样一来,不仅可以使学生学习有理数的加法法则,理解有理数的加法法则,而且在这个过程中也使学生学习到了分类讨论的数学方法,并且对数学建模有了一个初步的印象,为今后进一步学习体会数学建模打下了良好的基础。
又如“有理数的乘法法则”的教学引入问题“一只小虫沿一条东西向的跑道,以每分钟3米的速度爬行2分钟,那么它现在位于原来位置的哪个方向?相距多少米?”分析题意后,做一规定:向东为正,向西为负,引导学生发现可以建立数轴这个数学模型,然后分别按小虫的两种运动方向画出图形,列出式子,解出这个模型的解。比较所得的等式,就可以得到“把一个因数换成它的相反数,所得的积是原来的积的相反数”,进一步分析,就可以概括出“有理数的乘法法则”了。
从以上两个例子不难看出,只要充分挖掘教材有关内容的内涵和外延,就可以在教学的过程中渗透数学思想的教学。而所谓数学建模,就是先弄清实际问题的含义,从复杂的背景中找出问题的关键所在,根据问题的特点选择适当的数学模型,把实际问题转化为清晰的数学问题。
在实验教科书七年级下册的教材中,渗透数学建模思想就显得更加突出了。教材中的第六章“一元一次方程”和第七章“二元一次方程组”有许多与实际生活密切相关的问题,而要解决这些问题,除了首先必须掌握好解一元一次方程和二元一次方程组的知识外,也要学习怎样建立方程这种数学模型来解决实际问题,这既是第六章“一元一次方程”和第七章“二元一次方程组”的学习重点也是学习难点。
这两章知识内容的展开是从学生现有的认知准备,由实际情境出发,引入并展开有关知识通过学习使学生了解方程是反映现实世界数量关系的有效数学模型。在教学目标中就有强调在教学中要注重渗透数学建模的思想,使学生体会实际问题中常会遇到有关一个或多个未知量间互相依赖影响的问题,而一元一次方程和二元一次方程组恰好就是反映现实世界多个量之间相等关系的一种有效的数学模型。
数学知识和计算方法的应用正在向其他领域渗透,许多科学家都认为,数学是一切科学技术发展的基础,没有数学就没有科学技术的进步,其中数学建模方法就是一种比较有效的研究方法,现在已经有不少高中学校将数学建模应用到教学中,但是,在物理教学中的应用还比较少见.其实,建模方法可以在物理教学中发挥重要的作用,它能满足多方面的需要,对学生的成长非常有帮助.
1 建模思想在高中物理教学中的必要性
传统的高中物理教学方式比较重视一些理论体系和抽象问题的解答,不注意理论与实践的结合,学生虽然能够解答物理问题,但是在生活中遇到难题却不知道如何应对.高中物理教师会把自己的理解灌输到学生的脑海中,学生没有自己想象的机会,只能是被动的去接受,丧失了主动学习的能力,这对当今倡导素质教育的理念来说是一种阻碍.
建模教学是高中物理教学的需要,高中物理已经具有比较深的理论层次,物理的严谨性和抽象性在其中有比较多的体现,目的就是培养学生的逻辑思维能力,但是,其中涉及实践的内容比较少,学生学到了理论知识,但不会运用,这是高中物理存在的一大问题.而使用数学建模的方法,就能极好的解决这个问题,它用数学的语言和方法,将原本抽象、难懂的理论变为实实在在的数学公式、数学模型,学生看到这些比较直观的东西,就能更加快速的理解新知识.
数学建模教学是目前教育形势的需要,因为,物理与人们的生活息息相关,所以,在生活中的许多方面都能发现物理知识的存在,使用建立数学模型的教育方式,能够帮助学生掌握独立查阅文献资料获取知识的能力,对知识的利用率也会得到提升.因此,在高中物理教学过程中充分地使用数学建模,就能极大地帮助学生锻炼自己的逻辑思维、发散性思维、想象力.不仅能够拓宽学生的眼界,而且还能提高学生的学习技能,学生分析问题和解决问题的能力也得到显著提高.而且,数学建模过程需要非常多的信息,学生需要参与进来,集思广益,每个人都要发挥自己的作用,不能只享受他人的成果,所以,数学建模还能够提高团队的分工合作能力.作为学生,要加强自己的交流能力、合作能力、乐于奉献的精神,既要不断的提高自己的知识储备,还要学会资源共享、帮助他人解决问题,学生在走向社会时就能快速的适应社会的节奏.此外,数学建模教学还能把物理知识和生活中的实际问题紧密的结合起来,实现物理知识学习和应用能力共同提高的双重效果,学生的学习方法也会得到增加,他们的学习热情变得高涨,并且对学生科学思维的培养、创新能力的提高大有帮助,就能有效的契合素质教育的方针,把高中学生培养成社会需要的综合人才.
2 建模思想在高中物理教学中的应用
2.1 分层次、分阶段引入建模方法
目前,许多高中学校已经能够熟练、有效的使用数学建模方法,在物理教学中的使用范围越来越广,它的效果也逐渐显现出来.在使用建模方法时,教师会先考虑学生的实际情况,不会直接就使用建模方法,要了解学生掌握的基础知识是不是足够牢固、相关的数学方法是不是能够熟练应用,这样就使得学生参与建模的积极性和效率得到提高,如果学生还没有学到相关的数学知识,教师就不能使用这些知识,否则学生会非常的茫然,对他们的学习是非常不利的.通过建模,学生能够体会到物理教学的魅力,进而对物理课产生极大的兴趣,学生在熟练掌握之后,要增加建模的使用频率和难度,由浅入深,让学生的建模思想和能力得到大幅提升.
2.2 循序渐进的增加建模质量,进而提升整体教学质量
物理的基础知识教育作为“面”,建模教育当作“点”,通过建模教育能够将“点”的作用发挥到最大,然后带动基础知识教育的全面提高,急于求成的做法是非常不可取的,只有合适的方法才能取得好的效果.建模教育是一种新型的教育模式,它能锻炼学生的实践应用能力、动手能力、发现问题和解决问题的能力.现如今,学生的思维却非常活跃,但是,他们的创新能力却得到制约,主要原因就是传统教育不注重学生创新能力的培养,而建模教育能够将学生的创新思维释放出来,通过建模的“点”的作用,把学生的整体素质提高,学生在遇到问题时,就能自己去解决,消除了等靠的思想.
2.3 在物理课堂中引入建模的步骤
建模,就是依托数学理念、方法来解决问题的途径,在高中物理教学中,主要从以下几个步骤来进行:(1)发现物理问题,或者通过一个案例来引入建模方法;(2)使用数学知识和方法来分析这个问题,为建模打下基础,也就是把物理问题转换成数学问题来解决;(3)建立数学模型,一步一步的解决问题,得出最后的结果;(4)把结果与现实进行比对,对结果进行验证,通过这个步骤来帮助学生了解建模与问题之间的关系,总结结论,为以后解决问题做好准备.
在建模的过程中,学生的主要职责是观察问题,对问题作出假设,然后把这个问题转化成数学模型,再利用数学知识进行解答,在得出结果之后,学生不要忘了对问题进行反思,发现建模与问题之间的关系,如果两者存在密切的关系,就要找出其中的规律,进而完成建模过程;如果建模与问题之间并没有关系,建模的结果并不是正确的结果,那么学生应当对过程进行检查,如果自己找不出原因,要请教老师帮助解决.这样的建模学习过程,是符合学生认知过程的规律的,能够有效地激发学生学习物理知识的积极性,学生的思维和能力得到完全释放.
3 建模过程应当注意的问题
【关键词】小学数学 “数学建模” 教学模式
【中图分类号】G623.5 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2016)09-0121-01
前言:在我国传统的小学数学教学中,数学教师往往较为重视对学生解题能力的培养,这种培养虽然提高了学生的数学分数,但对于学生本身的数学思维能力的提高稍显不足,而如果能够在小学数学教学中较好的应用“数学建模”教学模式,就能够有效提高小学数学的教学效果,切实提高学生的数学素养,对于小学生的未来数学学习有着不俗的推动作用。
一、小学“数学建模”教学模式的内涵
所谓的“数学建模”教学模式,指的是学生在数学教师预设的数学相关教学情境中,通过一定活动建立、解释以及应用数学模型,以此完成具体数学知识学习的过程。在小学“数学建模”的教学模式中,引导学生在这种教学模式下理解新知识、发展新能力以及形成新思想成为了主要目的,所以数学教师需要在应用数学建模这一模式时,创建出“问题-模型-应用-问题”这一循环往复的教学过程,并以此切实提高学生的自主学习意识与问题探究能力。
二、小学“数学建模”的教学模式
数学建模一般由现实问题、假设简化、建立模型、模型求解以及结果检验几个步骤构成。对认知发展水平处于具体运算阶段的小学生而言,建模教学的开展除了遵循以上几个步骤,还在操作形式上需要具备适当的灵活性。
(一)创建数学模型情境
在小学“数学建模”教学模式提出现实问题这一环节中,教师需要根据实际数学教学内容,设计出用于数学建模的数学问题,这一问题需要同时保证贴近学生生活且符合教学内容,在确定问题后,教师就需要结合问题创建数学模型情境。
(二)探索数学模型问题
在小学“数学建模”教学模式假设简化这一环节中,突出了学生的主体地位,只有学生将教师创建出的数学模型情境转化为实际数学问题,才能保证小学“数学建模”教学模式的顺利进行。值得注意的是,如果上一步中教师创建的数学模型情境不能得到学生的正确解读,就无法充分展现这一模式的优势,因此教师需要在此过程中对学生进行不着痕迹的引导。
(三)揭示数学模型本质
学生从数学模型情境中解读出数学问题后,就可以在建立模型这一步骤中通过模型的建立,对刚刚解读出的问题进行解决,这种模型的建立本质上属于一种思维方法,关系着学生在这一教学模式中自身数学思维能力的提升。
(四)理解数学模型含义
在完成上一步骤中的解题模型建立后,学生就可以进行具体的模型求解,以此实现学生真正理解数学模型含义,切实提高自身数学思维能力。这里指的理解数学模型含义,也就是指学生需要切实理解本节课中所涉及的数学知识,切实提高学生的数学知识掌握。
(五)体验数学模型价值
在完成上述一系列步骤后,我们需要对小学“数学建模”教学模式应用后的结果进行检验,在这一过程中,每一次对数学模型的应用都是对这一教学模式的检验,为此教师可以灵活的运用小学“数学建模”教学模式,不必拘泥于流程,这样就能够较好的进行体验数学模型价值检验,切实提高学生的数学思维能力。
三、小学“数学建模”教学模式的应用实例
在小学“数学建模”教学模式中,结合教学实际进行数学建模是这一教学模式最重要的内容,数学中的“相遇问题”就是应用该模式的典型案例:在提出现实问题环节中,教师可以提出“甲、乙两车同时从A、B两地出发相向而行,两车在距离A地80千米处相遇并继续行驶,并在到达A、B两地后返程,最终在距离甲地60千米处再次相遇,求甲乙两地间路程”这一问题,并在假设简化环节中引导学生将这一问题转变为数学模型。在建立模型这一环节中,学生需要设第一次相遇地点距离A地位S1,第二次相遇地点距离A地位S2,这样学生就可以得出AB两地距离为150千米的答案,学生在理解数学模型含义环节中能够总结出■=■=■?圯x=3S1-S2这一解题公式。最后教师可以在结果检验环节中通过提出同类型问题的方式,确定学生的这一知识掌握情况。
结论:在我国当下的小学数学教学中,“数学建模”这一教学模式可以很好地实现教学目标,并有效的提高数学教学效果,在培养学生的数学思维能力方面,也有一定的促进作用。如果该模式能够在小学数学部分教学内容中得到拓展和应用,将有利于小学数学教师教学水平的提高。
参考文献:
数学建模教学与传统的数学教学活动有着很大的不同,它重视数学理论与实践的结合,把培养学生的创新能力作为首要的教学目标,以此来让学生更好地运用数学知识解决现实生活中的实际问题。数学建模使用数学理论和数学工具,通过演绎、推断、分析、解释等步骤对数学问题以及现实世界的信息进行归纳整理。学生要在数学建模的过程中不断培养自己的数学建模意识和数学建模的水平,只有这样才能建立一个优秀的数学模型。高校的数学教育除了要教给学生基本的数学知识外,还要用实践活动培养学生的创造性思维、创新能力,让学生在实践中掌握数学知识,以及数学的精神实质和精髓,要让学生利用数学建模的知识来解决现实中的问题。近年来,众多高校开展了数学建模教学活动,并举办了大学生数学建模竞赛活动,这些教学活动和竞赛活动极大地推动了高校数学建模教学的开展,高校在这一过程中,充分培养了学生的数学建模意识以及创新能力[2]。
二、数学建模教学对于学生创新能力培养的重要意义
高校的数学建模教学在很多大学正如火如荼地展开,数学建模教学的内容较为新颖、有趣,因此吸引了较多的学生参与数学建模的学习[3]。数学建模教学以及大学生数学建模竞赛可以有效地提高学生的创新能力和综合素质。高校通过数学建模教学可以对学生的创新能力进行全方位的培养。
(一)有利于学生想象力的培养
高校进行数学建模教学,主要是让学生使用数学理论和数学工具来建立模型,进而解决实际问题。学生要使用数学语言来描述相关的问题,这其中主要包括两部分的内容,即模型的假设和模型的架构。学生在建立数学模型之前,需要学量的数学理论知识,然后才能进行数学的建模。在数学建模的教学活动中,最为常用的一个方法就是理想化的方法。理想化方法需要学生具有一定的想象力,因此教师的数学建模教学可以使学生在此期间不断进行思维的延伸,培养学生的想象力。想象力就是人们在原有的事物形象的基础之上,添加一些新的形象,然后将这两种形象进行一定的加工处理,从而创造出了一种新的事物的形象,这就是想象力。数学建模教学也是如此,教师在进行数学建模教学时,首先让学生学习相关的数学基础理论知识,然后让学生通过一定的数学工具构建数学模型,而构成这种数学模型最关键的一个因素就是学生的想象力,想象力是创新能力的基础组成部分,因而通过数学建模教学可以很好地培养学生的创新能力。
(二)有利于学生发散思维能力的培养
数学模型的成功建立需要学生充分发挥自己的想象力,在想象力的基础之上才能培养学生的发散思维能力。发散思维是一种非常重要的创造性思维,是由某一具体条件或事实出发,从各个不同角度、不同侧面理解问题、思考问题,并探索解决方法,从而产生出各种结果,即它的思考方向是由各个方向发散的。数学建模本质上就是对现实问题的数学描述的过程。在这个过程中,从不同角度出发,考虑不同的条件,就可以得到同一问题的多种解决方法,甚至能得到同一问题在不同条件下截然不同的结果。运用数学建模教学培养学生的发散思维能力,需要教师在教学过程中适时启发和引导学生针对实际问题提出合理的假设,忽略掉一些次要因素,寻找主要因素之间的量化关系,运用所学的相关专业理论知识、科学规律、生活经验和数学知识,建立数学模型。鼓励学生考虑不同因素,运用不同方法解决问题,培养学生解决实际问题的意识和发散思维能力。
三、数学建模教学是培养学生创新能力的途径
(一)优化知识结构
基本的数学理论知识,是高校进行数学建模教学、培养学生创新能力的根基,学生只有掌握了数学的基本理论知识,才能在数学建模的学习中,很快地掌握建模要领。因此在数学建模的教学实践中,学生首先要学好数学基本理论知识,形成完整的数学知识理论体系,并掌握好数学建模的要领[4]。以往的学生在学习的过程中,只需要掌握与考试内容相关的数学理论知识,而这些数学理论知识对于数学建模的学习而言,知识量是远远不够的。学生的数学基础知识越多,就越可以在数学建模的过程中充分发挥自己的想象力,根据数学建模的相关要求,找出更多的新思想、新方法,以此来更好地完成数学建模的学习。因此,高校需要在数学建模的教学过程中,注重引导学生掌握更多的数学基础理论知识,不断地优化自己的知识结构,从而在建模的过程中培养自己的创新能力。
(二)重视知识认知
在数学建模的教学过程中,教师还要注重学生的知识认知情况。学生的数学基础理论是其掌握数学建模要领的知识基础,因此学生要在数学建模学习之前掌握较多的数学理论基础知识。在学习基础的数学理论知识时,教师要通过一定的手段,来检验学生的学习情况,了解学生的数学知识认知情况,只有这样才能使学生在学习数学建模时,能够很快地建立数学模型,充分考虑各项注意事宜。教师在数学教学的过程中,在教授了相关知识后,要留给学生一些思考的时间,让学生在思考过程中形成自己的数学知识理论体系,从而激发学生的创新能力,让学生在创新能力的引导下,更好地进行数学建模的学习。因此,教师要重视学生对于数学基础知识的认知情况,这是学生学习数学建模的关键。
(三)设计教学情境
学生在刚开始学习数学建模的相关内容时,会有一些困难,因为数学建模具有一定的抽象性,需要将形象思维转化为抽象思维,这样才可以突破具体实际问题的限制,抽象是适用于同类问题的一般化模型。因此教师要在数学建模的教学活动中,设计相关的教学情境,让学生在教学情境中,能够充分发挥自己的主观能动性,充分发挥自己的逻辑思维能力,从而更好地掌握数学建模的相关知识。学生通过数学建模教学情境的学习,可以更好地理解数学建模的知识,以及数学建模的操作步骤,从而培养了学生的创新能力。
四、对于数学建模教学培养学生创新能力的思考
数学建模教学培养了学生全面思考问题的能力,学生可以根据自己所学的数学知识,来解决现实生活中遇到的问题。数学建模要求学生从课本中解放出来,能够真正地做到学以致用,达到其他学科和其它数学课程所达不到的高度。在现代高校的数学教学中,需要教师通过数学建模的教学,来培养学生用数学知识解决实际问题的能力,培养学生的数学建模意识以及建模的能力,培养学生的创新能力,使学生能够将所学的数学知识,潜移默化地使用到日常生活问题的解决上面。很多高校毕业生认为自己所学的专业知识无法有效地运用到工作中,自己到工作岗位之后,需要重新学习相关的知识。对于接受了数学建模教学的学生,以及参加过大学生数学建模竞赛的学生而言,他们可以将自己所学的知识有效地运用到工作领域中,这是因为他们在参加数学建模活动时,教师已经在有意地培养他们的数学建模意识、数学建模能力,以及创新能力,学生在学习的过程中,已经有意识地将数学知识运用到实际问题的解决方面,所以他们能够充分发挥自己的创新能力,将数学建模应用到社会实践中去。
关键词 数学建模 职业学校素质教育
随着改革开放的不断深入,市场经济已有较大的发展空间,国家需要培养一大批能适应社会,服务社会的应用型人才;他们能提出问题、分析问题、并能解决问题。这些问题包括社会问题、生产经营问题和日常生活问题等,这就给数学教学提供了一个有利的平台。目前,职业学校又面临一个这样的学习弱势群体一数学功底差,他们认为在职业学校只学一技之长,学数学是无用的。试想有这样想法的职业学校学生对数学的学习又怎能谈得上积极与主动呢?多数学生对数学学习不感兴趣,面对所学专业实际问题往往不知从何着手,不知把错综复杂的实际问题简化、抽象为合理的数学结构,并运用自己掌握的数学知识去分析求解,从而解决实际问题。所以在职业学校数学教学过程中应该培养学生的数学建模能力。
1 数学建模的定义、方法、过程步骤
1.1什么是数学建模?当人们面临对一个实际问题时,不是直接就现实材料本身寻找解决问题的办法,而是经过一番必要而且合理的假设和简化,恰当地运用数学语言、方法去近似地刻划实际问题得到一个数学结构(数学模型),通过数学上的结构揭示其实际问题中的含义,合理地返回到实际中去,这个过程就称为数学建模。
数学建模就是建立数学模型。数学建模是一种数学的思考方法,是运用数学的语言和方法,通过抽象、简化能近似解决实际问题的一种强有力的数学手段。
1.2数学建模的方法
数学建模的方法很多,但从理论上讲,主要有以下两种方法:(1)机理建模方法(2)系统辩识建模方法。直接利用观察数据,根据一定的优良准则在模型中找出与数据拟合的最好模拟,这种方法在建立过程控制模型中是常用的。
1.3数学建模的过程步骤
1.3.1分析问题:了解问题的实际背景,掌握第一手资料。
1.3.2假设化简:根据问题的特征和目的,对问题进行化简,并用精确的数学语言来描述。
1.3.3建立模型:在假设的基础上利用适当的数学工具、数学知识、来刻划变量之间的数量关系,建立其相应的数学结构。
1.3.4求解并检验模型:对模型的求解,并将求解结果与实际情况比较,以此来验证模型的准确性。
1.3.5模型分析:如果模型与实际比较吻合,则要对计算的结果给出其实际含义,并进行解释。
事实上,从方法论角度看,数学建模是一种数学思考方法,是解决实际问题的一种强有力的数学工具。从具体教学角度看,数学建模是一种数学活动。
2 职业学校素质教育的含义
实施素质教育就是以提高国民素质为根本宗旨,以培养学生的创新精神和实践能力为重点,造就有理想、有道德、有文化、有纪律的德、智、体全面发展的人才。2000年发表的《中国教育绿皮书》将素质教育归为五个方面:面向全体学生;促进学生全面发展;重视学生创新精神与实践能力;发展学生主动精神,注重个性发展;着眼于学生终身可持续发展。因此,职业学校素质教育是一种教育理念实践,其核心是发扬学生的主动精神和注重学生的个性发展,培养学生的创新精神和实践能力。
3 数学建模在职业学校素质教育中所起的作用
随着数学教育界中“数学应用意识”教育的不断深入,提高数学应用性的教育迫在眉睫。数学应用性包括两个层次:一是数学的精神、思想和方法;二是数学建模。通过数学建模,使学生可以从熟悉的环境中引入数学问题,增加与生活、生产的联系,培养学生的数学应用意识,巩固学生的数学方法,培养学生的创新意识以及分析和解决实际问题的能力,这正是素质教育和数学教育相结合的目的。
根据数学建模的特点,在数学教学中渗透建模思想,开展建模活动,对职业学校的素质教育具有重要的意义。
3.1数学建模能够促进理论与实践相结合,有利于培养学生应用数学的意识和解决问题的能力
数学建模的过程,是实践一理论一实践的过程,是理论与实践的有机结合。强化数学建模的教学,不仅能使学生更好地掌握数学基础知识,学会数学的思想、方法、语言,也是为了学生树立正确的数学观,增强应用数学的意识,全面认识数学与科学、技术、社会的关系,提高分析问题和解决问题的能力。
3.2数学建模有利于培养学生的创新精神和创造能力
数学建模问题具有一定的开放性,没有一定的规矩可循,没有事先设定的标准答案或答案不是惟一的,具有较大的灵活性。因此需要突破传统的思维模式,面对复杂问题发挥学生的创新精神和创造力、想象力、洞察力以及解决问题的逻辑推理和量化分析能力,善于从实际问题提供的原形中抓住其数学本质,建立新颖的数学模型。
3.3数学建模有利于培养学生的双向翻译能力
数学建模它要求学生运用学过的数学知识,把实际问题翻译成数学模型,又将数学模型的结果用浅显易懂的语言翻译出来,以此来培养学生的双向翻译能力。
3.4数学建模有利于培养学生获取文献资料信息的能力
在信息社会中,大量信息和知识以前所未有的速度传播和扩散,这就要求学生有良好的获取文献资料信息的能力,以便适应现代社会技术创新和知识更新的需要。数学建模问题有强烈的实际背景,涉及到不同的学科领域,问题错综复杂。这就促使学生围绕实际问题广泛查阅资料,获取自己有用的材料,从而提高了学生自觉使用资料的能力。
3.5数学建模有利于培养学生利用计算机及相应软件的能力
数学建模需要对复杂的实际问题和烦琐的数据进行处理。目前计算机和相应的各种软件包,不仅能够节省时间,得到直观形象的结果,有利于深入讨论,而且能够促使学生养成自觉应用最新科技成果的良好习惯。许多良好的计算机软件为求解模型或仿真模型提供了便利的平台。数学建模对培养学生使用计算机的能力是极其重要的。
3.6数学建模有利于锻炼学生的毅力、意志,还有利于培养学生的合作能力
数学建模活动能增强学生克服困难的信心、决心和勇气,同时还能培养学生的团结合作精神和交流、表达的能力;提高组织协调能力,培养其人文素质,丰富学生的知识结构。
关键词:数学建模;高中数学;解题策略
引言
我国中学的数学教育历来只重视学生对书面知识的掌握,而忽视了学生运用数学知识解决实际问题能力的培养。数学的教育并未培养出学生独立解决问题以及创造性思考的能力,为了适应时代的发展,建立能够培养学生自主能力的教学模式。在此背景下,数学建模在中学阶段数学教学中的应用将成为未来的一种趋势。
一、数学建模的定义和方法
1.1数学建模在中学中的定义
通过使用数学语言把现实问题进行精简加工得到的数学结构,就是现实问题的数学模型,相关的概念、公式、方程、数量关系等都是它的表现形式。而数学建模就是把现实问题抽象加工成数学模型,并对模型进行求解,验证模型是否合理的过程。中学阶段的数学建模,就是运用中学生所学的数学知识,把现实中遇到的问题简化抽象成数学模型,对模型进行求解并解释实际问题的过程。
1.2数学建模的方法
中学阶段有关数学建模的研究更加侧重于将建模作为一种解题的方法,而不是研究建模的完整过程,要求学生运用建模的思想及相关理论来求解数学问题目。具体操作要简单的多,可以把运用数学建模思想来解题的方法,简单的分为以下几个步骤:(1)通过分析已知条件,归纳出实际问题中隐含的数学关系,确定模型的类型,建立起数学模型;(2)使用学到的数学知识,对模型进行求解;(3)把求到的解代入到问题中来进行检验。
二、模型列举、分析及解题策略
2.1高中阶段数学模型的列举与分析
当前高中教育阶段,在数学知识体系中所涉及的数学模型按照类型及与问题的相关性来分,可以分为:(1)与数量有关的模型,包括:函数、方程、不等式、数列、概率等模型;(2)与形状有关的模型,包括:平面几何、立体几何模型;(3)与位置有关的模型,包括:解析几何、极坐标等模型;(4)与最值有关的模型:线性规划模型。对以上部分模型的分析如下:
(1)函数模型:
函数模型是对实际问题通过运用数学知识进行归纳加工建立相关量之间的函数关系,发现其中的变化规律,进而建立起函数模型。在中学的数学中函数模型有多种,而实际问题中包含的函数知识也十分普遍,如:一次函数,在现实中解决成比例关系的问题;二次函数,可以应用在利润、成本、产量等问题的解决;幂函数,可以应用在求最值方面;指数函数,则可以解决增长率、利率等方面:对数函数,可以应用在产品的产量、人口增长等方面;分段函数,可以应用与税费的分段缴纳、出租车票价等方面。
(2)方程与不等式模型
现实的问题中含有许多等量或不等量的关系,方程和不等式模型就是用未知数对这些等量与不等量关系的表示。高中阶段的方程主要被用来求解函数或不等量关系式,涉及的不等式模型主要有:高次不等式,可以解Q增长率、商品销售以及黄金分割等现实问题;分式不等式,多用于工程或行程问题;均值不等式,多用于求最值以及证明其它不等式等问题。
(3)概率模型
概率模型是对随机现象发生规律描述的一种数学模型,用于对事件可能性的预测。在现实生活中概率模型的应用随处可见,如对天气、中奖概率、次品出现概率的预测等,概率模型又分为随机事件概率和对立试验模型。
2.2运用数学建模解题的策略
通过对高中阶段常见数学模型的分析,我们可以得到一些建立模型的方法和求解模型的技巧。
(1)建立模型的方法:通过分析变量的变化规律来确定模型的关系分析法;利用获得的数据或信息,画出变量的有关图形,确定模型的图像分析法;通过对特殊结果的观察发现规律的数学归纳法,还有示意图分析法和数量关系式等
(2)模型求解的技巧:通过待定系数法求函数模型的参数;使用特殊值法对抽象模型求解;通过对数据关系列表格来寻找相关关系式;另外,对问题要先做归类,判断变量的离散属性,在建模;还要考虑模型的取值范围,建模要有实际意义。
三、在课堂中融入建模方法的建议
3.1有关学校方面的建议
(1)在学校老师自己编制的校本课程中多设置与数学建模的思想和方法相关的课程,在根据数学教学改革的需求在选修课中加入相关的课程,激发学生对数学建模的兴趣。
(2)加强对学校数学教师进行建模方面的培训,提升教师对数学建模的认识和实际运用的能力,只有老师熟练掌握使用数学建模来解题的方法,才能为学生进行有效的指导解决学生在建模运用中的困惑。
(3)学校还要重视数学建模在日常中的学习,多安排一些与数学建模有关的活动和讲座,订阅相关的期刊和杂志,丰富学生课外获得知识的途径,普及相关的理论知识。
3.2有关数学课堂上的建议
(1)目前,有部分老师没有意识到数学建模在教学中的作用,认为不需要对学生进行专门的数学建模应用能力的培养,因此,老师应该首先转变自己的观念,重视运用数学建模方法解题的教学方式。
(2)在数学教学过程中,以学生为主体运用数学建模的思想来引导学生独立思考的能力,实现教学的目标;运用数学建模的方法来讲解习题的解题过程,在习题中加入一些背景知识,让学生理会题目背后的实际意义;在课下的作业中可以设计一些能够体现数学建模思想的开放性的题目,让学用独立思考或分组讨论的方式来建模求解,使学生与数学建模的方法有更多的接触。