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中圖分類號:G623.5 文獻標識碼:A
An Example About the General Process of Elementary School MathematicsModel
WEN Hui[1], HE Zhongwei[2]
([1]Mathematics School, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650092;
[2]Jingdong Mathematical Research Section, Jiangxi Nantian College, Nanchang, Jiangxi 330029)
AbstractMathematical model is a mathematical structure which is expressed by the language of mathematics. Through the establishment of mathematical model, students can transfer a real problem to an abstract one. Establishing, explaining and applying a mathematical model is a requirement of math teaching. This paper aims to talk about the process of establishment of a mathematical model by the lesson of calling: questioning, hypothesizing, exploring, modeling and applying.
Key wordsring up; mathematical modeling; the mathematical model
《數學課程標準(實驗稿)》“前言”闡述:“……讓學生親身經歷將實際問題抽象成數學模型并進行解釋與應用的過程,進而使學生獲得對數學理解的同時,在思維能力、情感態度與價值觀等多方面得到進步和發展。”明確要求教師在教學中引導學生建立數學模型,不但要重視其結果,更要關注學生自主建立數學模型的過程,讓學生在進行探究性學習的過程中科學地、合理地、有效地建立數學模型。
“數學建模”就是運用數學去解決實際問題;就是要用數學的語言、方法去近似地刻劃實際問題,而這種刻劃的數學表述就是一個數學模型,其過程也就是數學的建模過程。根據小學生的特點,思維主要以形象思維為主,知識的結構簡單,來考慮小學數學建模的一般過程:
(1)引出問題。讓學生從現實生活情境中產生數學問題,這是數學建模活動的前提。這樣能有效地提高學生學習數學的主動性、積極性。
(2)提出假設。要用一個抽象的數學結構描述一個復雜的實際問題,必須對問題進行簡化。影響問題的因素很多,只有抓住主要因素,暫不考慮次要因素,才能抓住事物的本質。根據情境問題的特征和解決問題的需要,對問題進行必要的簡化,并用比較精確的數學語言提出恰當的假設。
(3)組織課堂討論。把學生分成幾個小組,小組成員圍繞同一個問題進行信息交流,使學生之間能相互啟發拓寬思路,激活思維,從而分享彼此的信息、觀念或觀點。根據小學的知識結構的特點,組織課堂討論學習是必須的,同時也能提高小學生的學習興趣。這個過程是不同于高中大學的數學建模過程。
(4)建立模型。把具體問題化為一般數學模式。在提出假設的基礎上利用適當的數學工具、數學知識,來刻畫事物之間的數量關系,建立相應的數學結構。
(5)應用拓展。將建立的數學模型運用到實際生活中,來解決較為復雜的生活問題。
下面以義務教育課程標準實驗教科書人教版《數學》五年級下冊綜合實踐“打電話”為例,建立小學數學建模的一般過程。
1 引出問題
在黑板板書:全部科學不過是日常思考的精煉而已――愛因斯坦。
師:這句話什么意思?看到這句話,看到我,你們有什么問題想問我?生1:你是一個愛思考的人嗎?生2:你是一個愛研究的人嗎?生3:你思考的問題正確嗎?師:我今天遇到了一件煩心事,有15人合唱隊,他們來自不同的學校,結果呢,剛才接到一個電話,讓我通知這15個同學。師:我要通知15個同學,我該思考一些什么樣的問題。生1:你要用最好最快的方法通知他們。師:這個問題交給我,你們能幫我想想看,有哪些方法可以通知這15個人?生1:打電話。師:這節課就叫打電話。
2 提出假設
師:打電話有很多煩心的事,打電話的時間有長短。以數學的方式來思考,首先把干擾因素給屏蔽掉。我們要對它進行一個工作,什么工作呢?我們要做一些假設。假設每一個同學的電話都打通,有的人打電話時間長,有的人打電話的時間短。我們假設每個人打電話的時間為?
生:1分鐘。師:為什么選擇1分鐘。生:1分鐘便于計算。師:所以我們要提出假設每人打一個電話需要一分鐘。假設的提出,為我們思考問題做好了最佳的鋪墊。
3 組織課堂討論
師:下面同學小組討論,并在草稿紙上來表示你怎樣通知他們?并算出用多少時間才能把全部的同學通知完。你可以聽取其他同學的建議,并在這個建議上深入的研究。
(討論的時間大約3分鐘,讓其中一個學生將自己的設計方案在黑板上板演出來。)如圖1
圖1
師:誰能說出這個同學的思路?
生:老師先通知三個組長,三個組長分別通知四個組員。
(讓學生們表演其中的過程:請出一個學生做老師,這位小老師找出他的三個組長,組長找出四個組員。假設把一個同學牽到另一邊,算通話成功。這個過程約用了3分鐘。)
師:同學們能不能把他的方案再思考下,我們說全部科學不過是日常思考的精煉而已。你們能不能再思考,看看還有沒有更優的方案?大家可以提出不同的意見。
生1:組長打給第一個組員,第一個組員可以通知下一個同學。
生2:當老師打給第二個組長時,第一個組長可以打給第三個組長。
生3:當通知第二個組長的時候,第一個組長就可以打給第一個組員。
生4:組員可以互相打。
師:我們可以再思考,這就是思考的再思考。
(班上的學生分組,進行試驗,表演其中的過程,當學生表演得出所用時間為四分鐘的時候,就讓這組學生回座位。這個過程大約用了7分鐘。)
4 建立模型
圖2
通過學生們的分析,被通知到的人都不閑著這樣打電話時間最短。
師:我們把身份忽略掉,把每個人看成什么?編號,老師是1號,學生從2號到16號。
建立模型(如圖2)
師:通過同學們的思考,這個工作用了短短的四分鐘。
讓學生觀察上面的示意圖,教師逐步引導學生發現這種方案蘊含的規律。為使學生更便于觀察,可以歸納如表1:
表1
5 應用拓展
某種細胞每過30分鐘便有1個細胞分裂成2個細胞,經過2個小時,這種細胞有1個細胞分裂成多少個細胞?
課題來源:江西藍天學院院級重點課題“運籌學課程教學改革研究”課題編號:YJ1009
參考文獻
[1]葉其孝.中學數學建模[M].長沙:湖南教育出版社,1998.
[2]姜啟源.數學模型[M].北京:高等教育出版社,2004.
[3]趙靜等.數學建模與數學實驗[M].北京:高等教育出版社,2008.
關鍵詞:數學建模;科技論文;撰寫;成長
1.數學建模簡介
1985年,數學建模競賽首先在美國舉辦,并在高等院校廣泛開設相關課程。我國在1992年成功舉辦了首屆大學生數學競賽,并從1994年起,國家教委正式將其列為全國大學生的四項競賽之一。數學建模是分為國內和國外競賽兩種,每年舉行一次。三人為一隊,成員各司其職:一個有扎實的數學功底,再者精于算法的實踐,最后一個是擁有較好的文采。數學建模是運用數學的語言和工具,對實際問題的相關信息(現象、數據等)加以翻譯、歸納的產物。數學模型經過演繹、求解和推斷,運用數學知識去分析、預測、控制,再通過翻譯和解釋,返回到實際問題中[1]。數學建模培養了學生運用所學知識處理實際問題的能力,競賽期間,對指導教師的綜合能力提出了更高的要求。
2.數學建模科技論文撰寫對學生個人能力成長的幫助
2.1.提供給學生主動學習的空間
在當今知識經濟時代,知識的傳播和更新速度飛快,推行素質教育是根本目標,授人與魚不如授人與漁。學生掌握自學能力,能有效的彌補在課堂上學得的有限知識的不足。數學建模所涉及到的知識面廣,除問題相關領域知識外,還要求學生掌握如數理統計、最優化、圖論、微分方程、計算方法、神經網絡、層次分析法、模糊數學、數學軟件包的使用等。多元的學科領域、靈活多變的技能方法是學生從未接觸過的,并且也不可能在短時間內由老師一一的講解清楚,勢必會促使學生通過自學、探討的方式來將其研懂。給出問題,讓學生針對問題去廣泛搜集資料,并將其中與問題有關的信息加以消化,化為己用,解決問題。這樣的能力將對學生在今后的工作和科研受益匪淺[2]。
在培訓期間,大部分學生會以為老師將把數學建模比賽所涉及到的知識全部傳授給學生,學生只要在那里坐著聽老師講就能參加比賽拿到名次了。但是當得知競賽主要由學生自學完成,老師只是起引導作用時,有部分學生選擇了放棄。堅持下來的學生,他們感謝學校給與他們這樣能夠培養個人能力的機會,對他們今后受用匪淺!
2.2.體驗撰寫綜合運用知識和方法解決實際問題這一系列論文的過程
學生在撰寫數學建模科技論文的時候,不光要求學生具備一定的數學功底、有良好的計算機應用能力、還要求學生具備相關領域知識,從實際問題中提煉出關鍵信息,并運用所學知識對這些關鍵信息加以抽象、建立模型。這也是教師一直倡導學生對所學知識不光要記住,而且要會運用。千萬不要讀死書,死讀書,讀書死。
2.3.培養了學生的創新意識和實踐能力
在撰寫過程中潛移默化的培養了學生獲取新知識、新技術、新方法的能力,并在解決實際問題的過程中培養學生的創新意識和實踐能力。有別于其他競賽活動,數學建模競賽培養學生運用所學知識將實際問題數字化的能力,學生要有良好的洞察力,具有從現象抓本質的能力。給出的實際問題,沒有唯一的解決方案,要求學生大膽假設,運用所學知識將問題由最簡單、最直接的科學方法求解出來[3]。
2.4.團隊精神的培養。
數學建模競賽是由三人組隊參加比賽的集體項目。三個人必須要配合默契,團結協作,發揮各自的優勢,深刻理解了由三人組隊的規則,充分發揮團隊精神;不能夸大個人能力,不能自大驕傲,要本著整體高于個人的原則,積極合作。競賽所提倡的團隊精神,將會培養學生尊重他人,具有合作意識,,取長補短,團結協作,患難與共的集體主義優良品格[4]。
有些隊伍在組隊前期,由于每個人的性格迥異,再加上年齡小,經常會因瑣碎小事起爭端。比如看待問題、解決問題的思路不統一;生活習慣造成其他人的反感;說話處事不能圓滿表達,致使產生矛盾等。經過一年的團隊磨合,學生看問題不會從自我出發,面對問題時,會先聆聽他人的想法,然后再闡述自己的觀點;生活習慣也趨于常理化,不會特立獨行;為人處世不會有那么多棱角,會選擇以讓人能夠接受的方式表達出來。
2.5.誠信。
比賽期間,每支參賽隊伍都會以誠信為原則,絕不會去竊取他人作品,實事求是。作為學生的指導教師更是以身作則,要求學生自己獨立完成,要脫離教師的指導,并且會在全程進行監督。
3.數學建模科技論文的撰寫對我校學生的現實影響。
我校06級學生宣海,小時候因手術后遺癥不能正常行走,曾多次輟學。最終憑自己的努力圓了自己的大學夢。大二初始學校選派學生參加全國大學生數學建模大賽,大部分同學由于不能忍受比賽所帶來的諸多困難,都相繼退出了比賽,而宣海同學經歷了能力和意志力的魔鬼訓練,并被選任為所有隊伍的隊長。全國賽時限為三天三夜,宣海在此期間只睡了四個小時。經過隊伍上下齊心努力,宣海所在隊拿到了河北省一等獎,全國二等獎的優異成績。次年,宣海對自己提出了更高的要求,要在更高的舞臺上施展自己的能力,參加了國際數學建模大賽,屬于世界最高水平的數學建模比賽。一整年沒回過家的宣海,克服了身體及家庭的種種困難,再加上四天四夜的連續作戰,獲得了國際二等獎。數學建模比賽對宣海的影像是潛移默化的,在畢業之際,多家用人單位都希望將宣海搶到手。目前宣海有了自己的家庭,生活變得越來越好。
參考文獻
[1]楊紅偉.數學建模與創新能力的培養.兵團教育學院學報,2003,3:76~77.
[2]趙慧琴.數學建模與大學生綜合素質的培養.甘肅政法學院學報.2002,4;100~102
關鍵詞 數學建模課程教學 數模競賽 創新能力培養 改革舉措
中圖分類號:G642 文獻標識碼:A DOI:10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.05.015
Exploration and Practice of Mathematical Modeling Activities
in the Innovation Educational Background
WANG Wenfa[1], WU Zhongyuan[2], XU Chun[1]
([1] College of Mathematics and Computer Science, Yan'an University, Yan'an, Shaanxi 716000;
[2] Office of Academic Affairs, Yan'an University, Yan'an, Shaanxi 716000)
Abstract Under the innovative education based on university personnel training requirements and problems of traditional mathematics education, the importance of mathematical modeling of students' innovative ability to Yan'an University, for example, according to "sub-level, sub-module" model of teaching and organization contest guidance, teaching and assessment in accordance with academic competitions, math majors and computer majors, two contests with a thesis project and Daiso, boutique website and digital-analog Association and second class "four convergence" approach to student innovation and innovative ability, and made remarkable achievements in personnel training, curriculum development, team building, professional building.
Key words mathematical modeling teaching; mathematical modeling contest; innovative ability training; reform measures
高等學校的大學生是國家科技發展的主力軍,大學生的創新能力決定著國家未來的科技創新能力。數學建模課程教學與競賽的廣泛開展對高等學校大學生的創新能力培養具有十分重要的作用。如何在數學建模課程教學與實踐中,既能增強大學生的數學應用意識,又能提高大學生運用數學知識和計算機技術分析和解決問題的能力,從而達到提高大學生綜合素質和創新能力的目的,這個問題是近年來眾多高校關注的問題。延安大學作為一所地方高校,在近幾年數學建模課程教學與實踐過程中,進行了一系列卓有成效的探索和改革,學生的創新意識和創新能力得到大幅度提升。
1 更新教育理念,充分認識數學建模對學生綜合素質和創新能力培養的重要性
數學作為一門基礎學科,它涉及的領域相當廣泛,如經濟、計算機及軟件、管理、國防等,雖然數學在高校教育教學中的地位不斷提高,人們對其認識也不斷加深。但是,人們對數學類課程、數學學科在創新型人才培養中的重要性仍認識不夠深入,在教學內容、教學方法、教學手段、評價措施等諸多方面,仍然沿用傳統數學類課程的教學模式和思維方式,導致高校人才培養與創新教育背景下的人才培養需求完全脫節。正如著名的數學家王梓坤院士所說“今天的數學科學兼有科學和技術兩種品質,數學科學是授人以能力的技術。”面向21世紀,高等教育在高度信息化的時代培養具有創新能力的高科技技術人才,數學作為一門技術,現已成為一門普遍實施的技術,也是未來高素質人才必須具備的一門技術。因此,在數學建模課程教學與實踐過程中,必須轉變傳統數學類課程的教育教學理念,不能將其簡單地當作工具和方法,而要將其當作是一門技術,而且是一門普遍適用的高新技術,在保證打牢基礎的同時,力求培養學生的應用意識與應用能力、創新意識與創新能力,真正實現培養高素質創新人才的目的。
2 數學建模課程教學的改革與實踐
2.1 分層次、分模塊實施數學建模課程教學和競賽指導
一是在數學建模專業課、專業選修課、公共選修課教學中按照知識點及教師研究方向,將課程內容分為兩個層次九個模塊。第一層次包括數學軟件、初等模型、優化模型、數學規劃模型、微分方程模型等五個模塊;第二層次包括離散模型、概率模型、統計回歸模型、數值計算與算法設計等四個模塊。第一層次針對公共選修課教學,第一層次+第二層次針對專業課和專業選修課教學。具體措施是:由數學建模課程教學團隊集體制定課程教學大綱和實施計劃,每位教師按照課程教學大綱和實施計劃主講自己所從事的方向模塊,在保證課程教學內容完整性和系統性的同時,根據學生知識層次,充分發揮每位教師專業優勢,有效地提升了課程教學質量;二是在大學數學課程教學中,按知識點將數學建模思想融入其中,在激發學生學習數學興趣的同時,強化學生的數學應用能力培養;三是在校內數學建模競賽中,按照“建模知識+專題講座+模擬+競賽”的模式組織校內建模競賽,主要以數學建模的基本思路、基本方法、基本技能為內容,使學生對數學建模有更加深入的感知和認識,在激發學生學習數學興趣和積極性的同時,培養學生的科研意識和創新意識;四是在全國數學建模競賽中,按照“集訓+軟件應用+舊題新做+模擬選拔+強化訓練”的模式組織全國建模競賽,主要以培養學生的洞察力、聯想力、創新能力、團隊協作精神和吃苦精神為內容,使學生的創新意識、團隊協作精神得到良好培養。 2.2 建立數學建模精品課程網站,為數學建模愛好者搭建學習交流平臺
網站將數學建模課程教學與數模競賽有機地融合,為學生全方位了解、學習和掌握數學建模的相關知識、相關技能開辟第二條通道。網站包括:課程介紹【課程描述、教學內容、教學大綱、建設規劃】、教學團隊【整體情況、課程負責人、主講教師】、教學資源【教學安排、多媒體課件、授課錄像、電子教案、課程作業、課程習題、模擬試卷、參考資源】、實驗教學【實驗任務、實驗大綱、實驗指導、課程設計、實驗作品、實驗報告】、教學研究【教學方法、教學改革、教學課題、教學論文、學生評教】、教學成果【教學成果獎、獲教學獎項、人才培養成果、教材建設】、在線學習【在線交流、在線自測】、成績考核【平時成績、作業成績、實驗成績】、下載專區【教學軟件、常用工具】、數模協會【協會簡介、協會章程、通知公告、新聞動態、競賽獲獎、優秀論文、往屆賽題、模擬賽題、校內競賽、新手入門】等,這些內容幾乎囊括了數學建模教育教學活動的所有內容,學生可以通過網絡資料學習就可以全面了解數學建模的相關知識與技能。
2.3 專業相互融合,取長補短,充分發揮學生各自專業優勢
數學與計算機科學學院現有數學與應用數學、信息與計算科學、計算機科學與技術、軟件工程四個專業,其中兩個為數學類專業、兩個為計算機類專業。在課程教學中針對兩專業的長處和不足,按照專業結隊子、學生結隊子的模式組織教學和小組討論,強化計算機類專業學生的數學應用能力培養,強化數學類專業學生的計算機軟件應用能力培養;在競賽組隊中,每隊均配備至少1名計算機類專業學生和1名數學類專業學生。充分發揮各自的優勢,取長補短,使學生的綜合能力得到提升。
2.4 延伸數學建模競賽效能,不斷提高學生的創新能力
每年全國大學生數學建模競賽和校內數學建模競賽試題都是從實際生活中提取出的實際問題。因此,指導教師在指導學生畢業論文(設計)和大學生創新訓練項目時,從往屆賽題或模擬試題中選擇一些題目,將其進行適當的延伸作為學生畢業論文(設計)和大學生創新訓練項目選題。通過這一方式,進一步培養學生的創新思維和創新意識,為學生今后從事科學研究奠定了堅實的基礎。
3 數學建模課程教學改革取得的成效
3.1 我校全國大學生數學建模競賽成績居全省同類院校前列
我校參加全國大學生數學建模競賽共獲得國家一等獎4項、國家二等獎6項、陜西省一等獎33項、二等獎71項,4次被評為優秀組織獎,1名指導教師獲陜西省數學建模競賽陜西賽區優秀指導教師,600多名學生參與大創項目,公開發表科研論文30余篇,學生的就業率和就業質量得到明顯提高。該賽事因此也成為了延安大學學科競賽品牌和亮點。
3.2 我校數學建模教育獲得多項教學成果獎、質量工程項目及教改項目
教學成果獎:“理工類大學生數學素質與創新能力培養的研究與實踐”榮獲2009年陜西省教學成果二等獎;“地方性院校開展數學建模教學的實踐與探索” 榮獲2003年延安大學教學成果一等獎;“計算機專業高素質應用型人才培養模式的改革與實踐” 榮獲2012年延安大學教學成果一等獎;“厚基礎、重實踐、強化工程素質和創新的人才培養模式的研究與實踐”榮獲2011年延安大學教學成果二等獎;“數學建模課程改革及數學建模競賽的研究與實踐”榮獲2007年延安大學教學成果二等獎。
質量工程項目:“數學與應用數學專業”為2010年省級特色專業;“數學建模教學團隊”為2011年省級教學團隊;“數學建模精品課程”為2012年校級精品課程;2014年“數學建模”課程獲批為省級精品資源共享課程;2014年“數學與應用數學”專業獲批為省級專業綜合試點項目。
教改項目:“大學生數學應用能力創新能力培養的改革與實踐”為2009年省級重點教改項目;“地方高校青年教師教學能力提升途徑的研究與實踐”為2013年省級重點;“青年教師教學能力提升的研究與實踐”為2011年校級重點;“計算機相關專業校企合作人才培養模式改革的研究與實踐”為2013年校級重點。
3.3 依托數學建模教育平臺,推動指導教師教學科研能力和綜合素質提升
數學建模教育不僅提高了學生的創新能力,同時也為指導教師的教學、科研及綜合素質的提升起到了推動作用。數學建模課程是一門面向全校理、工、經、管、教各學科專業大學生開設的理論與實踐相結合的基礎課程,主要以學生的洞察能力、創新能力、數學語言翻譯能力、抽象能力、文字表達能力、綜合分析能力、思辨能力、使用當代科技最新成果的能力、計算機編程能力、數學軟件應用能力、團隊協作精神和組織協調能力等綜合素質培養為目標,以數學建模課程教學、數學建模競賽、第二課堂、畢業論文(設計)、大學生創新訓練項目等為手段,通過“分層次、分模塊、四融合”的教學模式的有效實施,在提高我校學生解決在理、工、經、管、教等學科專業領域遇到的數學建模問題的能力的同時,為我校高素質、應用型人才培養做出貢獻。
基金項目:2013 “地方高校青年教師教學能力提升途徑的研究與實踐”(項目編號:13BZ37);2014年陜西本科高等學校“精品資源共享課程建設”項目“數學建模”課程建設階段性成果
參考文獻
近幾年來,越來越多的新建本科院校將自己的發展目標定位于開展應用型本科教育、 培養應用型本科人才,我們稱這類普通高校為應用型本科院校。在我國高教法中對本科教育的學業標準有明確的規定:“應當使學生比較系統地掌握本專業必需的基礎理論、基礎知識,掌握本專業必需的基本技能、方法及相關知識,具有從事本專業實際工作和研究工作的初步能力。”從這一規定看,我國工科專業培養的其實都是應用型人才,但從培養目標的內涵上說,可分為三類:
一為工程研究型人才。主要由研究型和教學研究型高校培養,其培養目標是:培養能夠將發現的一般自然規律轉換為應用成果的橋梁性人才。
二為技術應用型人才。主要由教學型地方本科院校培養,其培養目標是:能在生產第一線解決實際問題、保證產品質量和性能,屬于使研究開發的成果轉化為產品的人才。定位為技術工程師。
三為技能應用型人才。主要由高職類院校培養。其特點為:突出應用性、實踐性,有較強的操作技能和解決實際問題的能力。
上海電機學院是2004年9月經上海市人民政府批準, 在原上海電機技術高等專科學校的基礎上建立的以實施本科教育為主的全日制普通高等院校。其定位在培養技術應用型本科人才的教學型院校。技術應用型本科人才學習數學的目的在于應用數學。這就要求他們在學習數學的同時,不斷提高應用數學的意識、興趣和能力。數學建模是數學知識和應用能力共同提高的最佳結合點;是啟迪創新意識和創新思維、鍛煉創新能力、培養技術應用型本科人才的一條重要途徑。
1 數學建模的發展歷程
近幾十年來,數學迅速向自然科學和社會科學的各個領域滲透,在工程技術、經濟建設及金融管理等各方面發揮著越來越重要的作用,并在很多情況下起著舉足輕重,甚至決定性的影響。數學與計算機技術相結合,已經形成了一種普遍的,可以實現的關鍵技術——數學技術,并已成為當代高新技術的一個重要組成部分。用數學方法解決各類問題或實施數學技術,首先要求將所考慮的問題數學化,即通過對復雜的實際問題進行分析,發現其中可以用數學語言來描述的關系或規律,將之構建成一個數學問題,再利用計算機進行解決,這就是數學建模。數學建模日益顯示其關鍵的作用,并已成為現代應用數學的一個重要領域。
為培養大學生的數學建模能力,國外較早地經常舉辦大學生數學建模競賽。1989年我國大學生開始參加美國大學生數學建模競賽(MCM),從1992年開始,教育部高教司和中國工業與應用數學學會每年主辦一次全國大學生數學建模競賽,至今已經舉辦了16屆,參賽隊伍每年都不斷增長,在競賽過程中,大學生的聰明才智和創造得到了充分的發揮,提交了不少出色的答卷,涌現了一批優秀的參賽隊伍,同時,有力地促進了高等院校的數學教學改革,充分顯示了數學建模競賽活動的強大生命力。舉辦大學數模競賽,已造成一種氛圍,推動了培養大學生數學建模能力的工作。
2 數學建模在創新技術應用型本科人才培養中的意義
數學建模是對人的數學知識,實際知識的擁有量和靈活運用程度,邏輯推理能力,直覺、想象和洞察能力,計算機使用能力等的全面檢驗,最能反映出創新精神。“科學技術是第一生產力”。每年的工科大學畢業生是科技戰線的生力軍,他們要出科技成果,并且“千方百計促進科技成果在生產實踐中得到廣泛應用”,“加速科技成果轉化”,數學建模能力對他們是必不可少的。
數學建模是對傳統教育的一個挑戰,它強調怎樣利用先進的計算機工具來解決數學問題。學生參加數學模型的研究,參加全國大學生建模競賽,是將以前的“做練習”改為現在的“做問題”,將生活變成數學,將問題實際解決。數學建模是對學生創新精神的培養,是學生時代的第一次科研訓練,是一個向實際負責的任務書,是對學生適應社會、服務于社會的鍛煉與挑戰。基于以上的重要性,許多高校對學生的數學建模能力越來越重視,我校也不例外。
3 提高我校學生數學建模能力的具體措施
為了提高我校學生的數學建模能力,我們可在高等數學的教學中溶入數學建模,并開設創新系列課程:數學建模系列課程。系列課程中除設置了數學建模理論課外,還設置數學建模實驗課、數學建模集訓和數學建模競賽等任選課。
關鍵詞:數學建模,數學教學,高職院校
怎樣使高職院校數學這門基礎學科的教學更好地為人才培養目標服務,一直是高職院校數學教學改革思考的著力點。近年來,數學建模教學和競賽活動在全國高校蓬勃興起,深圳職業技術學院積極探索將數學建模引入高職數學教學,促進了數學教學的全面改革和創新。
一、將數學建模內容引入高職數學教學的必要性與可行性
相對于本科院校而言,以培養技能型、應用型人才為培養目標的高職高專院校,將數學建模作為數學教學的重要組成部分,更有其必要性和可行性。
(一)高職院校的培養目標要求將數學建模內容引入數學教學
高職教育是改革開放以來,伴隨著市場經濟發展而出現的高等教育的一種新類型,與傳統高等教育有著很大的不同。高職教育是培養既有一定的理論知識,又有良好的綜合素質,尤其是能夠動手操作、具有解決實際問題能力的技能型人才。因此,高職教育的課程設置要能適應和滿足高職院校的人才培養定位要求。深圳職業技術學院根據高職教育的實踐性、生產性、開放性的特點,通過將數學建模內容引入數學教學,特別是引入與所學專業相關的實際案例,引導學生學習用數學知識和計算機技術分析、解答實際問題。這不僅解決了學生不知道所學數學知識到底有什么用以及該怎么用的難題,更重要的是探索了一條具有高職教育特色的數學教學改革之路。
依照高職教育人才培養目標,培養出的學生應具有較強的動手能力和解決實際問題的能力,為此,我們對數學教學內容做了相當大的改革,即打破傳統數學教學的理論體系,刪掉復雜的數學證明及運算,強化學生對概念的理解,并運用數學手段解決實際應用問題。數學建模恰好是訓練學生通過數學手段解決實際問題的最佳途徑。
(二)高職院校學生具備將數學建模內容引入數學教學改革的基本條件
高職教育是大眾化教育的主力軍,培養的是生產、建設、管理、服務一線的高素質技能型人才。高職學生的基礎知識與本科院校的學生相比有一定的差距,如果按照傳統的教學方法,強調知識傳授的系統性、理論性,對他們來說有一定的難度,且沒有必要。從高職學生的認知特點和知識的接受能力而言,高職學生更愿意學習實用性強的知識,對解決實際問題的熱情也更為高漲,關鍵是我們怎樣設計教學內容、教學方法和教學手段去開發和引導。
多年的教學實踐探索表明,將數學建模內容引入教學及組織學生參加全國大學生數學建模競賽(以下簡稱數模競賽),可以充分激發學生的學習熱情和創新精神,提高學生運用數學方法和計算機工具分析、解決實際問題的能力及創新能力。
二、將數學建模內容引入高職院校數學教學的方法與途徑
在明確高職教育人才培養目標對數學教學改革的新要求,全面了解了高職學生學習基礎和學習特點的基礎上,我們選擇將數學建模內容引入教學,開始了高職數學教學新模式的改革探索。
(一)改革數學必修課
高職院校學生的數學基礎知識不是很扎實,但是他們對自己所學專業則有較大的興趣和較充分的了解。針對這種情況,我們首先對數學必修課的教學內容進行改革。如,基于學生對所學專業的熟悉和熱愛,我們把數學理論的教學和專業知識緊密結合,引入大量結合所學專業知識與工作的案例,通過解決具體的案例,引導出要學習的相關概念與知識,逐漸讓學生體會運用數學知識解決實際問題的樂趣和方法。同時我們加入了數學實驗課,讓學生學習運用計算機和數學軟件計算、解答實際問題。如在《經濟與管理數學》課程中講到需求函數時,我們結合經濟與管理專業的具體工作場景,引入商品市場需求的調查與需求函數的擬合這一案例,要求學生對某款手機的市場需求進行調查,并求出其需求函數。通過這個案例的學習,學生不但掌握了需求函數的概念,而且學習了如何進行市場調查,并根據調查數據用數學軟件擬合各種類型的需求函數。
(二)設置數學建模選修課
在改革必修課的基礎上,我們開設了數學建模選修課Ⅰ、數學建模選修課Ⅱ及MATLAB編程選修課。
1.數學建模選修課Ⅰ,旨在推廣數學建模的影響,每年參與學生人數近500名,開班10個以上。選修課基本上是以專題的形式進行的,課程內容包括優化問題、分類問題、預測問題、評價問題、決策問題等,所涉及的模型包括函數模型、線性規劃模型、統計模型、微分方程模型等。建立的模型及解決模型的計算都是通過具體的案例進行的。
2.數學建模選修課Ⅱ。選修該課程的學生主要是從數學建模選修課Ⅰ的學生中,結合學生的興趣和意愿選的,主要學習是備戰美國數學建模競賽。當然其中也有單純喜歡這門課程但不一定參加競賽的學生。本課程除了學習數學建模的相關方法之外,還增加了查找英文資料、閱讀英文科技論文、用英文寫作數學建模論文等內容。
3.MATLAB編程選修課,內容以使用和編程為主。科學地設計數學建模選修課內容,配合科學的訓練,有效地提高了學生數學建模能力,開拓了學生的視野,豐富了學生的知識,充分調動起學生學習數學的積極性。
三、豐富課外數學建模活動
課外活動是課內教學的延伸,我們充分拓展學生課外學習空間,使課內課外的學習相得益彰、相互促進。2006年在教師的引導和校學生會的支持下,學生們成立了數學建模協會。該協會是目前深圳職業技術學院最大的學生社團。
1.連續5年舉辦校級大學生數學建模競賽。從每年4月份開始,數理教研室與數學建模協會就通過橫幅、海報、廣播等方式大力宣傳數學建模競賽活動,為選拔優秀學生參加全國大學生數學建模競賽搭建平臺。參賽學生自由組隊,但是我們特別鼓勵學生跨專業組隊,每年有近百個隊的300多名同學參加比賽。參賽學生來自電信、機電、汽車、經管、建工等十幾個學院。競賽擴大了數學建模在學生中的受益面及在全校學生中的影響,學生普遍反映收獲很大。
2.建模協會配合數理教研室多次組織校級MATLAB編程大賽。順應時代的進步,數學課程及數學建模競賽的改革與發展,要求學生對軟件的使用及編程能力越來越高。為充分發揮學生的特長,促進學生對MATLAB軟件學習的積極性,鼓勵并嘉獎頂級編程人才,建模協會配合數理教研室的教師多次舉辦校級MATLAB大賽,每次有近10個隊的30多名同學參加。通過此項賽事,學生在計算方面的成績迅速提升,在2011年全國大學生數學建模競賽中我校的一個隊榮獲高職高專組唯一的MATLAB創新獎。
3.在數學建模課程和數學建模競賽培訓的基礎上,學校以數理實驗室為平臺開展經常性的數學建模活動。學生們在固定的數學建模實驗室進行問題的討論、軟件的交流學習及各項活動的策劃,等等。
4.強化模擬培訓。我們通過數學必修課、選修課和數學建模協會開展課外活動等一系列舉措,全面推動了數學教學改革,同時培養了一批熱愛數學的優秀學生。對于這些熱愛數學且成績優秀的學生我們鼓勵他們參與數學建模競賽,并利用假期進行模擬培訓。在模擬培訓中,我們首先是精心組合參賽隊伍。為了備戰大賽,所有參賽隊員都經過激烈的競爭和嚴格的選拔。指導教師根據學生的實際情況,在三名隊員組成的每支隊伍中,包括一名計算機能力較強的信息專業學生,一名數學能力較強的丁科專業學生和一名文字功底較強的學生。而參加美國數模競賽的人員組成中要求有一名是外語專業的學生。其次,是模擬競賽情景。在假期培訓中我們利用往年的賽題對即將參賽的學生進行一周的模擬培訓,讓學生自己獨立完成往年的兩個指定賽題。建模中數學模型的建立、計算機編程、寫作等,每項要有一人負責,其他人輔助完成。我們的指導思想是:建模時,既要有合作,也要有相對的分工。學生拿到題目以后,首先要一起進行討論,相互交流時要學會認真傾聽,汲取隊友的優點,然后才提出自己的看法。同時要加進自己對別人想法的理解,提高討論交流的效率。最后教師對問題進行講解、答疑,強調如何收集相關數據和信息,以及論文的結構和摘要的寫法等。經過多年的歷練,我校在數學建模競賽的培訓參賽工作方面積累了一定的經驗。
四、成果與體會
關鍵詞:數學建模;創新能力;數學實驗;建模競賽
中圖分類號:G643 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)32-0135-02
創新能力是國家競爭力的核心,科技創新人才的培養直接影響國家未來的整體創新水平和國家的創新競爭力。高等學校和科研院所培養的研究生是科技創新人才的后備軍,應當以培養研究生創新能力為根本目標,將科技創新能力的培養滲透到研究生教育的整個過程。教育部于2003年公布的“研究生教育創新計劃”指出,為全面建設小康社會,國家對高層次創新人才的需求不斷擴大,研究生教育必須加快改革步伐,不僅要培養大批人才,更要把工作重心轉移到提高培養質量,特別是提高研究生的創新意識和創新能力方面上來,積極主動適應國家對創新型人才的需要,實現從研究生教育大國向研究生教育強國的轉變。
一、數學建模教育與創新能力培養之間的關系
創新能力就是利用已有的知識和技能,根據客觀情況的變化而認識問題、解決問題,獲得創新成果的能力,主要表現為敏銳的觀察力、聚精會神的注意力、良好的記憶力、較強的操作力、豐富的想象力、有創造的思維力和思維方式、靈感和頓悟以及信息檢索能力,能夠得出有獨出心裁的見解和方法。嚴謹的邏輯思維和定量思維是衡量一個人文化素質是否全面發展的一個重要標志。德國著名數學家Grassmann曾說過:“數學除了鍛煉敏銳的理解力、發現真理以外,還有另一個功能,就是訓練全面考慮科學系統的頭腦的開發”。James指出:“數學的思考方式具有根本的重要性,數學為組織和構造知識提供了方法,以至于當用于技術時就能使科學家和工程師們生產出系統的、能復制的,并且是可以傳播的知識。分析、設計、建模、模擬(仿真)及其具體實施就可能變成高效加結構良好的活動”。伽利略曾說過:“自然界最偉大的書是用數學語言書寫的”。數學是推動科技創新的主要力量,深厚的數學理論基礎、用數學處理實際問題的能力是衡量研究者能否進行科技創新的關鍵因素。數學建模就是建立數學模型的過程,對于一個實際問題,用數學的語言、公式、符號、圖表等進行刻畫和描述,然后經過數學的處理即計算、迭代等得到定量的結果,利用得到的結果再返回到實際問題,用于人們的分析、預報、決策和控制。面對各種各樣的實際問題,如何抓住主要矛盾,進行合理的假設,逐步引入數學的思想,利用數學的理論和方法得到數學上的求解,最后翻譯到實際問題,這實際上是科技工作者綜合創新能力的體現。
二、工科研究生學習現狀分析
中國石油大學(華東)工科研究生在三年的研究生學習階段,只有一年的課程理論學習,取得相應的學位課學分后,從第二年就轉入導師布置的論文階段,至此課程學習全部結束。筆者講授研究生“數值分析”課程數十年,面授對象大都是石油主干專業的碩士研究生,這些學生經過了大學階段的學習后,學習能力和知識有了很大的提高。數值分析、應用統計方法、矩陣理論及計算是我校工科研究生大面積選修的學位課程,在有限的課時學完這些課程后,研究生學到了必要的數學理論及知識,但在以后的科研階段碰到實際問題后,如何去應用數學、如何轉化為數學問題,還會碰到很多的困難。有些石油學科中的主干課程,像流體力學、滲流力學、固體力學、傳熱學等,在大學階段就開始學習這些相關的課程,到了研究生階段,還要繼續學習這些課程。數學模型的來龍去脈、實際問題的簡化、數學模型的建立推導以及求解方法、如何反映實際問題,這些更重要的知識并沒有真正掌握,以至于在后續的科研階段,碰到新的問題無從下手,究其原因,還是在學習的過程中,缺乏深厚的數學理論和專業知識基礎,缺乏數學建模的能力,導致研究成果缺乏創新性。由于實際問題復雜和多樣性,建立真實反映實際問題的數學模型也越來越復雜,精確求解數學問題變得不可能,只能借助于計算機近似求解。現在人們普遍把科學實驗、理論研究、科學計算并列為科學研究的三種基本方法。隨著計算機、數值計算方法和應用軟件的發展,科學計算作為科學研究方法之一顯得尤為重要。近年來,計算流體力學、油藏數值模擬、計算傳熱學等學科發展很快,通過大量的科學計算,可以發現傳統理論研究和科學實驗發現不到的一些規律和現象。近年來,我校越來越重視工科類研究生創新能力的培養,但很多研究生往往把數學看成服務性的課程,僅學習一些膚淺的數學知識和數學計算,對一些影響深遠、應用價值大的數學思想和數學方法很少涉及,學生數學建模能力不足。因而,許多具有碩士學位的科技人員面對涉及較深的數學知識的科技創新時,也就顯得力不從心了。
三、加強數學建模教育,提高創新能力的措施
1.在數學理論學位課的教學中滲入數學建模的思想。在研究生的數學理論課程教學中,除了講解數學理論、數學方法外,針對數學模型的背景,應該講授給學生數學模型本質的知識,不但要讓學生知其然,還要知其所以然。比如在講授三次樣條插值時,首先給出三次樣條插值的定義、理論模型及求解方法,要保證方程組的封閉性,還需要給出相應的邊界條件,在三類邊界條件中,每一類邊界條件對應的含義,在邊界上一階導數、二階導數及周期邊界分別為已知的情況下所對應的實際問題的要求要解釋清楚。對于不同的實際問題,可以根據實際需要給出對應的邊界條件。我們知道,越是抽象的理論、模型、方法,其應用范圍越是廣泛。很多不同領域的實際問題,其對應的數學模型有可能完全相同,學完一類數學模型后,要求學生針對各自專業中所涉及到的專業知識,能夠解釋它們對應的實際問題,這樣既激發了研究生的學習興趣,又培養了他們善于歸納、把數學模型分門別類處理、碰到類似實際問題的數學建模能力,提高了他們利用數學建模進行創新的能力。
2.開設研究生數學建模和實驗課程,能夠提高研究生數學應用能力。在研究生學習完相應的數學理論課程后,第一學年第二學期增設研究生數學建模和數學實驗課程,這是銜接數學和后面的科研工作階段的一個重要環節。通過數學建模和數學實驗的學習,研究生可以提高“用數學”的能力,在各自的專業領域里,碰到實際問題,知道如何利用數學的理論、方法建立數學模型,借助于計算機軟件進行科學的計算,達到定量解釋結果,這樣有助于發現新現象、新規律,有助于得到創新成果。
3.積極組織研究生參加全國研究生數學建模競賽等科技活動。為提高研究生數學應用能力的新要求,從2004年起,研究生數學建模競賽開始舉辦。我校自2005年開始,研究生組隊開始參加研究生數學建模競賽,從開始零散的幾個隊參加到現在每年約50個參賽團隊的規模,多次獲得全國一等獎、二等獎。參加數學建模競賽的研究生普遍反映這個科技活動使他們受益很大,具體體現在以下幾個方面:①培養了研究生對資料檢索的能力,研究生數學建模競賽題目涉及到的范圍很廣,要想完整完成建模論文的提交,需要參賽學生既要具備廣泛的知識面,還要具備快速收集有關科技文獻、正確理解實際問題背景的能力。因此,數學建模競賽可以加強研究生對資料檢索和使用資料能力的培養。②培養大學生文字表達能力和創新意識,研究生數學建模競賽要求參賽學生盡快熟悉實際問題的背景,然后在合理的假設下,引入數學的概念及知識建立數學模型。在此基礎上,使用有關軟件或自我設計程序,借助于計算機進行求解,最后形成論文。論文要求模型合理,文字清晰,表達嚴謹,重點突出,因此這些要求有利于培養學生的文字表達能力和創新意識。③培養學生團隊意識和合作精神,數學建模競賽要求三個人組成一個隊進行參賽,組隊的原則是:使每個人的特長得到最大發揮,達到群體合作的最佳效果,實現知識能力的最優組合,獲取競賽的優異成績。每個隊的三個人相互協調,密切配合,相互取長補短,學會傾聽別人的意見,善于從不同爭論中綜合出最佳方案,最后取得好成績。數學建模競賽的整個過程有助于培養研究生團隊意識和合作精神。
四、結論與認識
數學建模教育對于研究生的創新能力和綜合素質的培養至關重要,在研究生數學理論課程的教學中,逐步引入數學建模的思想和方法,開展數學建模和數學實驗教育,對于后續的科研工作直至將來走向工作崗位會使研究生終生受益,為未來各個行業的創新人才的培養奠定了堅實的基礎。
參考文獻:
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“研究性學習”是新課程計劃中所增加的必修課,是“綜合實踐活動”的一部分內容,旨在促使教師更新教學觀念和教學方法,引導學生轉變學習方式,是教育教學發展過程中新的創意與進步。“研究性學習”是一種以學生自主性、探索性為基礎的新的學習方式,它要求學生在教師的指導下從教學角度出發,對日常生活、生產和其他學科的問題及某些數學問題(包括教學問題)進行深入探討,最后形成實驗(調查)報告或小論文等形式的成果。研究性學習特別注重學生創新精神的培養與實踐活動的參與,其核心是提高學生的綜合素質,促進人才全面發展。一個好的研究性學習方案至少包括三個要素:合理的研究目標、有意義的研究內容、科學的研究方法。
數學建模屬于一門應用數學,學習這門課要求我們學會如何將實際問題經過分析、簡化轉化為一個數學問題,然后用適當的數學方法去解決。數學建模是一種數學思考方法,是運用數學的語言和方法,通過抽象、簡化建立能近似刻畫并“解決”實際問題的一種強有力的數學手段。為了使描述更具科學性、邏輯性、客觀性和可重復性,人們采用一種普遍認為比較嚴格的語言來描述各種現象,這種語言就是數學,而使用數學語言描述的事物就稱為數學模型。
一、在數學教學過程中以“數學建模”為載體進行研究性學習的特點
1.研究性
“數學建模”本身就是一種科學研究,我們以“數學建模”為載體對學生進行研究性學習,就是要求學生對生活中的數學問題進行數學建模研究,這是我們教改的大膽探究,是為了探求提高課堂效率的新路子,以適應素質教育的要求,具有較大的研究價值。
2.開放性
“數學建模”包羅萬象,涉及方方面面,如太空探索、微觀世界、生物工程及日常生活中的瑣碎小事無不涉及數學建模。學生可以根據自己的興趣和愛好選擇課題,具有很強的開放性。
3.趣味性
趣味性主要表現在兩個方面:一是“數學建模”得到的結果,有許多都是與生活中的習慣思維相悖的。例如,一艘正在被飛機攻擊的軍艦,應當進行怎樣的操作才能逃過劫難?按習慣思維,是左轉彎或右轉彎或后退,根本不會想到會是加速前進,有很強的趣味性。二是一個個課題都是實際生活中提煉出的數學問題,解決問題后,可使學生獲得成功的喜悅,從而產生研究興趣。
4.可行性
對中學生而言,進行“數學建模”的研究性學習,目的是培養學生的動手能力、解決實際問題的操作能力,是他們在中學階段就能獲得科學研究的親身體驗,而不是要他們得到什么有價值的成果。因此,學生根據日常生活中的小事提煉出數學問題,利用中小學所學知識進行建模求解,有較強的可行性。
二、在數學教學過程中以“數學建模”為載體進行研究性學習的具體實施辦法
1.準備階段
(1)“數學建模”的概況介紹
利用學校開設的第二課堂時間,給學生介紹相關數學建模的知識,以實際的例子說明數學的趣味性和實用性及巨大的開發價值,鼓勵學生積極參與其中,改變學生對傳統數學教育所形成的“枯燥、乏味、無用”的偏見,使學生重新對數學產生興趣,激發學生學習數學的熱情,從而主動地參與學習,為將要開展的“數學建模”研究性學習做好動員準備。
(2)“數學建模”理論學習
為學生講解“數學建模”的理論,介紹研究方法、一般步驟和過程,講授部分中學課本以外的、“數學建模”過程中又比較常用的背景知識,如統計、線性規劃等,為學生做好“數學建模”的理論準備。
(3)選擇研究課題
選擇研究課題有兩種方式:一是教師給部分課題供學生參考;二是學生根據自己的興趣和愛好提出課題。
(4)審題
教師將所有課題匯集在一起,以三個原則:課題必須具有一定的研究價值;課題的研究方向必須明確,不能含糊不清;課題必須具有可行性,既能夠在學生獨立或在教師的指導下完成審題,課題不能過大、過難、過深,必須符合中學生的實際。
(5)分組
將審好的研究課題分給學生,最好是多個人組成一組(這樣可以培養學生團結協作、互相幫助的精神)。
2.研究階段
(1)建模分析
學生首先對自己的課題進行分析,寫出研究提綱,指導教師再對學生提出參考意見(需要參閱的相關資料、研究過程中應當注意的關鍵步驟),然后讓學生獨立調查、統計、分析,獲取相關信息。
(2)建立模型和求解模型
學生通過自己所獲得的信息,建立課題的數學模型,并且要求自己的模型得出結果。過程中遇到一些困難,由指導老師提供幫助。
(3)結果論證,寫出研究報告
建模的結果是否符合實際,需要進行結果檢驗。如果相差甚遠,則重新建立模型并求解模型。論證后由學生寫出研究報告。
3.評價階段
關鍵詞:獨立學院;數學建模;教學改革
中圖分類號:G4 文獻標識碼:A文章編號:16723198(2012)10013901
獨立學院應以培養應用型人才為目標,人才的知識能力結構是應用型,而不是學術型;要按照應用型能力結構,重新構建理論和實踐教學的體系,培養學生應用和創新能力,以滿足學生發展的需求。從這樣的教育思想出發,數學建模活動的開展成為必然。
1 獨立學院數學教育的現狀及開展數學建模活動的必要性
目前,獨立學院數學課程中存在諸多問題,這些問題不但影響了獨立學院學生學習數學的積極性,更主要的是后繼課程的學習也受到影響。在教學實踐中,專業課教師認為學生的數學基礎不扎實,不能靈活運用在具體問題上,而對于學生,則表現為不能通過自學來獲取新知識,對教師過于依賴等。在學生畢業以后,不會或者意識不到可以應用數學工具去解決他們各自領域的問題。
為解決上述問題,培養滿足社會經濟需求的應用型人才,數學建模活動以其對學生知識、能力、素質的綜合培養,成為獨立學院數學教學改革的有力手段。它是在基礎課和專業課之間架起的一座橋梁,通過數學建模活動的開展,側重培養學生綜合運用數學知識分析和解決實際問題的能力,增強創新意識和科學計算的能力,開拓知識面,從而推動數學教學思想、內容和體系、方法和手段的改革。
2 我院開展數學建模活動的探索與實踐
目前,多數獨立學院僅僅是為了參加每年一次的全國大學生數學建模競賽,對參賽隊員進行個別培訓,還沒有進行大面積的講授,所以對教改的影響和促進不大。原因很多,主要是獨立學院學生的數學底子太薄,數學課時太少,開設數學建模課程難度較大。因此,要將數學建模的收益面推廣到全體獨立學院學生,僅靠現行的課程體系是不行的,在全院范圍內開展數學建模活動是一個大膽的嘗試。
我院從2006 年開始,在教務處、學生處的支持下,走訪各兄弟院校后,根據我院實際,制訂了數學建模的教學、活動計劃及實施方案。
合理配置教師隊伍,多種形式提高教師水平,充分重視師資培養,具體如下:
(1)以老帶新,以新輔老,讓青年教師參加數學建模選修課的教學。二是每年讓2-3名青年教師參加數學建模競賽相關培訓,交流汲取各兄弟院校的優秀經驗。三是讓青年教師參與到每年一次的全國大學生數學建模競賽的指導工作,以賽帶練,在實際工作中鍛煉自己。
(2)由教務處組織,通知各科系學生自愿報名,每年第一學期開設約40學時的數學建模選修課程。主要針對學過高等數學、線性代數等知識的大一、大二學生。課程結束后進行全院的數學建模競賽,選拔優秀者為我院的全國大學生數學建模競賽預備隊員,在暑期或第二學期繼續進行強化集訓。
(3)授課采用靈活方式進行。有一些需補充的基礎理論知識如最小二乘法、線性規劃、微分方程等,就采用黑板來講;對于MATLAB、LINDO、LINGO等軟件平臺的介紹則使用課件來講。
(4)由于獨立學院學生的數學底子較薄,且沒有較適合的數學建模教材。因此,我們組織任課教師共同討論,按照數學建模選修課的要求,選取多種教材中的相關內容,取舍講授,自編講稿。
(5)選修課考核和數模競賽選拔相結合,由教練組提供題目,開卷形式,學生可以利用一切資源,最后把其結論總結,完成小論文的形式。
(6)組織學生成立數學建模協會,通過開展一系列的活動,擴大數學建模的影響,提高學生的興趣。
3 取得的經驗、成果與存在的不足和改進設想
3.1 取得的經驗和成果
數學建模活動的開展,為我院選拔全國大學生數學建模競賽參賽隊員奠定了穩定、良好的基礎,參賽至今共獲得省級以上獎勵四項,位居四川省獨立學院前列。
在開展數學建模的活動中,我們總結了以下幾個方面的經驗:
(1)數模教學中,教學案例的選擇,應該遵循兩個原則:一是“少而精”,數學建模課程的側重點應該是方法的訓練,應選擇那些高深知識不多,但在知識的應用上有深度、有特色的典型例子;二是“貼近原型”,數學建模中的案例應該與傳統數學課程的習題有明顯區別,它應盡可能地貼近實際問題。
(2)獨立學院的數學建模活動普遍起步較晚,教師要多參加各種數模培訓,向一些數學建模方面的專家取經,和各地各校的優秀教師交流汲取經驗,“走出去,帶回來”不斷提高自身水平。
(3)在數模選修課、數模競賽培訓、數模協會的活動中,充分重視學生團隊合作精神的培養,學生間良好的分工合作是數學建模活動順利開展、數模競賽取得好成績的必要條件。
(4)數模競賽中一些需要注意的細節:數模競賽隊員的組合,最好是由數學能力,計算機綜合應用能力,文字表達能力各有所長的同學搭配而成;賽前對一些比賽常用的基本技能的集訓是很有必要的,如數學軟件、數學公式編輯器,論文格式編排等;比賽場所的安排要協調周到、準備充分;數模競賽期間是比較緊張辛苦的,隊員間有意見分歧也會難免,在競賽前指導教師要向隊員強調團結合作思想,讓隊員做好吃苦的準備,避免比賽過程中的意外情況發生,在比賽期間要體現對學生的關愛;比賽過程中和學生的信息溝通要順暢,有比賽之外的問題及時發現,及時解決;比賽期間注意宣傳,引起各方面的重視和了解;賽后指導教師和學生應做好經驗總結。
通過開展數學建模活動,我們有了以下幾個方面的收獲:
(1)通過數學建模活動的開展,提高了教師自身的理論水平和組織能力。同時,數學建模選修課也為高等數學的教學改革提供了嶄新的教學思想和內容、教學方法與手段。數學建模教學中采用的“研討式”教學法,在傳授知識的同時,也把前人發現、積累知識的方法、經驗介紹給了學生,注重培養學生的創新意識和實踐能力。
(2)學生在數學建模活動中,不斷發現自己在數學知識和數學思維方面的不足,激發學生對數學的興趣,使其在學習中更主動,更有效;而數學素養的提高又增強了建模的能力,從而形成“數學的學習和數學的應用”相互促進的良性循環,大大提高了學生學習數學的積極性。
(3)在數學建模競賽培訓到比賽的過程中,學生初步了解了論文寫作的基本過程,嘗試獨立完成論文,體驗了一次小型科研活動的過程,提高了自身鉆研問題、解決問題的動手能力。同時學生使用數學軟件平臺的能力、學生的團隊合作能力、應變能力,創造力、想象力和洞察力也有了較大的提高。
3.2 存在的不足之處和改進設想
(1)大部分獨立學院院校沒有專門的用于數學建模的數學實驗室,學生上機受到限制,學時較少,數學軟件的應用不夠熟練,影響了數學模型的求解。可考慮將現有的機房裝上常用的數學軟件,就可基本滿足數學建模的需要,盡量避開平時上機高峰,在暑期或節假日安排集中訓練。
(2)學生上數學建模選修課的時間與其他課程和學生活動會發生沖突,個別學生不得不中途放棄選修課。可考慮分班分時間教學,讓學生在時間上有更多選擇。
(3)由于大部分獨立學院院校都是在近幾年才開始開展數學建模活動及參加全國大學生數學建模競賽,這方面的宣傳力度還不夠,部分學生甚至相當多的教師對數學及數學建模課程缺乏足夠的了解和正確的認識,不利于數學建模活動的廣泛開展。應充分重視與院系主管領導、宣傳部門及學生口的老師間的溝通交流,共同營造開展活動的良好氛圍。
在今后的工作過程中,我們將把這些好的經驗繼續下去,盡量尋求更好的辦法去彌補不足之處。以“學用結合,以用為主”的原則,對教學內容和方法、教學觀念和教材建設等方面進行改革,從多種渠道豐富學生的第二課堂,以吸引更多的學生了解數學建模,參與到其中,盡快提高獨立學院學生的應用能力和創新能力。
參考文獻
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關鍵詞:高校;數學建模;教學模式
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.208
0 引言
近些年來,社會經濟取得了顯著發展,數學也成為了支撐高新技術發展的一門重要學科。考慮到社會各生產部門在解決實際問題時,均離不開數學建模思想及方法的幫助,因而高等院校在開展數學建模教學過程中,需有機結合建模思路及實際問題,通過采取創新的教學方法,不斷完善建模教學模式,從而充分促進學生綜合能力的增強。
1 數學建模的相關概念
數學建模指的是出于某一特定目標的考慮,簡化并假設特定的系統及問題,并借助相關數學工具構建出恰當的數學結構,從而為處理對象提供科學的控制決策,或是用來合理解釋待定的實踐狀態[1]。簡單來說,數學建模是通過數學的方法及思想來構建出相應的數學模型,從而對實踐問題進行有效解決的一系列過程。
此外,數學建模還具有應用廣泛,抽象性、綜合性及概括性強等特點,其不但需要培養學生具備扎實的數學基礎以及學習數學建模的興趣,還需對其分析并解決問題、計算機應用、信息收集與處理、自主學習等綜合能力展開全面培養。由此可知,通過采取數學建模教學模式,可進一步促進學生學科知識結構的優化以及綜合能力的提高。
2 完善高校數學建模教學模式的有效策略
2.1 確保選題的科學性
數學建模選題的科學與否會直接影響到教學的效果,因此,教師在選題過程中,需將教學計劃、教材難度以及學生實際能力水平等充分考慮在內,并嚴格遵循以問題為中心、所選題目具備足夠研究價值,以及可行性、趣味性等原則,確保能夠將學生的建模興趣及研究興趣充分調動起來[2]。
2.2 做到多層面聯合
教師在開展數學建模教學時,應對建模各層面予以高度重視,將多層面聯合起來。首先,將建模步驟重點突出。教師需詳細闡述不同步驟的特點及作用,各步驟之間的協作機制等,并從建模方法這一層面出發,創設相應的情境,理解問題,構建數學模型并進行求解及評價等。此外,還需圍繞同一建模問題來開展各個步驟的教學,重點分析問題的背景,認真考察已知條件,并對模型的構建過程進行引導,通過向學生展示不同步驟的思維方式,從而使其對各個步驟的作用方式進行正確理解,對建模思路有一個整體把握,從而將實際問題進行有效解決。其次,對類比法、平衡原理方法等廣普性建模方法予以重視,并善于利用概率、極限、圖論、模糊數學以及層次分析等數學分支建模法。在開展各層面建模方法的教學時,教師還需把各個層面分化成具體的建模方法,并選擇實際問題來訓練學生,使其做到融會貫通。
2.3 注重整合模式的應用
數學建模整合模式是指整合各年級的知識,探索知識之間的銜接性及連續性,以期促進數學建模教學實效性的提高。在對模型進行整合時,需對核心課程(包括數學模型、微積分以及實驗等課程)、潛在課程(包括單科或多科選修課)以及建模活動(包括CUMCM集訓、大學生建模競賽及數學應用競賽等)予以重點關注。基于此,本文提出了三階段的建模教學模式:第一階段的對象是大一及大二學生,目的是培養他們的應用意識,使其對簡單應用能力有一個大致掌握;第一二階段的對象是大二及大三學生,重點對其建模及應用能力展開培養;第三階段的對象是大三及大四學生,主要對其應用能力及綜合研究意識進行培養。
2.4 分層進行
教師應以學生的實際掌握及應用能力為依據,以模仿、轉換及構建為主線來分層進行數學建模的教學工作。
(1)模仿階段:學生數學建模模仿能力的培養是建模教學中不可或缺的一項環節。教師在進行該階段的教學時,需要求學生重點研究已構建的模型及其具體的構建思路。與自主探索并構建模型不同的是,對別人構建的模型展開研究是一種被動性活動,因而在實際研究時,教師需引導學生重點分析如何引入并應用模型,如何借助已有方法將答案從已知的模型中導出[3]。總的來說,模仿階段的訓練在數學建模教學中至關重要。(2)轉換階段:數學建模中的轉換指的是將具體的模型轉換為抽象的綜合性模型,或是把原有的模型通過提煉,轉換至另一領域中。對各種數學問題展開分析,其本質便是多種數學模型的轉換及組合。因此,在實際開展數學建模教學時,教師需對學生轉換模型的能力展開重點培養。(3)構建階段:在處理實際問題時,出于某種需求的考慮,需通過構建數學模型的形式來體現問題中的條件及相互關系,或合理取舍并簡化已知條件,再經過重新組合,從而構建出新的模型等,并借助已有的知識及方法進行解決。考慮到構建模型為一項高級思維活動,并不存在固定的解決方法及模式,因而教師需將學生的邏輯思維以及非邏輯思維充分調動起來,經過分析、概括、類比、比較、猜測及想象等過程,對學生的數學模型構建能力進行全面鍛煉。由此可知,在數學建模教學過程中,除了加強培養學生邏輯思維以及非邏輯思維能力外,還需注重其他綜合能力的培養,盡可能使學生掌握更多有關于工程技術以及科學等方面的知識,能夠對系統進行靈活辨識,對機理進行準確分析,在順利構建數學模型的基礎上,有效解決實際問題。
3 結語
綜上所述,高效教師在開展數學建模教學過程中,需對學生的主體地位及其學習興趣予以重視,通過不斷完善建模教學模式,對學生的創造潛能進行深入挖掘,引導他們展開積極探索與溝通,從而充分提高學生的建模能力及問題分析與解決能力的提高,為社會培養更多優質的實踐型人才。
參考文獻:
[1]張逵,彭向陽,譚義紅等.地方本科院校數學建模教學模式的構建與實踐――以長沙大學為例[J].長沙大學學報,2013,27(05):112-114.
[2]顧傳甲.高校數學建模教學方法探[J].宿州教育學院學報,2015,18(06):165-166.