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當前,大學生數(shù)學建模競賽、數(shù)學建模課型,數(shù)學實驗課為主要內容的數(shù)學建?;顒釉谌珖鞲叩仍盒V泛地開展。數(shù)學建模活動對培養(yǎng)學生觀察力、想象力、邏輯思維能力以及分析、解決實際問題的能力起到了很大的作用。我校是國家教育部1999年批準的地方性本科院校,以培養(yǎng)本科師范和非師范應用型人才為主要對象。從2001年起我校開始組對參加全國大學生數(shù)學建模競賽,6年來共計獲全國一等獎5項,一等獎3項,省一等獎8項,省二等獎8項,省三等獎8項,而且每年的成績呈上升趨勢,學校以培養(yǎng)實用型,復合型,具有地方高校特色人才為主要目標,以數(shù)學建模競賽為突破口,對地方高校數(shù)學建模的教學模式進行了實踐,經(jīng)驗總結,取得了良好的效果。
1、組建“數(shù)學研究會”
為了更好地組織和調動學生學習數(shù)學建模的熱情,使數(shù)學建模深入普及開展,2000年9月我們組建了“黃岡師范學院數(shù)學研究會”這一學生社團組織,它制定有嚴格的組織機構、協(xié)會章程、“老帶新”活動計劃,授課安排等,以此有計劃,有步驟地進行數(shù)學建?;顒拥钠占肮ぷ骱蛥①愱爢T的初級培訓。數(shù)學研究會于每年的9月招收新會員,通過建模專題系列講座、上機輔導、模擬聯(lián)系、交流經(jīng)驗等方式進行活動?;顒影床煌昙壓蛯I(yè)組班。初級班主要講授數(shù)學建?;A知識、初等模型等,通過簡單的實際問題建模示例,激起學生學習數(shù)學建模的興趣和熱情,讓他們深刻體會到數(shù)學很有用處。高級班講授的內容是:歷屆全國大學生數(shù)學建模競賽中的較簡單的題目以及Maple,Matlab數(shù)學軟件的學習。這一社團是我??萍己扛叩膶W生社團組織。
2、選好參賽隊員,規(guī)范管理,全面計劃,加強數(shù)學建模各方面的工作
參賽隊員的選拔主要經(jīng)過四個環(huán)節(jié):
1)學生自愿報名;
2)征求學生所在系的意見,了解學生的綜合成績;
3)有關認課教師的推薦,主要考慮學生的數(shù)學基礎,計算機應用能力
4)校內數(shù)學建模競賽選拔,以觀察學生的建模水平和潛力。
經(jīng)過這樣的選拔,既保證了參賽隊員有足夠的精力投入數(shù)學建模活動,也保證了參賽隊有一定的基礎。我們采取混合、交叉的形式進行分組編隊,即數(shù)學、計算機、信息、物理、電子等專業(yè)交叉搭配,擅長數(shù)學理論、計算機應用、文字表達以及文字錄入的各類學生交叉搭配等,這樣能更好地使每個參賽對隊員間取長補短、相互配合、團結協(xié)作地完成培訓、參賽任務。
誠然,數(shù)學建模工作是一項系統(tǒng)工作,涉及到學校的諸多部門。學校領導對數(shù)學建?;顒咏o予高度重視,配有“數(shù)學建模實驗室、活動室”,每年撥出數(shù)學建模專款以支持數(shù)學建?;顒印?/p>
我校每年都制定數(shù)學建模競賽培訓、參賽計劃。近幾年來我們對培訓的內容和步驟進行了認真的探索,初步形成了我校特色的數(shù)學建模培訓模式:前一年10月至當年8月的建模競賽初級培訓、暑假強化集訓和賽前訓練。而建模競賽初級培訓分兩個方面進行:一是通過開設《數(shù)學模型》專業(yè)課和公選課來進行培訓,二是利用“數(shù)學研究會”,在老師的指導下,通過同學教同學、老隊員教新隊員的方式進行全校數(shù)學建模活動的普及工作和參賽隊員的初級培訓;暑假強化集訓約20天,主要內容為:數(shù)學建模的常用方法詳解(如:圖論、模糊數(shù)學等)、歷屆賽題分析與論文寫作、Maple,Matlab數(shù)學軟件的使用、模擬練習等;賽前訓練在8月25日左右至參賽前,一般利用開學前幾天和開學后的雙休日進行。
3、提高教師的科研水平,培養(yǎng)學生初步科研能力
學校每年都派出教師參加數(shù)學建模競賽教練員的培訓、數(shù)學建模學術會議;鼓勵教師積極參加與數(shù)學建模有關的自然科學研究項目的活動;每年聘請專家為年輕教師和學生作數(shù)學建模專題講座,以此活動增強數(shù)學、計算機、物理等專業(yè)的教師的應用意識,有些數(shù)學教師能在專業(yè)課教學中滲透數(shù)學建模的思想,把數(shù)學建模切入到《高等數(shù)學》的教學中,取得了很好的效果。數(shù)學已經(jīng)不再是抽象的理論,其應用已經(jīng)深入到工農業(yè)生產(chǎn)、科學技術和生活的各個方面。許多自然科學的理論研究實際上可歸結為數(shù)學研究,就是對數(shù)學理論和數(shù)學建模的探討。我校數(shù)學建模指導教師積極參與科研課題研究,取得了一序列的科研成果。近年來,在《數(shù)學的實踐與認識》,《系統(tǒng)工程與電子技術》,《統(tǒng)計與決策》,《Information Sciences》,《J.Math.Anal.Appl》等學術刊物上20余篇。
對教師來說,發(fā)現(xiàn)好的教學方法不是最重要的,而是如何把方法與教學結合起來。通過對數(shù)學建模的長期研究和實踐應用,筆者總結了數(shù)學建模的概念以及運用策略。
一、數(shù)學建模的概念
想要更好地運用數(shù)學建模,首先要了解什么是數(shù)學建模。可以說,數(shù)學建模就像一面鏡子,可以使數(shù)學抽象的影像產(chǎn)生與之對應的具體化物象。
二、在小學數(shù)學教學中運用數(shù)學建模的策略
1.根據(jù)事物之間的共性進行數(shù)學建模
想要運用數(shù)學建模,首先要對建模對象有一定的感知。教師要創(chuàng)造有利的條件,促使學生感知不同事物之間的共性,然后進行數(shù)學建模。
教師應做好建模前的指導工作,為學生的數(shù)學建模做好鋪墊,而學生要學會嘗試自己去發(fā)現(xiàn)事物的共性,爭取將事物的共性完美地運用到數(shù)學建模中。在建模過程中,教師要引導學生把新知識和舊知識結合起來的作用,將原來學習中發(fā)現(xiàn)的好方法運用到新知識的學習、新數(shù)學模型的構建中,降低新的數(shù)學建模的難度,提高學生數(shù)學建模的成功率。如在教學《圖形面積》時,教師可以利用不同的圖形模板,讓學生了解不同圖形的面積構成,尋找不同圖形面積的差異以及圖形之間的共性。這樣直觀地向學生展示圖形的變化,可以加深學生對知識的理解,提高學生的學習效率。
2.認識建模思想的本質
建模思想與數(shù)學的本質緊密相連,它不是獨立存在于數(shù)學教學之外的。所以在數(shù)學建模過程中,教師要幫助學生正確認識數(shù)學建模的本質,將數(shù)學建模與數(shù)學教學有機結合起來,提高學生解決問題的能力,讓學生真正具備使用數(shù)學建模的能力。
建模過程并不是獨立于數(shù)學教學之外的,它和數(shù)學的教學過程緊密相連。數(shù)學建模是使人對數(shù)學抽象化知識進行具體認識的工具,是運用數(shù)學建模思想解決數(shù)學難題的過程。因此,教師要將它和數(shù)學教學組成一個有機的整體,不僅要幫助學生完成建模,更要帶領學生認識數(shù)學建模的本質,領悟數(shù)學建模思想的真諦,并逐漸引導學生使用數(shù)學建模解決數(shù)學學習過程中遇到的問題。
3.發(fā)揮教材在數(shù)學建模上的作用
關鍵詞:數(shù)學建模;力學實踐;科學思維;創(chuàng)新能力
數(shù)學模型是解決各種實際問題的過程,是將數(shù)學應用于力學等現(xiàn)代自然科學的重要橋梁。數(shù)學建模不僅是數(shù)學走向力學應用的必經(jīng)之路,而且也是科學思維建立的基礎。通過數(shù)學建模分析力學問題,將數(shù)學應用于實際的嘗試,親歷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的過程,可以取得在課堂里和書本上無法獲得的寶貴經(jīng)驗和親身感受,不斷深化科學思維,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。數(shù)學建模對力學教學思維的建立具有重要的指導作用。
一、數(shù)學建模與數(shù)學建模教學的發(fā)展
數(shù)學建模最早出現(xiàn)于公元前3世紀,歐幾里得所寫的《幾何原本》為現(xiàn)實世界的空間形式構建了數(shù)學模型??梢哉f,數(shù)學模型與數(shù)學是同時產(chǎn)生的。數(shù)學建模的發(fā)展貫穿近代力學的發(fā)展過程,兩者互相促進,相互推動。開普勒總結的行星運動三大規(guī)律、牛頓的萬有引力公式、電動力學中的Maxwell方程、流體力學中的Navier-Stokes方程與Euler方程以及量子力學中的Schrodinger方程等等,無不是經(jīng)典的數(shù)學建模。
1985年,美國開始舉辦國際大學生數(shù)學建模競賽,至此數(shù)學建模的教育開始引起廣泛的重視。數(shù)學建模在我國興起并被廣泛使用是近三十年的事。從1982年起我國開設“數(shù)學建?!闭n程,1992年起舉辦全國大學生數(shù)學建模競賽,現(xiàn)在已經(jīng)成為我國高校規(guī)模最大的課外科技活動。2002年,開展“將數(shù)學建模的思想與方法融入數(shù)學類主干課程”的教改實踐,2012年,《數(shù)學建模及其應用》雜志創(chuàng)辦。
二、數(shù)學建模對力學教學的指導作用
1.數(shù)學建模是將數(shù)學應用于力學實踐的必要過程
數(shù)學建模(Mathematical Modeling)是通過對實際問題的抽象、簡化,建立起變量和參數(shù)間的數(shù)學模型,求解該數(shù)學問題并驗證解,從而確定能否用于解決問題多次循環(huán)、不斷深化的過程。數(shù)學模型(Mathematical Model)是指為了一個特定目的,對于一個現(xiàn)實問題,發(fā)掘其內在規(guī)律,通過積極主動的思維,提出適當?shù)募僭O,運用數(shù)學工具得到的一個數(shù)學結構。
數(shù)學建模幾乎是一切應用科學的基礎,用數(shù)學來解決的實際問題,都是通過數(shù)學建模的過程來進行的。而力學是應用科學的一個重要分支,一種力學理論往往和相應的一個數(shù)學分支相伴產(chǎn)生,如:運動基本定律和微積分,運動方程的求解和常微分方程,彈性力學及流體力學和數(shù)學分析理論,天體力學中運動穩(wěn)定性和微分方程定性理論等。因此,有人甚至認為力學應該也是一門應用數(shù)學。
2.數(shù)學建模是培養(yǎng)科學思維的基礎
科學思維是以科學知識為基礎的科學化、最優(yōu)化的思維,是科學家適應現(xiàn)代實踐活動方式和現(xiàn)代科技革命而創(chuàng)立的方法體系??茖W思維的其他重要研究者Dunbar立足心理學視角指出,科學思維過程是建構理論、實驗設計、假設檢驗、數(shù)據(jù)解釋和科學發(fā)現(xiàn)等階段中的認知過程。這個過程與數(shù)學建模完全吻合,因此數(shù)學建模是培養(yǎng)科學思維的基礎。
許多的力學家同時也是數(shù)學家,他們在力學研究工作中總是善于從復雜的現(xiàn)象中洞察問題本質,又能尋找合適的解決問題的數(shù)學模型,逐漸形成一套特有的思維與方法。數(shù)學建模不單單是對某個問題或是某類問題的研究和解決,更重要的是一種思維的培養(yǎng)??茖W思維的培養(yǎng)是科學素養(yǎng)的重要組成,是科學教學的核心內容。
3.數(shù)學建模對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力具有重要作用
數(shù)學建模是一個分析問題和解決實際問題的過程,從數(shù)學理論到應用數(shù)學,再到應用科學,它為培養(yǎng)學生從實踐到理論再從理論回到實踐的能力,創(chuàng)造了十分有利的條件。數(shù)學建模的過程是一個不斷探索的過程,因此,數(shù)學建模競賽是培養(yǎng)學生綜合能力和發(fā)揮創(chuàng)新能力的有效途徑。
創(chuàng)新可以是前所未有的創(chuàng)造,也可以是在原有基礎上的發(fā)展改進,即包含創(chuàng)造、改造和重組等意思。數(shù)學模型來源于錯綜復雜的客觀實際,沒有現(xiàn)成的答案和固定的模式,因此學生在建立和求解這類模型時,從貌似不同的問題中抓住其本質,常常需要打破常規(guī)、突破傳統(tǒng)。可以說,培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力始終貫穿在數(shù)學建模的整個過程。在數(shù)學建模的過程中體現(xiàn)了知識的創(chuàng)新、方法的創(chuàng)新、結果的創(chuàng)新和應用的創(chuàng)新。
三、數(shù)學建模在力學教學中的現(xiàn)狀
數(shù)學建模教育在我國取得了長足的發(fā)展,越來越多的本科、??坪透呗殞W院開設了數(shù)學建模課程,但普及率并不高,并且大部分學校只針對特殊專業(yè)開設,如中南大學物理升華班,湖南師范大學數(shù)學與應用數(shù)學專業(yè)等。
在學習力學之前,學生對數(shù)學建模的了解主要來自于高校對數(shù)模競賽的宣傳,所知有限。教師應在本科第一堂力學課上幫助學生樹立正確的數(shù)學建模概念,將數(shù)學建模貫穿整個教學過程。在教學過程中重視數(shù)學建模思維的培養(yǎng),聯(lián)系實際力學問題培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。
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關鍵詞: 數(shù)學建模競賽培訓 課程建設 教學改革 人才培養(yǎng)
計算機科學的飛速發(fā)展,使數(shù)學在自然科學、工程技術、經(jīng)濟管理乃至人文社會科學等領域中的地位越來越高,日益成為解決實際問題的不可缺少的有力工具。數(shù)學技術、理論研究、實驗研究三足鼎立,在現(xiàn)代社會進步中正起著巨大的作用。一個學生的數(shù)學修養(yǎng)直接關系到他走向社會之后的工作能力,尤其對其終身學習能力起著舉足輕重的作用。如何培養(yǎng)學生的應用知識和創(chuàng)造性思維的能力,并提高學生的綜合素質,是高校數(shù)學教學改革中應該解決的重要課題。
為了促進數(shù)學在各學科領域的應用,培養(yǎng)更多能夠應用數(shù)學知識解決實際問題的人才,我們必須進行教學改革。中華女子學院自2006年以來,就嘗試組織和培訓學生參加全國大學生數(shù)學建模競賽,數(shù)學教研室的教師擔任了數(shù)學建?;顒又笇У慕巧?006年至2009年,中華女子學院連續(xù)4年組隊參加全國大學生數(shù)學建模競賽,共獲得了國家一等獎1項、國家二等獎1項、北京一等獎3項和北京二等獎3項。在近幾年的實踐和探索中,我們不斷地總結經(jīng)驗,吸取教訓,逐步形成了中華女子學院數(shù)學建模教學模式。
一、數(shù)學建模競賽培訓和課程建設的實踐
數(shù)學建模與數(shù)學實驗是連接實際問題、數(shù)學知識與計算機應用能力的橋梁,幾年來我們以數(shù)學建模與數(shù)學實驗課程教學和大學生數(shù)學建模競賽為載體,建立數(shù)學實驗與數(shù)學建模教學體系,探索數(shù)學建模競賽培訓模式和數(shù)學教學改革,在以下幾方面進行了積極的探索與實踐。
1.數(shù)學建模競賽的培訓模式。
中華女子學院數(shù)學建模競賽培訓的具體運作方式可以分為:第一步,每年的10月―12月,組織學生參加數(shù)學實驗選修課;第二步,第二年4月―6月,組織學生參加數(shù)學建模選修課;第三步,在每年的6月下旬,舉行全校數(shù)學建模競賽,確定參加暑假培訓的學生;第四步,每年的7月上旬―8月上旬,要求參加暑期培訓學生自學部分與競賽有關的知識,為培訓做好充分的準備;第五步,每年的8月中旬―8月底,對學生進行集中強化培訓和模擬競賽,并在培訓結束后再次進行選拔和組隊,確定我校參加全國大學生數(shù)學建模競賽的參賽選手;第六步,每年的9月初至賽前,對參賽選手進行實戰(zhàn)模擬訓練,進行兩次賽前技巧及注意事項講解,并具體布置競賽工作。
參賽結束后,指導老師和參賽隊員認真總結經(jīng)驗,將好的經(jīng)驗作為下屆參賽隊員的培訓內容之一。
2.合理安排數(shù)學建模的培訓內容、數(shù)學試驗和數(shù)學建模選修課內容。
考慮到學生已經(jīng)學過的數(shù)學內容和以數(shù)學為工具解決實際問題的需要,數(shù)學建模課程應以數(shù)學知識和方法為縱向、以問題為橫向,由易到難、由淺入深地安排培訓內容。
明確數(shù)學建模課程的目的,就是要培養(yǎng)學生用數(shù)學方法分析、解決實際問題的意識和能力,并試圖引起學生的關注,激發(fā)其興趣,并介紹方法和培養(yǎng)學生的能力。例如,2006年,在對我校參賽選手進行培訓時,由于國內的教材多是針對理科重點院校,適合于女子學院的教材相對很少,我校從事數(shù)學建模教學教學的教師,在查閱了大量的相關資料后,結合女子學院的特點,從中精選出實用性、針對性較強的內容,一邊進行數(shù)學建模課程教學和建模競賽培訓,一邊進行修訂,不斷完善教學內容。經(jīng)過兩年的教學實踐,于2007年完成了《數(shù)學建模》校內課件。課件的第一部分是數(shù)學建模引論,介紹數(shù)學建模的概念、功能、一般步驟和一些典型例子;第二部分介紹Mathematica,lindo/lingo數(shù)學軟件,為學生提供一些軟件支持;第三部分是講評一些典型的建模案例,選擇案例的思路是:實際背景簡明、問題能吸引人、假設和建模的依據(jù)容易理解、求解不太復雜,使學生從這些問題入手,學習體會應用數(shù)學知識的技巧,激起學習的興趣;第四部分是綜合模型練習。同時,于2008年完成了《數(shù)學實驗》校內講議,講議的第一部分介紹MATLAB數(shù)學軟件,第二部分是小型實驗問題,訓練學生運用所學知識和計算機去解決實際問題。
由于對參賽選手培訓的宗旨是應用數(shù)學理論和方法解決實際問題,因此教師不需要講授高深、系統(tǒng)的數(shù)學知識,僅介紹和引用一些實用的數(shù)學理論和方法,便于學生接受和臨摹,特別是一些與學生專業(yè)相結合的數(shù)學模型,更能激起學生學習的欲望。
3.開設數(shù)學實驗、數(shù)學建模選修課,舉行全校數(shù)學建模競賽,普及建模知識,提高群體建模能力。
數(shù)學實驗、數(shù)學建模教學和競賽活動的開展,促進了數(shù)學教學內容和教學方法的改革,并且培養(yǎng)了學生應用數(shù)學知識解決實際問題的意識和能力,使學生的綜合素質得到了顯著的提高。因此,我校一方面將數(shù)學建模內容引入數(shù)學教學,進行教學改革,另一方面從2007年開始開設數(shù)學建模選修課,2008年開設數(shù)學實驗選修課,大膽啟用進取心強的年輕競賽指導老師主講,選課人數(shù)累計達800人。數(shù)學建模、數(shù)學實驗選修課的開設,受到了學生的好評,教學效果良好。此舉既普及了數(shù)學建模知識,又為數(shù)學建模競賽培養(yǎng)了選手。同時,我院連續(xù)4年舉行了全校數(shù)學建模競賽活動,推動了我院課外科技活動的蓬勃開展,又為全國競賽選拔了人才。
一方面,數(shù)學實驗、數(shù)學建模課程的建設是數(shù)學建模競賽取得優(yōu)異成績的前提,另一方面,數(shù)學建模競賽題目都是來自實際問題,需要教師平時積累豐富的資料,在教學和輔導中不斷地完善,為學生灌輸新的思想和方法,促進數(shù)學實驗、數(shù)學建模課程的建設。此外,數(shù)學建模競賽、數(shù)學建模培訓和課程建設為我院的數(shù)學教學改革找到了強有力的突破口。
二、數(shù)學建模競賽培訓和課程建設的體會
1.數(shù)學建模競賽培訓推動了女子學院的數(shù)學教學的改革。
從數(shù)學教學思想上說,培養(yǎng)學生的素質和能力可以從以下兩個方面著手:一是通過分析、計算或邏輯推理,能夠正確、快速地求解數(shù)學問題,即運用已經(jīng)建立起來的數(shù)學模型;二是運用數(shù)學的語言和方法去抽象、概括客觀對象的內在規(guī)律,構造出需要解決的實際問題的數(shù)學模型。幾乎所有傳統(tǒng)的數(shù)學課程都著眼和著重于前者,將數(shù)學建模和數(shù)學實驗引入教學,可以有效地加強后一方面的訓練,是對原有數(shù)學教學體系的一種改革嘗試,也給教學思想的改革提供了新鮮、生動的素材。
數(shù)學建模教學要求對以往的數(shù)學教學方法進行改革和創(chuàng)新。傳統(tǒng)的“注入式”教學法,忽視“受者”的心智創(chuàng)造過程,將知識高度濃縮地“灌”給學生。這樣的教學過程對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用甚微。數(shù)學建模教學中指導老師采用的“研討式”教學法,在傳授知識的同時,注意把前人發(fā)現(xiàn)與積累知識的方法、過程,以及創(chuàng)新的經(jīng)驗介紹給學生的同時,不斷地引導和啟發(fā)學生去發(fā)現(xiàn)真理。我們鼓勵學生獨立思考,注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力,把教室既當作是傳授知識的課堂,又變成是培養(yǎng)學生獨立思考與“研究”的園地。
我?!稊?shù)學實驗》課程主要學習MATLAB數(shù)學軟件,引出實際問題讓學生建立模型,然后利用計算機數(shù)學軟件對其模型進行求解、分析和檢驗的建模全過程實踐。該課程具有以問題為載體、以計算機為手段、以軟件為工具、以學生為主體的特點,讓學生面對實際問題積極思考、主動參與,并在親身實踐中體會到數(shù)學的獨特魅力。
隨著數(shù)學建?;顒拥挠绊懭找鏀U大和參與的教師不斷增加,越來越多的教師在自己原有的教學內容中引入了數(shù)學建模,進一步加強了學生綜合能力的訓練。在競賽訓練的課堂討論教學中,計算機和數(shù)學軟件的引入,豐富了原來教學的形式和方法;在競賽中計算機和數(shù)學軟件的使用,促進了數(shù)學教研室的計算機軟、硬件設備的建設,并在一定程度上提高了數(shù)學教師運用計算機的能力。
2.數(shù)學建模競賽培訓提高了學生的綜合素質。
數(shù)學實驗和數(shù)學建模課程由于內容多、學時少,授課主要靠學生自學,這樣既能充分調動學生的積極性,又能充分發(fā)揮其潛能,并且能在潛移默化中培養(yǎng)他們的自學能力。盡管數(shù)學建模的題目是由實際問題經(jīng)過適當簡化加工而成的,但是它們又不同于數(shù)學應用題,因為它們呈現(xiàn)學科交叉的特點。因此,數(shù)學建模要求學生不僅需要具備一定的基礎知識,而且應當具備一定的綜合運用知識的能力。數(shù)學建?;顒蛹瓤砂l(fā)掘學生的潛力,又可提高學生的就業(yè)概率。我校參加過全國大學生數(shù)學建模競賽的學生供不應求,就業(yè)質量明顯要比我校同屆畢業(yè)生好。他們中有三分之二考上研究生,有的還考上一類重點院校的研究生。
3.數(shù)學建模競賽培訓加強了師資隊伍建設。
自2006年以來,我校先后有4名教師參加了數(shù)學建模競賽培訓和數(shù)學實驗、數(shù)學建模選修課的教學工作,主要以青年教師為主。數(shù)學建模競賽培訓和課程建設調動了青年教師愛學習、求上進的積極性,激發(fā)了他們學習新知識、研究新問題的熱情,對提高教師的教學和科研水平起著不可替代的作用。近幾年來,數(shù)學建模指導組老師發(fā)表相關教研論文20余篇,獲校級教學成果一等獎1項,2008年數(shù)學教研室被評為中華女子學院優(yōu)秀教學團隊,1名教師被評為校級中青年骨干教師,1名教師獲得校級課堂教學優(yōu)秀獎。此外,2006年1名教師獲“中華女子學院優(yōu)秀教師”稱號,2007年1名教師獲“全國婦聯(lián)崗位建新功活動標兵”稱號。
有機會參加數(shù)學建模競賽的學生畢竟是少數(shù),要使它的輻射作用更廣泛地發(fā)揮出來,必須與日常教學活動和教學改革緊密結合起來。通過這幾年數(shù)學建模教學活動的實踐,我們認識到以大學生數(shù)學建模競賽為主體的數(shù)學建模教學活動實際上是一種不打亂現(xiàn)行教學秩序、規(guī)模相當大的大學數(shù)學教學改革的試驗。
鑒于培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才的需要,又不額外增加課時和學生的學習負擔,將數(shù)學建模的思想和方法有機地融入到數(shù)學課程的教學中去,加強數(shù)學教學應用內容和實踐環(huán)節(jié),是一種有效的教學改革的途徑,是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力人才至關重要的一個措施。
參考文獻:
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隨著科技的快速發(fā)展,社會對應用型人才的需求日趨增加,高校教育必須加強對學生創(chuàng)新能力和解決實踐問題能力的培養(yǎng)[1]。數(shù)學建模正是銜接創(chuàng)造性思維與實際應用的紐帶,通過數(shù)學建模課程學習及實踐訓練,學生不僅能了解數(shù)學的應用價值,也能鍛煉創(chuàng)新實踐能力。由于數(shù)學建模課程的內容涉及的領域多,案例式授課,實際應用性強,與所學的高等數(shù)學、工程數(shù)學課程不同,不能形成連貫的系統(tǒng)性知識點,學生很難接受這門課程的學習方式。為了讓學生更好地學習數(shù)學建模,教師要改進教學模式,根據(jù)教學規(guī)律的要求,探索數(shù)學建模教學方法,將有助于學生掌握數(shù)學建模技能,從而提高解決實際問題的能力[2—4]。
二、數(shù)學建模的認知
大學開設基礎數(shù)學課程能讓學生體會到數(shù)學的嚴密邏輯體系及高度抽象的思維方法,但對數(shù)學的實際應用介紹的甚少,很難將數(shù)學與工程技術、經(jīng)濟管理、生物信息等其他領域聯(lián)系起來。數(shù)學建模是用數(shù)學語言來描述實際問題,將它變成一個數(shù)學問題,再利用現(xiàn)有的數(shù)學工具或發(fā)展新的數(shù)學工具來加以解決的整個過程。通過數(shù)學建模學習與實踐,學生在體驗建模過程的同時提高了思維能力和創(chuàng)造能力。數(shù)學建模課程的學習,可以重新認識數(shù)學的作用。課程重點就是介紹數(shù)學應用到實際領域中的方法,結合案例,應用初等數(shù)學、高等數(shù)學等數(shù)學知識來解決不同領域問題。在現(xiàn)實中許多現(xiàn)象及問題都可以用到數(shù)學來解釋,如,我們看到一個四條腿椅子經(jīng)過簡單的移動就可以找到合適的位置放穩(wěn)現(xiàn)象,用高等數(shù)學中的“零點存在定理”很容易解釋這個問題;若知道某珍稀動物各年齡段數(shù)量信息,來推測未來種群是否會滅絕,可以用線性代數(shù)中的“矩陣”預測未來動物數(shù)量分布。書報供應商訂購多少數(shù)量的商品才能得到最大收益呢?用概率中的“數(shù)學期望”建立報童賣報優(yōu)化數(shù)學模型可解決這類問題。數(shù)學建模競賽實踐能更好地培養(yǎng)和提高學生應用數(shù)學知識分析問題、解決問題的能力。幾年來,數(shù)學建模競賽賽題背景知識廣泛,要想取得好成績,不僅要掌握扎實的數(shù)學基礎,較好的計算軟件使用方法,還需要較強的自學能力,廣泛涉獵諸如物理、生物、信息等知識。例如,2012年美國大學生數(shù)學建模競賽A題“樹與樹葉”,需要了解植物樹葉生長特點,涉及到生物學知識;2014年全國大學生數(shù)學建模賽題A題“嫦娥三號軟著陸軌道設計與控制策略”涉及到萬有引力定律知識。數(shù)學建模是以數(shù)學為基礎,綜合自然科學和社會科學的實踐活動。學生們可以通過多種途徑了解數(shù)學建模,如,與數(shù)學建模課程教師咨詢、與參加數(shù)學建模系列教學活動的同學交流,瀏覽數(shù)學建模網(wǎng)上的數(shù)學建模課程介紹及閱讀數(shù)學建模書籍等,以獲得更多的數(shù)學建模知識與信息。
三、數(shù)學建模學習過程
在學習過程中不僅要掌握數(shù)學建模的基本方法、數(shù)學建模思維模式,同時還要能以團隊形式自主完成一整套數(shù)學建模訓練題目,才能體會數(shù)學建模的真正內涵。目前,最行之有效的途徑就是參加一次數(shù)學建模競賽??蓪?shù)學建模過程分解為三個階段:數(shù)學建模課程學習,數(shù)學建模綜合培訓,數(shù)學建模競賽及課外科技活動。
1.數(shù)學建模課程學習
(1)掌握數(shù)學建模的基本方法。數(shù)學建?;痉椒ń榻B是從案例分析開始,首先了解問題的背景、要解決的問題,分析用什么數(shù)學方法描述問題符合的規(guī)律,建立數(shù)學模型,并對模型求解,解釋結果合理性??梢跃o跟教師思路,積極展開思考,比較自己的解題思路與教師所講有哪些不同,從簡單的初等數(shù)學建模方法入手,了解數(shù)學建模的全過程。例如,魚的重量估計問題,在沒有稱重的條件下如何根據(jù)魚的長度估計魚的重量呢?在合理的假設下,利用初等比例方法建立魚重量與長度數(shù)學模型,利用魚的長度能估計出魚的重量,經(jīng)驗證結果是有效的。然后,要結合所學的數(shù)學知識逐步學習一些基本的建模方法,例如,微分方程建立傳染病模型可以預測流感流行趨勢問題;概率統(tǒng)計方法建立的報童模型可以預測出訂購多少報能獲得最佳受益。最后,要學會模仿案例建模過程完成作業(yè),掌握建模的基本方法和技巧。數(shù)學建模過程不是解應用題,雖然沒有唯一途徑,但也有一定規(guī)律可循,在學習中要善于思考,慢慢形成建模思維方式,有助于建模能力的提高。
(2)養(yǎng)成良好的自學習慣。數(shù)學建模課時有限,許多數(shù)學建模方法及案例不能在課堂上介紹,在課余時間同學們可以選讀一些教材中的案例和在期刊公開發(fā)表的建模論文,細致研讀案例的建模思想,學會舉一反三,重點是學會分析問題,了解更多領域的數(shù)學建模的方法、新穎的建模思想,提高用數(shù)學方法解決問題的能力。還可以豐富建模信息量,提高建模能力。同時,還可看到同一問題,可以選用不同的數(shù)學方法、從不同角度加以解決,這也是數(shù)學建模的魅力所在。例如,鎖具裝箱問題,可以用排列組合方法,也可用圖論方法,都能給出減少鎖具互開的裝箱方案。
2.數(shù)學建模綜合培訓
(1)數(shù)學建模方法再學習和建模能力強化訓練。隨著數(shù)學建模解決問題多元化發(fā)展,基本的數(shù)學建模方法及計算能力遠遠滿足不了實際問題的需求。因此還應學習一些現(xiàn)代數(shù)學方法,如,圖論,模糊數(shù)學,多元統(tǒng)計分析等。學會熟練運用計算機軟件技能,如,數(shù)學軟件MATLAB,EXCEL數(shù)據(jù)處理,求解數(shù)學規(guī)劃軟件及統(tǒng)計軟件。
(2)閱讀建模論文。通過仔細閱讀刊登在雜志或數(shù)學建模網(wǎng)站上的數(shù)學建模論文,學習論文的整體層次結構,寫作技巧,對問題的分析、假設、模型建立和求解過程。尋找論文的優(yōu)缺點,并比對論文作者對論文的評價。要善于總結所讀的論文中解決問題的適用類型,如,優(yōu)化類,預測類等,對于不同問題采用什么方法更合適,以備后繼數(shù)學建模中使用。還可以提出自己的一些想法,改進別人做過的模型,或完成其中運算過程。數(shù)學建模是一項沒有標準答案的數(shù)學應用,模型的研究結果大致符合實際就好。
(3)數(shù)學建模模擬訓練。選作歷年數(shù)學建模競賽題目或實際問題中提煉出來的數(shù)學建模題目,學習查閱資料、分析問題、建立數(shù)學模型、使用軟件求解、論文寫作來模擬數(shù)學建模全過程。請教師對論文的摘要、結構、模型的準確性、論文語言表述、格式規(guī)范等方面提出建議,再經(jīng)過多輪修改,直至滿意為止。
3.參加數(shù)學建模實踐活動
(1)數(shù)學建模競賽。參加數(shù)學建模競賽是培養(yǎng)綜合應用數(shù)學知識解決實際問題的最有效途徑之一,參加一次數(shù)學建模競賽才能體會數(shù)學的真正魅力。目前開展的數(shù)學建模競賽可以分為四個層面,一是美國大學生數(shù)學建模競賽(MCM/ICM),是由美國數(shù)學及其應用聯(lián)合會(CO-MAP)主辦,并得到了SIAM,NSA,INFORMS等多個組織的贊助,是一項具有世界影響的國際級競賽,為現(xiàn)今各類數(shù)學建模競賽的鼻祖。二是全國大學生數(shù)學建模競賽(CUMCM),是由教育部高等教育司、中國工業(yè)與應用數(shù)學學會聯(lián)合主辦,并得到了高等教育出版社、美國COMAP公司的支持與贊助,是一項全國高校規(guī)模最大的基礎性學科競賽,也是世界上規(guī)模最大的數(shù)學建模競賽。三是地區(qū)級、省級、專業(yè)類別賽事,如,東三省數(shù)學建模聯(lián)賽是由黑、吉、遼三省高校聯(lián)合發(fā)起的科技賽事;電工杯數(shù)學建模競賽是由中國電機工程學會電工數(shù)學專業(yè)委員會主辦的科技活動;數(shù)學中國數(shù)學建模國際賽(小美賽)是由數(shù)學學會與數(shù)學中國(www.madio.net)和第五維信息技術有限公司協(xié)辦的全國性數(shù)學建?;顒?。四是由校級開展的數(shù)學建模競賽活動。在競賽中,調整好心態(tài)、應用好文獻資源、積極思考、發(fā)揮每個隊員的長處、合理分工是取得成績的必要條件。
(2)數(shù)學建模實踐。要善于發(fā)現(xiàn)學習和生活中的諸多問題,要學會用數(shù)學的眼光看待問題,要用數(shù)學建模的方法來解決。例如,在課程設計、畢業(yè)設計中,在校園生活中,可能面臨著方方面面的問題。要學會觀察實際現(xiàn)象,提煉出要解決的問題。要真正做到學會發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,這需要一定的練習過程,也是學好數(shù)學建模的必要環(huán)節(jié),可以提升自身的綜合素質和創(chuàng)新能力。
四、數(shù)學建模提高學生的綜合能力
一次參賽,終身受益。數(shù)學建模最能激發(fā)人的潛能,數(shù)學建模思維方式會影響學生今后的學習和工作方法。數(shù)學建模教學內容及教學方法對培養(yǎng)學生的綜合能力尤為突出。主要體現(xiàn)在:
(1)培養(yǎng)學生的想象力、洞察力和創(chuàng)新能力。不論是數(shù)學建模課程學習還是實踐,都是針對實際問題,需要學生主動查閱文獻資料和學習新知識,主動探索,提出解決方案,這種學習方式促進了創(chuàng)新能力的形成,也培養(yǎng)了學生從事科研工作的初步能力;同時增強了運用數(shù)學知識和計算機技術解決實際問題的能力和團隊協(xié)作能力。
一、通過實際操作,激發(fā)建模興趣
在小學數(shù)學課堂教學中,數(shù)學建模所面臨和解決的問題都是復雜的,建模的過程應該分為四個環(huán)節(jié),即表述、求解、解釋、驗證,每一環(huán)節(jié)都會遇到一定的障礙,出現(xiàn)意想不到的問題。小學生這個年齡段具有好奇心強的特點,他們對感興趣的問題充滿著探究的動力。因此,我認為 在教學中要激發(fā)學生進行數(shù)學建模的興趣,充分運用學生這種積極性進行實踐操作活動。
比如,我在教“認識角”的知識時,很多小學生都感性地認為一個角的大小與角的兩條邊的長度是相關的,邊越長,角就越大,反之則越小。對此,我引導學生們經(jīng)過自己動手實際操作,獲得了正確的認知。我首先在黑板上懸掛一個紙板做成的固定的角,分給學生一個可活動的角,讓學生實際操作一下,能否將自己手中的角變得比這個固定的角大,或者比這個固定的角小。然后,讓學生來總結自己的實際操作所得出的結論,即角的大小與兩條邊的關系,即兩條邊叉開的越大,角就越大,反之越小,而與邊的長短沒有關系。學生通過這種實際操作,感受到了數(shù)學建模實際操作的樂趣。在這個操作的過程中,抽象的概念被形象化地展現(xiàn)出來,使學生對數(shù)學建模的興趣逐步增強,數(shù)學建模的能力也得到有效的提升。
二、借助數(shù)學模型,促進理解知識
通過教學實踐證明,我們在小學數(shù)學的課堂教學中,通過數(shù)學模型的運用可以有效地促進學生對知識的理解和吸收。因此,教師要在教學中引領學生去感受數(shù)學知識到數(shù)學模型的創(chuàng)造過程,由此來培養(yǎng)學生的建模思想。
比如,我在教“異分母分數(shù)加減法”的知識時,首先作了這樣的教學導入:0.5斤-3兩;1.5斤+4兩;這兩道算式可以直接來計算嗎?為什么?學生很快就回答,不能直接計算,因為斤與兩是不同的單位,必須統(tǒng)一單位后才能計算,即把各數(shù)的單位統(tǒng)一為“斤”為單位的小數(shù)后,再進行計算。這時我接著提問,在小數(shù)的計算中,小數(shù)點要對齊,為什么呢?這次提問旨在強化學生對計數(shù)單位統(tǒng)一后才能計算的數(shù)學模型。
在下一步的教學中,我又設計了這樣兩道題:1/3+1/5與2/5-1/3.然后提出問題,這兩道算式中的計數(shù)單位是否相同呢?學生一致認為,不同,應該先轉化為相同的單位再計算。學生在解答問題的過程中,成功地運用了類比法獲得了正確的計算方法。這些問題不僅使學生感受到了數(shù)學所特有的生活化,也激發(fā)了他們濃厚的興趣。在這個數(shù)學模型的構建過程中,學生經(jīng)歷了一個將實際問題數(shù)學模型化的體驗,使學生的數(shù)學思維得到了開發(fā),拓寬了知識面,為培養(yǎng)學生的數(shù)學建模思想提供了平臺。
三、運用數(shù)學思想,認識建模關鍵
小學數(shù)學課堂教學中培養(yǎng)學生的建模思想,不僅是單純地運用數(shù)學知識,同時數(shù)學的思想方法的運用也是關鍵的問題。因此,我們在教學中一定要把數(shù)學思想方法的運用當做重要的問題來研究實踐。
小學數(shù)學教材中,有許多問題可以進行編輯運用,成為數(shù)學建模的有效素材。我們要在問題的解決過程中,引導學生從多種角度去思考問題,將未知巧妙地轉化為已知,讓學生對這一模型的構建與已知知識對比,以此使學生的思維得到拓展。
比如,教“三角形的三邊關系”時,我安排學生與自己的同桌一起合作,將4cm、5cm、 6cm、 10cm長的四根竹棒任意選三根組合成一個三角形,學生在實際的操作活動中對4cm、5cm、10cm不能完成三角形的組合,產(chǎn)生了爭議。對此,我利用投影儀把學生圍成的三角形進行了放大展示,使學生清晰地看到圍成的三角形其實是不封閉的,因為竹棒不是線段。然后,請認為不能完成組合的學生來說出自己的理由。最后,通過我們的課件演示,使學生認識到,兩條短邊的和等于第三邊的時候是無法完成三角形的組合的。由此,我們得出了“三角形兩邊的和大于第三邊”的結論。此時,我運用這個知識提出了這樣一個問題讓學生進行逆向思考:“兩邊的和大于第三邊就一定能組合成三角形嗎?”由此引導學生從另一個角度去思考問題,讓學生認識到分析問題的角度應該是多方位的,只有這樣才會完善自己的思維方式。
關鍵詞:模型思想;初中數(shù)學教學;意義;環(huán)節(jié);策略
中圖分類號:G633.6文獻標識碼:B文章編號:1672-1578(2015)11-0257-02
多年來,我國數(shù)學教育重視數(shù)學理論的學習,輕視數(shù)學的實踐應用,缺乏對數(shù)學知識的背景介紹與應用訓練。近年來,社會輿論對中學生數(shù)學應用意識淡薄、數(shù)學應用能力低下的狀況表示不滿,敦促我國數(shù)學教育界采取有效措施以改變此種狀況,提出了加強中小學生數(shù)學應用意識、提升其數(shù)學應用能力的改革要求。對中小學生實施適當?shù)臄?shù)學建模教育,能在一定程度上平抑社會輿論對數(shù)學教育的不滿,消解社會對數(shù)學教育的壓力,順應社會對數(shù)學教育的要求。
就目前我國初中數(shù)學教學情況來看,由于學生難以掌握數(shù)學模型的思想,導致其無法真正應用模型解決數(shù)學實際問題,制約了學生數(shù)學實踐應用能力的提高。在新課標背景下,數(shù)學教學更注重數(shù)學知識與外界的聯(lián)系,發(fā)展學生思維邏輯能力和實踐應用能力成為數(shù)學教育的首要目標。在新課標環(huán)境下,初中數(shù)學老師應轉變傳統(tǒng)的教學觀念,以人為本,始終堅持培養(yǎng)學生的模型思想,調動學生學習的積極性和創(chuàng)造性,從而促進其全面發(fā)展。
1.培養(yǎng)數(shù)學模型思想的意義
1.1數(shù)學建模是對現(xiàn)象和過程進行合理的抽象和量化,然后應用數(shù)學公式進行模擬和驗證的一種思維。它是人類在探索自然社會的運作中所運用的最有效方法,也是數(shù)學應用于科學技術與社會的最基本的途徑。
1.2數(shù)學建模的重要性由于數(shù)學所特有的本質屬性使數(shù)學教育本質上是素質教育,而數(shù)學建模的問題,大都貼近生活,關注社會熱點,沒有現(xiàn)成的答案,沒有固定的方法,沒有指定的參考書,沒有規(guī)定的數(shù)學工具,主要靠學生獨立思考,反復鉆研并相互切磋,去形成相應的數(shù)學問題,尋求解決問題的方法,得出有關的結論,并判斷結論的對錯與優(yōu)劣。這里鼓勵奇思怪想,提倡獨辟蹊徑、標新立異。它使同學們直接介入了數(shù)學的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造的過程中去,每一步都是挑戰(zhàn),每一步都需要創(chuàng)新。因此,數(shù)學建模是實施素質教育的有效途徑。
1.3初中數(shù)學建模教學的意義數(shù)學建模不同于傳統(tǒng)的數(shù)學課,用數(shù)學方法解決種種面臨的實際問題,是一個必要的準備和鍛煉,這是他們成為社會需要的優(yōu)秀人才必不可少的能力和修養(yǎng)
(1)數(shù)學建模是數(shù)學應用于科學技術與社會的最基本的途徑;(2)數(shù)學建模思想的滲透是符合學生認知過程發(fā)展規(guī)律;(3)數(shù)學建模思想的滲透改變了數(shù)學教育的價值取向;(4)數(shù)學建模思想的滲透;(5)數(shù)學建模思想的滲透可培養(yǎng)和提高學生的數(shù)學素質,以改變數(shù)學教學長期以來以應試教育為主的局面;可以激發(fā)學生的參與探索的興趣。
2.數(shù)學建模應用的基本環(huán)節(jié)
2.1創(chuàng)設問題情景,激發(fā)求知欲:根據(jù)具體的教學內容,從學生的生活經(jīng)驗和已有的知識背景出發(fā),選編合適的實際應用題,讓學生帶著問題在迫切要求下學習,為知識的形成做好情感上的準備,并提供給學生充分進行數(shù)學實踐活動和交流的機會。
2.2抽象概括,建立模型,導入學習課題:通過學生的實踐、交流,發(fā)表見解,搜集、整理、描述,抽象其本質,概括為我們需要學習的課題,滲透建模意識,介紹建模方法,學生應是這一過程的主體,教師適時啟發(fā),介紹觀察、實驗、猜測、矯正與調控等合情推理模式,成為學生學習數(shù)學的組織者、引導者、合作者與共同研究者。
2.3研究模型,形成數(shù)學知識:對所建立的模型,靈活運用啟發(fā)式、嘗試指導法等教學方法,以教師為主導,學生為主體完成課題學習,形成數(shù)學知識、思想和方法,并獲得新的數(shù)學活動經(jīng)驗。
2.4解決實際應用問題,享受成功喜悅:用課題學習中形成的數(shù)學知識解答開始提出的實際應用題。問題得以解決,學生能體會到數(shù)學在解決問題時的實際應用價值,體驗到所學知識的用途和益處,成功的喜悅油然而生。
2.5歸納總結,深化目標:根據(jù)教學目標,指導學生歸納總結,拓展知識的一般結論,指出這些知識和技能在整體中的相互關系和結構上的統(tǒng)一性,使學生認識新問題,同化新知識,并構建自己的智力系統(tǒng)。同時體會和掌握構建數(shù)學模型的方法,深化教學目標。此外,通過解決我國當前亟待解決的緊迫問題,引導學生關心社會發(fā)展,有利于培養(yǎng)學生的主體意識與參與意識,發(fā)揮數(shù)學的社會化功能。
3.教學策略
3.1教學中逐步滲透和建立數(shù)學模型思想。學生對模型思想的感悟需要經(jīng)歷一個長期的過程,在這一過程中,學生總是從相對簡單到相對復雜,從相對具體到相對抽象,逐步積累經(jīng)驗,掌握建模方法,逐步形成運用模型去進行數(shù)學思維的習慣。初中數(shù)學模型教學主要是結合相關概念學習,引導學生運用函數(shù)、不等式、方程、方程組、幾何圖形、統(tǒng)計表格等分析表達現(xiàn)實問題。模型思想的感悟應該蘊涵于概念、命題、公式、法則的教學之中,并與數(shù)感、符號感、空間觀念等培養(yǎng)緊密結合。模型思想的建立是一個循序漸進的過程。
關鍵詞:數(shù)學建模實驗室;創(chuàng)新實踐能力;利用率
作者簡介:陳玲玲(1985-),女,浙江杭州人,中國計量學院理學院,助理實驗師;王義康(1976-),男,安徽壽縣人,中國計量學院理學院,副教授。(浙江 杭州 310018)
中圖分類號:G482 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)10-0201-02
我國教育事業(yè)發(fā)展第十二個五年規(guī)劃中明確指出要加強創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng),努力營造鼓勵獨立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的良好環(huán)境,加強動手實踐教學,增加學生參加創(chuàng)新活動的機會,拓寬創(chuàng)新型人才的成長途徑。面對當今世界的大發(fā)展、大變革,經(jīng)濟社會對教育和人才的需求發(fā)生了深刻的變化,高校迫切需要全面提高教育質量,加快拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。在這一背景下,數(shù)學作為一門基礎學科越來越受到人們的重視,在現(xiàn)代社會的發(fā)展和進步中扮演著重要的角色。[1]為滿足社會對數(shù)學人才的需求,國內大多數(shù)高等院校均開設有數(shù)學與應用數(shù)學、信息與計算科學等與數(shù)學相關的專業(yè),這些專業(yè)的學生在掌握了數(shù)學理論的同時,卻常常因為創(chuàng)新實踐能力的缺失在就業(yè)擇業(yè)過程中面臨著尷尬的境遇。數(shù)學建模實驗室是培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力和科學研究能力的重要基地。因此,探討如何高效利用數(shù)學建模實驗室,使其在學生,尤其是數(shù)學類學生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中發(fā)力,是高等教育教學研究中值得探索的一項課題。
一、數(shù)學類本科生實踐能力的缺失及數(shù)學建模實驗室使用現(xiàn)狀分析
數(shù)學是利用符號語言研究數(shù)量、結構、變化以及空間模型等概念的一門學科。傳統(tǒng)的數(shù)學課程教學比較重視基礎知識教學,數(shù)學計算、推理和空間想象能力的培養(yǎng),而不重視學生實踐能力的培養(yǎng)和實際操作的訓練,致使學生應用數(shù)學的意識不強,創(chuàng)造能力較弱。[2]而數(shù)學類本科生的培養(yǎng)計劃中,數(shù)學專業(yè)課設置較多,若一味按照傳統(tǒng)的教學模式,將會導致學生學習數(shù)學學科的興趣大減,因缺少實踐操作機會而不能靈活運用數(shù)學思維來分析和解決現(xiàn)實生活中的實際問題,創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和應用變成無稽之談。
數(shù)學建模是數(shù)學理論和現(xiàn)實問題的橋梁。針對一個現(xiàn)實問題,做出必要的簡化假設,運用數(shù)學工具,得到一個數(shù)學結構即數(shù)學模型。[3]我國自1985年從美國引進了數(shù)學建模以后,數(shù)學建模實驗室在各大高等院校中應運而生,數(shù)學建模競賽在我國迅速發(fā)展成為大學生中極具影響力的競賽活動。數(shù)學建模實驗室是基于計算機、網(wǎng)絡等各種多媒體設備的實驗、教學基地。由于受傳統(tǒng)教育思想的影響,重理論教育、輕實驗教學,忽視實踐教學活動在培養(yǎng)學生的適應能力、應變能力、創(chuàng)新能力上的作用,[4]許多數(shù)學建模實驗室僅服務于數(shù)學建模課程的教學和競賽的開展,逐漸趨于冷清,最終淪為簡單的機房,功能單一、設備使用率低等問題逐步凸顯。
二、基于數(shù)學建模實驗室的創(chuàng)新實踐活動
數(shù)學建模實驗室能為大學生主動探索和勇于創(chuàng)新提供良好的環(huán)境,是培育高素質創(chuàng)新型人才的高效實驗室。它不僅可以支撐數(shù)學建模的集訓與競賽的開展,也可以承擔數(shù)學及其他相關課程的教學、實驗、實訓和創(chuàng)新項目活動的開展。將數(shù)學建模實驗室作為創(chuàng)新實踐基地,構建創(chuàng)新實踐活動實施框架結構,著力培養(yǎng)和提高數(shù)學類本科生的創(chuàng)新實踐能力,這為傳統(tǒng)的實驗室使用提供了新思路??蚣苋鐖D1所示。
1.開設創(chuàng)新實踐項目
開設校級和院級課外科技項目、新苗計劃項目、開放實驗室項目等創(chuàng)新實踐活動,由具有一定科研和教學水平的教師指導學生,讓學生參與到實際的課題研究,激發(fā)學生學習理論知識的積極性,提高學生自主學習的能力,使學生在實踐過程中掌握應用知識的方法與技巧,提高解決實際問題的能力和實踐動手能力。
2.組織參加各類創(chuàng)新實踐競賽
由競賽教練團隊組織學生參加國際大學生數(shù)學建模競賽、全國大學生數(shù)學建模競賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外科技作品競賽、數(shù)學建模競賽賽題后續(xù)研究項目申報、程序設計大賽、多媒體設計大賽、數(shù)學建模系列比賽等不同類型、不同層級的創(chuàng)新實踐大賽。學生通過參加這類極具挑戰(zhàn)性的競賽活動,可切身體會到理論與實踐結合的重要性,在實戰(zhàn)中開拓進取,開闊視野,大膽創(chuàng)新。
3.組建軟件研發(fā)興趣小組
中國計量學院數(shù)學建模實驗室開設了C++,Java,Android系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫等軟件開發(fā)興趣小組。引入實際案例,展示項目成品,激發(fā)學生動手實踐的興趣,引導學生獨立思考,拓寬思路,動手編程,嘗試開發(fā)實用性軟件模塊,從而喚醒學生的創(chuàng)新意識潛能。通過軟件研發(fā)興趣小組開展的活動,使學生初步養(yǎng)成了編寫程序的技能,為將來進行科學研究或相關就業(yè)打下了堅實的基礎。
4.實施課程教學體系改革
優(yōu)化課程體系,將數(shù)學實驗的思想引用到數(shù)學類相關專業(yè)中,注重學與用相結合。中國計量學院理學院開設了“數(shù)學實驗”、“數(shù)學軟件”、“數(shù)學建?!薄ⅰ坝嬎銠C圖形學”、“算法設計”等相關課程,充分利用了數(shù)學建模實驗室軟硬件資源,采用了理論教學和上機實踐相結合的教學手段。在實際教學過程中,除了理論知識講解外,還可以引入案例,通過演示引出問題,從而引導學生通過實踐操作來探索和解決問題。相較于傳統(tǒng)的教學模式,這類教學方法更能激發(fā)學生的求知欲,調動學生動手實踐的積極性,營造良好的教學氛圍,達到學思結合,從而培養(yǎng)學生應用數(shù)學的能力。
5.建立畢業(yè)設計實踐基地
畢業(yè)設計是教學過程最后階段采用的一種總結性的實踐教學環(huán)節(jié)。學生在課程體系改革中受益,對實踐項目有了一定的興趣。因此在畢業(yè)論文選題時,一些以實際問題作為背景的科學研究題目受到了大部分學生的青睞,學生面對實用性較強的課題時積極性較高。通過檢索文獻,查找相關資料,了解課題的相關領域,利用軟硬件資源深入分析和研究課題。數(shù)學建模實驗室作為一個教學研究和開發(fā)設計的重要場所,為本科畢業(yè)生的畢業(yè)設計提供了良好的環(huán)境,不僅提高了畢業(yè)生綜合應用所學理論知識的能力,也順應了社會對創(chuàng)新實踐人才的新需求。
三、利用數(shù)學建模實驗室開展創(chuàng)新實踐活動應注意的問題
在以數(shù)學建模實驗室為創(chuàng)新平臺開展創(chuàng)新實踐活動時應注意以下幾個問題:
1.實踐與理論的有效結合
理論學習的最終價值體現(xiàn)在指導實踐上。過分側重數(shù)學理論學習、輕實踐,教學過程枯燥乏味,紙上談兵終究不能解決實際問題;過分傾向于實踐、輕理論教學,導致學生在動手實踐時缺乏基本理論知識儲備而無從下手。因此,在創(chuàng)新實踐活動的實施過程中,應合理分配理論課與實踐課的學時,注意理論知識學習和實踐操作訓練并重,科學設計實驗項目,發(fā)揮數(shù)學類本科生扎實的數(shù)學理論和邏輯思維優(yōu)勢,最大程度激發(fā)學生的學習動力,注重培養(yǎng)學生運用數(shù)學知識解決問題的創(chuàng)新意識和動手實踐的能力。
2.實驗室的安全與高效
創(chuàng)新實踐活動的開展使數(shù)學建模實驗室的設備使用率大大提高。計算機系統(tǒng)的安全和正常使用首先需要有良好的運行環(huán)境,滿足供配電、防靜電、防雷接地、溫度、濕度等要求。其次安全防護的配套設施必不可少,加強師生的安全防護意識刻不容緩。再次要定期檢修實驗設備,避免因使用過多、負荷過重而引起機器設備癱瘓。最后可根據(jù)學生的使用情況,合理開放實驗室,避免開放過多而導致資源浪費。此外,還可優(yōu)化實驗室運行環(huán)境,加強規(guī)章制度管理,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性,借助輔助軟件設備,提高實驗室的使用效果。做到科學化、人性化的維護和管理,使師生能夠安全、高效使用實驗室。
3.活動開展過程的監(jiān)管
為防止學生對實驗室的計算機和網(wǎng)絡的濫用(如打游戲、娛樂等,既影響學習環(huán)境又破壞計算機的穩(wěn)定性和安全性),實驗室管理員需加強監(jiān)督管理,減少機器設備不必要的工作量。
四、結束語
建立功能完善、運行順暢的數(shù)學建模實驗室,將數(shù)學建模實驗室作為創(chuàng)新基地,探索與開展創(chuàng)新實踐活動,開設創(chuàng)新實踐項目,組織參加各類創(chuàng)新競賽,組建軟件研發(fā)興趣小組,實施教學課程體系改革,設立畢業(yè)設計基地,拓展數(shù)學建模實驗室的功能,提高數(shù)學建模實驗室的使用率,不僅有利于提高數(shù)學類本科生的創(chuàng)新實踐能力,提升數(shù)學類本科畢業(yè)生的綜合素質,還能為社會迫切需要的創(chuàng)新實踐人才的培養(yǎng)提供新思路。
參考文獻:
[1]鞏子坤,宋乃慶.數(shù)學優(yōu)秀生培養(yǎng)中需明確的幾個觀點[J].當代教育科學,2004,(21).
[2]劉元宗.數(shù)學問題解決及其教學[J].課程·教材·教法,2004,(2).
傳統(tǒng)的高中物理教學方式比較重視一些理論體系和抽象問題的解答,不注意理論與實踐的結合,學生雖然能夠解答物理問題,但是在生活中遇到難題卻不知道如何應對.高中物理教師會把自己的理解灌輸?shù)綄W生的腦海中,學生沒有自己想象的機會,只能是被動的去接受,喪失了主動學習的能力,這對當今倡導素質教育的理念來說是一種阻礙.建模教學是高中物理教學的需要,高中物理已經(jīng)具有比較深的理論層次,物理的嚴謹性和抽象性在其中有比較多的體現(xiàn),目的就是培養(yǎng)學生的邏輯思維能力,但是,其中涉及實踐的內容比較少,學生學到了理論知識,但不會運用,這是高中物理存在的一大問題.而使用數(shù)學建模的方法,就能極好的解決這個問題,它用數(shù)學的語言和方法,將原本抽象、難懂的理論變?yōu)閷崒嵲谠诘臄?shù)學公式、數(shù)學模型,學生看到這些比較直觀的東西,就能更加快速的理解新知識.數(shù)學建模教學是目前教育形勢的需要,因為,物理與人們的生活息息相關,所以,在生活中的許多方面都能發(fā)現(xiàn)物理知識的存在,使用建立數(shù)學模型的教育方式,能夠幫助學生掌握獨立查閱文獻資料獲取知識的能力,對知識的利用率也會得到提升。
因此,在高中物理教學過程中充分地使用數(shù)學建模,就能極大地幫助學生鍛煉自己的邏輯思維、發(fā)散性思維、想象力。不僅能夠拓寬學生的眼界,而且還能提高學生的學習技能,學生分析問題和解決問題的能力也得到顯著提高.而且,數(shù)學建模過程需要非常多的信息,學生需要參與進來,集思廣益,每個人都要發(fā)揮自己的作用,不能只享受他人的成果,所以,數(shù)學建模還能夠提高團隊的分工合作能力.作為學生,要加強自己的交流能力、合作能力、樂于奉獻的精神,既要不斷的提高自己的知識儲備,還要學會資源共享、幫助他人解決問題,學生在走向社會時就能快速的適應社會的節(jié)奏.此外,數(shù)學建模教學還能把物理知識和生活中的實際問題緊密的結合起來,實現(xiàn)物理知識學習和應用能力共同提高的雙重效果,學生的學習方法也會得到增加,他們的學習熱情變得高漲,并且對學生科學思維的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的提高大有幫助,就能有效的契合素質教育的方針,把高中學生培養(yǎng)成社會需要的綜合人才.
2建模思想在高中物理教學中的應用
2.1分層次、分階段引入建模方法
目前,許多高中學校已經(jīng)能夠熟練、有效的使用數(shù)學建模方法,在物理教學中的使用范圍越來越廣,它的效果也逐漸顯現(xiàn)出來.在使用建模方法時,教師會先考慮學生的實際情況,不會直接就使用建模方法,要了解學生掌握的基礎知識是不是足夠牢固、相關的數(shù)學方法是不是能夠熟練應用,這樣就使得學生參與建模的積極性和效率得到提高,如果學生還沒有學到相關的數(shù)學知識,教師就不能使用這些知識,否則學生會非常的茫然,對他們的學習是非常不利的.通過建模,學生能夠體會到物理教學的魅力,進而對物理課產(chǎn)生極大的興趣,學生在熟練掌握之后,要增加建模的使用頻率和難度,由淺入深,讓學生的建模思想和能力得到大幅提升.
2.2循序漸進的增加建模質量,進而提升整體教學質量
物理的基礎知識教育作為“面”,建模教育當作“點”,通過建模教育能夠將“點”的作用發(fā)揮到最大,然后帶動基礎知識教育的全面提高,急于求成的做法是非常不可取的,只有合適的方法才能取得好的效果.建模教育是一種新型的教育模式,它能鍛煉學生的實踐應用能力、動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力.現(xiàn)如今,學生的思維卻非?;钴S,但是,他們的創(chuàng)新能力卻得到制約,主要原因就是傳統(tǒng)教育不注重學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),而建模教育能夠將學生的創(chuàng)新思維釋放出來,通過建模的“點”的作用,把學生的整體素質提高,學生在遇到問題時,就能自己去解決,消除了等靠的思想.
2.3在物理課堂中引入建模的步驟
建模,就是依托數(shù)學理念、方法來解決問題的途徑,在高中物理教學中,主要從以下幾個步驟來進行:(1)發(fā)現(xiàn)物理問題,或者通過一個案例來引入建模方法;(2)使用數(shù)學知識和方法來分析這個問題,為建模打下基礎,也就是把物理問題轉換成數(shù)學問題來解決;(3)建立數(shù)學模型,一步一步的解決問題,得出最后的結果;(4)把結果與現(xiàn)實進行比對,對結果進行驗證,通過這個步驟來幫助學生了解建模與問題之間的關系,總結結論,為以后解決問題做好準備.在建模的過程中,學生的主要職責是觀察問題,對問題作出假設,然后把這個問題轉化成數(shù)學模型,再利用數(shù)學知識進行解答,在得出結果之后,學生不要忘了對問題進行反思,發(fā)現(xiàn)建模與問題之間的關系,如果兩者存在密切的關系,就要找出其中的規(guī)律,進而完成建模過程;如果建模與問題之間并沒有關系,建模的結果并不是正確的結果,那么學生應當對過程進行檢查,如果自己找不出原因,要請教老師幫助解決.這樣的建模學習過程,是符合學生認知過程的規(guī)律的,能夠有效地激發(fā)學生學習物理知識的積極性,學生的思維和能力得到完全釋放.
3建模過程應當注意的問題