數學模型是數學知識與數學應用的橋梁,研究和學習數學模型,能幫助學生探索數學的應用,產生對數學學習的興趣,培養學生的創新意識和實踐能力,加強高中數學建模教學培養學生的創新能力是非常重要的。
目前國際數學界普遍贊同通過開展數學建模活動和在數學教學中推廣使用現代化技術來推動數學教育改革。著名數學家懷特海曾說:“數學就是對于模式的研究”。美國、德國、日本等發達國家普遍都十分重視數學建模教學,把數學建模活動從大學生向中學生轉移是近年國際數學教育發展的一種趨勢。“我國的數學教育在很長一段時間內對于數學與實際、數學與其它學科的聯系未能給予充分的重視,因此,高中數學在數學應用和聯系實際方面需要大力加強。”我國普通高中新的數學教學大綱中也明確提出要切實培養學生解決實際問題的能力,要求增強應用數學的意識,能初步運用數學模型解決實際問題。這些要求不僅符合數學本身發展的需要,也是社會發展的需要。因此我們的數學教學不僅要使學生知道許多重要的數學概念、方法和結論,而且要提高學生的思維能力,培養學生自覺地運用數學知識去處理和解決日常生活中所遇到的問題,從而形成良好的思維品質。而數學建模通過"從實際情境中抽象出數學問題,求解數學模型,回到現實中進行檢驗,必要時修改模型使之更切合實際"這一過程,促使學生圍繞實際問題查閱資料、收集信息、整理加工、獲取新知識,從而拓寬了學生的知識面和能力。數學建模將各種知識綜合應用于解決實際問題中,是培養和提高學生應用所學知識分析問題、解決問題的能力的必備手段之一,是改善學生學習方式的突破口。因此有計劃地開展數學建模活動,將有效地培養學生的能力,提高學生的綜合素質。
數學建模可以提高學生的學習興趣,培養學生不怕吃苦、敢于戰勝困難的堅強意志,培養自律、團結的優秀品質,培養正確的數學觀。數學建模能培養學生應用數學進行分析、推理、證明和計算的能力;用數學語言表達實際問題及用普通人能理解的語言表達數學結果的能力;應用計算機及相應數學軟件的能力;獨立查找文獻,自學的能力,組織、協調、管理的能力;創造力、想象力、聯想力和洞察力。由此,在高中數學教學中滲透數學建模知識是很有必要的。
通過對這道高中數學知識應用競賽題解答情況的分析,我們了解到學生數學建模意識和建模能力的現狀不容樂觀。學生在數學應用能力上存在的一些問題:(1)數學閱讀能力差,誤解題意。(2)數學建模方法需要提高。(3)數學應用意識不盡人意數學建模意識很有待加強。新課程標準給數學建模提出了更高的要求,也為中學數學建模的發展提供了很好的契機,相信隨著新課程的實施,我們高中生的數學建模意識和建模能力會有大的提高。
數學建模的教學本身是一個不斷探索、不斷創新、不斷完善和提高的過程。不同于傳統的教學模式,數學建模課程指導思想是:以實驗室為基礎、以學生為中心、以問題為主線、以培養能力為目標來組織教學工作。通過教學使學生了解利用數學理論和方法去分折和解決問題的全過程,提高他們分折問題和解決問題的能力;提高他們學習數學的興趣和應用數學的意識與能力。數學建模以學生為主,教師利用一些事先設計好的問題,引導學生主動查閱文獻資料和學習新知識,鼓勵學生積極開展討論和辯論,主動探索解決之法。教學過程的重點是創造一個環境去誘導學生的學習欲望、培養他們的自學能力,增強他們的數學素質和創新能力,強調的是獲取新知識的能力,是解決問題的過程,而不是知識與結果。
(一)在教學中傳授學生初步的數學建模知識。
中學數學建模的目的旨在培養學生的數學應用意識,掌握數學建模的方法,為將來的學習、工作打下堅實的基礎。在教學時將數學建模中最基本的過程教給學生:利用現行的數學教材,向學生介紹一些常用的、典型的數學模型。如函數模型、不等式模型、數列模型、幾何模型、三角模型、方程模型等。教師應研究在各個教學章節中可引入哪些數學基本模型問題,如儲蓄問題、信用貸款問題可結合在數列教學中。教師可以通過教材中一些不大復雜的應用問題,帶著學生一起來完成數學化的過程,給學生一些數學應用和數學建模的初步體驗。
(二)培養學生的數學應用意識,增強數學建模意識。
首先,學生的應用意識體現在以下兩個方面:一是面對實際問題,能主動嘗試從數學的角度運用所學知識和方法尋求解決問題的策略,學習者在學習的過程中能夠認識到數學是有用的。二是認識到現實生活中蘊含著大量的數學信息,數學在現實世界中有著廣泛的應用:生活中處處有數學,數學就在他的身邊。其次,關于如何培養學生的應用意識:在數學教學和對學生數學學習的指導中,介紹知識的來龍去脈時多與實際生活相聯系。例如,日常生活中存在著“不同形式的等量關系和不等量關系”以及“變量間的函數對應關系”、“變量間的非確切的相關關系”、“事物發生的可預測性,可能性大小”等,這些正是數學中引入“方程”、“不等式”、“函數”“變量間的線性相關”、“概率”的實際背景。另外鍛煉學生學會運用數學語言描述周圍世界出現的數學現象。數學是一種“世界通用語言”它能夠準確、清楚、間接地刻畫和描述日常生活中的許多現象。
鼓勵學生運用數學建模解決實際問題。首先通過觀察分析、提煉出實際問題的數學模型,然后再把數學模型納入某知識系統去處理,當然這不但要求學生有一定的抽象能力,而且要有相當的觀察、分析、綜合、類比能力。學生的這種能力的獲得不是一朝一夕的事情,需要把數學建模意識貫穿在教學的始終,也就是要不斷的引導學生用數學思維的觀點去觀察、分析和表示各種事物關系、空間關系和數學信息,從紛繁復雜的具體問題中抽象出我們熟悉的數學模型,進而達到用數學模型來解決實際問題,使數學建模意識成為學生思考問題的方法和習慣。通過教師的潛移默化,經常滲透數學建模意識,學生可以從各類大量的建模問題中逐步領悟到數學建模的廣泛應用,從而激發學生去研究數學建模的興趣,提高他們運用數學知識進行建模的能力。
(三)在教學中注意聯系相關學科加以運用
在數學建模教學中應該重視選用數學與物理、化學、生物、美學等知識相結合的跨學科問題和大量與日常生活相聯系(如投資買賣、銀行儲蓄、測量、乘車、運動等方面)的數學問題,從其它學科中選擇應用題,通過構建模型,培養學生應用數學工具解決該學科難題的能力。例如,高中生物學科以描述性的語言為主,有的學生往往以為學好生物學是與數學沒有關系的。他們尚未樹立理科意識,缺乏理科思維。比如:他們不會用數學上的排列與組合來分析減數分裂過程配子的基因組成;也不會用數學上的概率的相加、相乘原理來解決一些遺傳病機率的計算等等。這些需要教師在平時相應的課堂內容教學中引導學生進行數學建模。因此我們在教學中應注意與其它學科的呼應,這不但可以幫助學生加深對其它學科的理解,也是培養學生建模意識的一個不可忽視的途徑。又例如教了正弦函數后,可引導學生用模型函數寫出物理中振動圖象或交流圖象的數學表達式。
最后,為了培養學生的建模意識,中學數學教師應首先需要提高自己的建模意識。中學數學教師除需要了解數學科學的發展和發展動態之外,還需要不斷地學習一些新的數學建模理論,并且努力鉆研如何把中學數學知識應用于現實生活。中學教師只有通過對數學建模的系統學習和研究,才能準確地的把握數學建模問題的深度和難度,更好地推動中學數學建模教學的發展。