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        信息技術(shù)與高中數(shù)學(xué)建模課程整合的研究

        2006-12-29 00:00:00駱魁敏
        中國信息技術(shù)教育 2006年7期


          計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛使用,使得“數(shù)學(xué)從社會的幕后走到前臺”,在某些方面直接為社會創(chuàng)造價(jià)值。與此同時(shí),《高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)立“數(shù)學(xué)探究”、“數(shù)學(xué)建?!保皵?shù)學(xué)閱讀”、“數(shù)學(xué)活動”等專題課程,激發(fā)學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣,逐步形成批判性思維習(xí)慣,以及積極主動的學(xué)習(xí)方式。
          然而,由于我國在中小學(xué)開展數(shù)學(xué)建?;顒舆€處于起始階段,數(shù)學(xué)建模對于教師甚至還有一定的難度,如何找準(zhǔn)開展數(shù)學(xué)建模活動與課堂教學(xué)的最佳切入點(diǎn),是我們數(shù)學(xué)教育工作者面臨的問題與困難?!陡咧袛?shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的制訂與實(shí)施,國家課程、地方課程、校本課程三級課程體系的建立為我們進(jìn)行中學(xué)數(shù)學(xué)教育改革創(chuàng)造了有利的條件。我們審時(shí)度勢、抓住契機(jī),依托《高中數(shù)學(xué)建?!穼n}學(xué)習(xí)網(wǎng)站,開展信息技術(shù)與高中數(shù)學(xué)建模課程整合的研究。
          
          建立“高中數(shù)學(xué)建模”校本課程專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站,營造新型數(shù)學(xué)建模環(huán)境
          
          基本概念
          數(shù)學(xué)建模,是指把現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際問題加以提煉,抽象為數(shù)學(xué)模型,求出模型的解,驗(yàn)證模型的合理性,并用該數(shù)學(xué)模型所提供的解答來解釋現(xiàn)實(shí)問題的過程。也可以說,數(shù)學(xué)建模是利用數(shù)學(xué)語言模擬現(xiàn)實(shí)的模型,并利用數(shù)學(xué)的思想、方法、知識解決實(shí)際問題的過程。信息技術(shù)與學(xué)科課程整合,就是將信息技術(shù)有效地融合于各學(xué)科的教學(xué)過程中,營造一種新型教學(xué)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的以“自主、探究,合作”為特征的教與學(xué)方式,充分發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性,創(chuàng)造性,使傳統(tǒng)的以教師為中心的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變革,從而使學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的培養(yǎng)真正落到實(shí)處。
          
          網(wǎng)站結(jié)構(gòu)與意義
          高中數(shù)學(xué)建模校本課程專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站與“TI現(xiàn)代數(shù)學(xué)教育實(shí)驗(yàn)室”(由TI圖形計(jì)算器、下I圖形計(jì)算器顯示屏、TI視頻轉(zhuǎn)換器,投影儀、臺式計(jì)算機(jī)等構(gòu)成)、校園網(wǎng)等組成網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)環(huán)境。該環(huán)境使各種教學(xué)信息和數(shù)據(jù)在它們之間自由傳輸,幫助教師和學(xué)生解決教與學(xué)中的問題;為學(xué)生搜集、處理數(shù)據(jù)提供有力的技術(shù)支持,增強(qiáng)學(xué)生動手操作、實(shí)踐的能力;使學(xué)生在“做數(shù)學(xué)”巾理解數(shù)學(xué)概念和數(shù)學(xué)原理的內(nèi)涵,發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)規(guī)律;使學(xué)生在數(shù)學(xué)建模、探究的過程中感受到數(shù)學(xué)與實(shí)際生活及其他學(xué)科之間聯(lián)系的緊密性,從而把更多的時(shí)間花在數(shù)學(xué)活動的創(chuàng)新探索中,進(jìn)一步提高數(shù)學(xué)教學(xué)的質(zhì)量和效果。
          
          創(chuàng)建數(shù)學(xué)建?;顒臃绞剑簩徸x—建?!饽!u估
          
          高中數(shù)學(xué)建模教學(xué)模式的主要教學(xué)程序流程如下圖所示。
          審讀——對問題的審視
          模型準(zhǔn)備:了解問題的實(shí)際背景,明確其實(shí)際意義,掌握對象的各種信息。用數(shù)學(xué)語言來描述問題。
          模型假設(shè):根據(jù)實(shí)際對象的特征和建模的目的,對問題進(jìn)行必要的簡化,并用精確的語言提出一些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。
          建?!獦?gòu)建數(shù)學(xué)模型
          在假設(shè)的基礎(chǔ)上,盡量用簡單的數(shù)學(xué)工具,利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)語言來描述各變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。
          解?!P颓蠼?br/>  利用獲取的數(shù)據(jù)資料,對模型的所有參數(shù)作出計(jì)算(估計(jì))。分析數(shù)學(xué)模型,尋找求解方法,選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法求解,得出數(shù)學(xué)結(jié)論。
          評估——檢驗(yàn)與評價(jià)
          對數(shù)學(xué)模型的解給出解釋、檢驗(yàn)與評價(jià),并對已構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行再審視,將模型及解與最初的問題相比較,以此來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性、合理性和適用性。如果模型與實(shí)際較吻合,則要對計(jì)算結(jié)果給出其實(shí)際含義,并進(jìn)行解釋。如果模型與實(shí)際吻合較差,則應(yīng)該修改假設(shè),再次重復(fù)建模過程。
          
          分階段。分層次開展各種不同形式的數(shù)學(xué)建?;顒?br/>  
          數(shù)學(xué)建模是貫穿于整個(gè)高中數(shù)學(xué)課程的重要內(nèi)容,它不單獨(dú)設(shè)置,滲透在每個(gè)模塊或?qū)n}中。在高中階段,教師應(yīng)針對學(xué)生的不同發(fā)展水平,分階段,分層次開展多種多樣的數(shù)學(xué)建?;顒?。在具體教學(xué)中,高中階段每學(xué)期至少應(yīng)安排一次較為完整的數(shù)學(xué)建?;顒?。
          
          數(shù)學(xué)建模實(shí)施的三個(gè)階段
          第一階段——簡單建模階段:在這一階段,學(xué)生剛剛跨入高中,他們的數(shù)學(xué)建模知識非常薄弱,建模意識也不強(qiáng),教師應(yīng)結(jié)合課本,以教師為主導(dǎo),學(xué)生為主體,精心選擇一些簡短的實(shí)例,師生共同建立數(shù)學(xué)模型。教師選擇那些僅僅運(yùn)用基本的數(shù)學(xué)方法就能解決的實(shí)際問題,重點(diǎn)放在如何運(yùn)用數(shù)學(xué)形式刻畫和構(gòu)造模型方面。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生主動參與建模過程,而不要讓他們被動地接受問題的答案,并注重學(xué)生社會交流層次(包括生活知識、語言知識、相關(guān)學(xué)科知識等)上的綜合能力的培養(yǎng),初步形成數(shù)學(xué)建模的意識,體驗(yàn)數(shù)學(xué)在日常生活中的作用。
          第二階段——典型建模階段:經(jīng)過簡單建模的訓(xùn)練后,學(xué)生已經(jīng)形成了初級的數(shù)學(xué)建模意識,具備了初步的建模能力和經(jīng)驗(yàn),教師應(yīng)選擇一些更具有建模特點(diǎn)的問題情境提供給學(xué)生。問題情境給出后,師生共同分析,將實(shí)際情形數(shù)學(xué)化后,讓學(xué)生親自參與建模過程,利用有關(guān)知識和常用的建模方法,建立并解答數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)問題的實(shí)際意義、具體背景對解答結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)、修正,評價(jià)。本階段的重點(diǎn)是教師擇機(jī)傳授高中數(shù)學(xué)建模常用的研究方法(如理論分析法、類比聯(lián)想分析法、數(shù)據(jù)擬合分析法、模擬方法和人工假設(shè)法等),通過系統(tǒng)訓(xùn)練,加以強(qiáng)化,形成一個(gè)良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu),使學(xué)生能運(yùn)用數(shù)學(xué)知識和方法對現(xiàn)實(shí)生活中的問題尋找一個(gè)合理的解決方案,進(jìn)而強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)學(xué)建模意識,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力。
          第三階段——綜合建模階段:此階段的課題不像以前所遇到的數(shù)學(xué)問題那樣對完全確定的問題尋求唯一的答案,一般只是給出了問題的情境及基本要求,要求學(xué)生根據(jù)這些情境及墓本要求收集信息,甚至需要自行假定與設(shè)計(jì)一些已知條件,提出多種多樣的解決方案,進(jìn)而得出或繁或簡的結(jié)論。
          
          數(shù)學(xué)建模實(shí)施的三個(gè)層次
          數(shù)學(xué)建模采取分層教學(xué),對應(yīng)建模能力把建模課題分為以下三個(gè)層次。
          初級層次:是指一般的應(yīng)用題或數(shù)量關(guān)系明顯的實(shí)際問題。其特點(diǎn)是容易入手,數(shù)量關(guān)系比較明顯,結(jié)果也比較簡單明確,不需要過多的分析、整理。目的在于培養(yǎng)學(xué)生初步的應(yīng)用能力和思維能力。
          
          中級層次:這一層次的大部分問題是從生產(chǎn)、生活實(shí)際中來,教師已作了初步數(shù)學(xué)化“加工”。其特點(diǎn)是不易切入,難于下手,需要經(jīng)過分析判斷,作出適當(dāng)假設(shè)。這類問題分析中去掉非本質(zhì)的因素之后,數(shù)量關(guān)系才容易發(fā)現(xiàn),而且得到的結(jié)果不一定很精確,需要進(jìn)行一定的分析說明或簡單的評價(jià)。問題的解決,由教師指導(dǎo),學(xué)生自主(獨(dú)立或小組協(xié)作)進(jìn)行問題解決,學(xué)生由教師“引著走”。
          高級層次:這一層次的問題基本上是來源于現(xiàn)實(shí)生活的問題,都未經(jīng)數(shù)學(xué)抽象和轉(zhuǎn)化,解決它不僅需要有相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識,還要對許多非數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識有—定的了解。其特點(diǎn)是難于切人問題,需要付出較多的時(shí)間和精力采集、整理、分析、判斷數(shù)據(jù)和信息,不容易發(fā)現(xiàn)其中的數(shù)量關(guān)系。學(xué)生在求解過程中除了數(shù)學(xué)方法外,常常還要運(yùn)用圖形計(jì)算器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬、試算和檢驗(yàn),需要對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和評價(jià),建模結(jié)果也只是最優(yōu)解答,而不是標(biāo)準(zhǔn)答案,最后還要求把建模過程寫成建模論文。這類數(shù)學(xué)建模可以采取課題組的學(xué)習(xí)模式,教師應(yīng)引導(dǎo)和組織學(xué)生學(xué)會獨(dú)立思考,分工合作、交流討論,尋求幫助。學(xué)習(xí)探究中教師應(yīng)成為學(xué)生的合作伙伴和參謀,教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生完成數(shù)學(xué)建模報(bào)告,報(bào)告中應(yīng)包括問題提出的背景、問題解決方案的設(shè)計(jì)、問題解決的過程、合作過程、結(jié)果的評價(jià)以及參考文獻(xiàn)等。
          
          數(shù)學(xué)建模實(shí)施的三種主要形式
          教師要針對高中生的不同階段的發(fā)展水平,對不同層次的數(shù)學(xué)建模問題,開展多種形式的數(shù)學(xué)應(yīng)用與建模活動。常見的主要有以下三種形式:
          結(jié)合正常的課堂教學(xué),在部分環(huán)節(jié)上“切入”應(yīng)用與建模的內(nèi)容,主要解決初級層次和部分中級層次的數(shù)學(xué)建模問題。
          依托《高中數(shù)學(xué)建?!沸1菊n程專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站,開展以數(shù)學(xué)應(yīng)用和數(shù)學(xué)建模為主題的課外活動,主要解決中級層次的數(shù)學(xué)建模問題。
          依托《高中數(shù)學(xué)建?!沸1菊n程專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站,充分利用第二課堂與開設(shè)數(shù)學(xué)建模選修課程進(jìn)行。課題盡量選擇有生產(chǎn)、生活背景和應(yīng)用價(jià)值的,能體現(xiàn)出建模求解過程特點(diǎn)的,學(xué)生比較感興趣的開放性問題,它主要解決高級層次的數(shù)學(xué)建模問題。
          
          采取多種形式對高中數(shù)學(xué)建模進(jìn)行評價(jià)
          
          評價(jià)學(xué)生在數(shù)學(xué)建模中的表現(xiàn)時(shí),要重過程、重參與。不要苛求數(shù)學(xué)建模過程的嚴(yán)密、結(jié)果的準(zhǔn)確。評價(jià)內(nèi)容應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面。
          創(chuàng)新性:問題的提出和解決的方案有新意。
          現(xiàn)實(shí)性:問題來源于學(xué)生的現(xiàn)實(shí)。
          真實(shí)性:確實(shí)是學(xué)生本人參與制作的,數(shù)據(jù)是真實(shí)的。
          合理性;建模過程中使用的數(shù)學(xué)方法得當(dāng),求解過程合乎常理。
          有效性:建模的結(jié)果有一定的實(shí)際意義。
          以上幾個(gè)方面不必追求全面,只要有一項(xiàng)做得比較好就應(yīng)該予以肯定。
          數(shù)學(xué)建模作業(yè)結(jié)果的呈現(xiàn)形式也應(yīng)是多樣的,例如習(xí)題解答,數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)體會,數(shù)學(xué)小論文,研究、實(shí)驗(yàn)或調(diào)查報(bào)告(書面、口頭)等。對數(shù)學(xué)建模作業(yè)的評價(jià)可以是量化的,也可以是定性的,對數(shù)學(xué)建模的評價(jià)可以采取答辯會、報(bào)告會、交流會等形式進(jìn)行,評價(jià)過程應(yīng)積極主動、簡單可行,避免增加學(xué)生負(fù)擔(dān),應(yīng)該特別鼓勵(lì)學(xué)生工作中的“閃光點(diǎn)”。
          數(shù)學(xué)建模報(bào)告及評價(jià)可以記入學(xué)生成長記錄,作為反映學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程的資料和推薦依據(jù)。對于學(xué)生中優(yōu)秀的論文應(yīng)該給予鼓勵(lì),可以采取表揚(yáng)、評獎、推薦雜志發(fā)表、編輯出版、向高等學(xué)校推薦等多種形式。
          《高中數(shù)學(xué)建?!肪W(wǎng)絡(luò)校本課程的設(shè)計(jì)與開發(fā),《高中數(shù)學(xué)建?!穼n}學(xué)習(xí)網(wǎng)站的建立與運(yùn)行,有助于高中數(shù)學(xué)教師在課堂教學(xué)中,引導(dǎo)和幫助學(xué)生解決數(shù)學(xué)建模問題,鼓勵(lì)和幫助學(xué)生獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)和提出問題:組織和鼓勵(lì)學(xué)生以小組的形式展開課題組合及協(xié)作解決問題:指導(dǎo)和幫助學(xué)生養(yǎng)成查閱相關(guān)的參考書籍和資料、在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上查找和引證資料的習(xí)慣,并初步構(gòu)建基于現(xiàn)代信息技術(shù)的高中“數(shù)學(xué)建?!钡膶W(xué)習(xí)策略體系。
          “高中數(shù)學(xué)建?!本W(wǎng)絡(luò)校本課程的教學(xué)實(shí)施,有助于高中數(shù)學(xué)教師與教研人員全方位認(rèn)識國家高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)“數(shù)學(xué)建?!钡囊笈c特征,在實(shí)踐上能為高中數(shù)學(xué)教學(xué)一線教師和教研人員提供基于現(xiàn)代信息技術(shù)的高中數(shù)學(xué)“數(shù)學(xué)建?!瘍?nèi)容設(shè)計(jì)的理念與基本原則、內(nèi)容體系、操作方法、課程體系以及可供他們借鑒的典型案例,并提供交流、學(xué)習(xí)的平臺即專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站,從而豐富和創(chuàng)新現(xiàn)代數(shù)學(xué)教育科學(xué)的基礎(chǔ)理論。
          
          評委點(diǎn)評
          數(shù)學(xué)模型是數(shù)學(xué)知識與數(shù)學(xué)應(yīng)用的橋梁,數(shù)學(xué)建模是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的一種全新方式,這種充分體驗(yàn)綜合運(yùn)用知識和方法解決實(shí)際問題的過程,將大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣,而建立在學(xué)生自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的活動,會進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。
          高中數(shù)學(xué)建模作為一種新的數(shù)學(xué)課程內(nèi)容,首先需要大家一起共同探索和實(shí)踐,而本文作者所在學(xué)校,從字里行間都明顯可以感受到這種良好的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)氛圍。數(shù)學(xué)建模需要學(xué)生自主、探究、合作與評價(jià),而信息技術(shù)在這方面的優(yōu)勢顯而易見,將兩者完美結(jié)合,是一個(gè)不錯(cuò)的切入點(diǎn)。
          本文闡述了“高中數(shù)學(xué)建?!毙1菊n程專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的建設(shè)與結(jié)構(gòu),它給學(xué)生和老師提供了一個(gè)共用的教學(xué)與學(xué)習(xí)平臺,也許這是文章價(jià)值存在的主要因素之一,因?yàn)閮?nèi)容的充實(shí),本就是學(xué)科教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞珠_展的一個(gè)重要前提。同時(shí),“審讀一建模一解模一評估”的四級學(xué)習(xí)體系,也頗能體現(xiàn)數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)模式的主要教學(xué)流程,具有一定的示范作用。而根據(jù)目前學(xué)校數(shù)學(xué)教學(xué)的實(shí)際情況,對分階段、分層次開展各種不同形式的數(shù)學(xué)建?;顒拥年U述,也很符合目前階段高中數(shù)學(xué)建模教學(xué)的現(xiàn)實(shí)形勢,具有可操作性。相信高中數(shù)學(xué)建模會在類似的實(shí)驗(yàn)與推廣中逐步成長,并不斷成熟,成為數(shù)學(xué)教學(xué)改革中的一個(gè)新亮

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