鄭 蘭 肖文平

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050；2.華為成都研究所，四川成都 430072）

1 引 言

21世紀(jì)是科技創(chuàng)新的時(shí)代，在“十二五”時(shí)期，我國要繼續(xù)保持經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，離不開科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，然而如何在數(shù)學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新思維和能力，一直是高校數(shù)學(xué)改革的重要課題。每年舉行一次的全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽，是高校數(shù)學(xué)教學(xué)改革中的新思路。數(shù)學(xué)建模競賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的一個(gè)良好平臺(tái)，它是引導(dǎo)學(xué)生從“學(xué)得會(huì)”數(shù)學(xué)到“用得著”數(shù)學(xué)的一座橋梁。

全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽到今年也有20年的時(shí)間。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模教學(xué)方法和傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)模式，即老師在臺(tái)上講，學(xué)生在臺(tái)下聽。這種方法的教學(xué)效果往往不理想，老師在臺(tái)上講的往往都是很深?yuàn)W的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論或是數(shù)學(xué)理論方法的應(yīng)用，學(xué)生聽得很吃力，感覺很枯燥，沒有調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，遇到實(shí)際的數(shù)學(xué)建模問題時(shí)還是不知如何下手，教學(xué)效果往往不理想。

針對(duì)以上問題，我們?cè)跀?shù)學(xué)建模的教學(xué)實(shí)踐中探討和實(shí)踐基于問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)理念，學(xué)生感覺學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模不是那么枯燥和深?yuàn)W，并渴望能主動(dòng)去思考問題，解決問題，課堂教學(xué)氣氛越來越活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情也不斷提高，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

2 問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的概念與內(nèi)涵

恩格斯曾經(jīng)說過 ：“和其他所有學(xué)科一樣，數(shù)學(xué)是從人們的實(shí)際需要中產(chǎn)生的”，“純數(shù)學(xué)是以現(xiàn)實(shí)的空間的形式和數(shù)量的關(guān)系為對(duì)象的。這些資料表現(xiàn)于非常抽象的形式之中，這一事實(shí)只能表面地掩蓋它的來自現(xiàn)實(shí)世界的根源”［1］。這句話的意思是數(shù)學(xué)也是從實(shí)際的生活中產(chǎn)生的，是要滿足人們的生活生產(chǎn)的實(shí)際需要，例如，我國古代的數(shù)學(xué)著作《九章算術(shù)》，它的九章中的每一章都是以實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，引出相關(guān)的數(shù)學(xué)理論。數(shù)學(xué)的研究和發(fā)展離不開實(shí)際問題的驅(qū)動(dòng)，數(shù)學(xué)建模教學(xué)更是如此。

現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)關(guān)于思維的研究成果表明，思維通常是由問題情境產(chǎn)生的，而且以解決問題情境為目的。學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)正是在問題情境中得到激發(fā)的。

而問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的核心就是：教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，要精心設(shè)計(jì)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生自覺、主動(dòng)地去探索與分析問題直到最后解決問題。

基于問題驅(qū)動(dòng)下的數(shù)學(xué)建模教學(xué)應(yīng)該是在教師的引導(dǎo)下，先給出一個(gè)學(xué)生感興趣和熟悉的實(shí)際問題，讓學(xué)生主動(dòng)思考，建立起數(shù)學(xué)模型，然后通過計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件計(jì)算出數(shù)學(xué)模型的結(jié)果，從而解決教師之前提出的實(shí)際問題，從而讓學(xué)生獲取數(shù)學(xué)知識(shí)、思想方法和技能?；趩栴}驅(qū)動(dòng)下的數(shù)學(xué)建模教學(xué)法，充分體現(xiàn)了“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的教學(xué)理論，通過學(xué)生的主動(dòng)思考，主動(dòng)解決實(shí)際問題，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力。

2.1 以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力作為目的和核心

美國數(shù)學(xué)教授Davis在一篇題為《我們所做的數(shù)學(xué)是我們所教的數(shù)學(xué)嗎？》［2］中尖銳地指出，現(xiàn)在多數(shù)數(shù)學(xué)教學(xué)中通常采取的授課路線是“演講－記憶－測試”。他們很尖銳的指出我們教的數(shù)學(xué)已經(jīng)嚴(yán)重偏離數(shù)學(xué)的本質(zhì)。那么什么才是數(shù)學(xué)教學(xué)的本質(zhì)呢？我們認(rèn)為數(shù)學(xué)教學(xué)的本質(zhì)是不斷地提出問題并解決問題的方式來獲取新的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的過程。而基于問題驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)建模教學(xué)就是要學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力作為目的和核心，讓學(xué)生通過主動(dòng)思考、探索問題，獲取數(shù)學(xué)建模的思想方法和知識(shí)技能。

2.2 突出學(xué)生的主體地位

實(shí)現(xiàn)以問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的數(shù)學(xué)建模教學(xué)，必須給學(xué)生一個(gè)自由思考，充分展現(xiàn)自己思維的空間。教師應(yīng)該把學(xué)生放在整個(gè)教學(xué)過程中的主體地位，激發(fā)其能動(dòng)性、自主性和創(chuàng)造性，自覺地以學(xué)生意識(shí)的增強(qiáng)、主體地位的確立、主體能力的提升和主體力量的解放為己任，只有這樣學(xué)生才能積極主動(dòng)地思考問題，解決問題，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能將學(xué)生培養(yǎng)成具有進(jìn)取意識(shí)和創(chuàng)新精神的個(gè)體，并取得良好效果。

3 基于問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的數(shù)學(xué)建模教學(xué)的實(shí)施步驟

問題驅(qū)動(dòng)體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的創(chuàng)造本性。數(shù)學(xué)是一門具有創(chuàng)造性的學(xué)科，數(shù)學(xué)建模教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的陣地。問題意識(shí)和問題發(fā)現(xiàn)能力是創(chuàng)新精神的基石，發(fā)現(xiàn)問題是解決問題的邏輯前提，若數(shù)學(xué)建模教學(xué)要成為以問題發(fā)現(xiàn)和問題解決兩者并重且相互促進(jìn)的教學(xué)模式，數(shù)學(xué)建模教學(xué)一定會(huì)收到事半功倍的效果。

3.1 提出實(shí)際問題

問題驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)建模的教學(xué)理念，第一步就是要提出實(shí)際的合理的問題，這是數(shù)學(xué)建模教學(xué)活動(dòng)中的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。提出的問題好，學(xué)生思考的主動(dòng)性就高，就能充分激發(fā)學(xué)生的求知欲與學(xué)習(xí)的興趣。那么怎樣的問題才是好的問題呢？我們認(rèn)為好的問題應(yīng)具備以下幾點(diǎn)：⑴應(yīng)該從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，是同學(xué)們熟悉的問題背景，使學(xué)生會(huì)覺得學(xué)數(shù)學(xué)建模有意思，有利于學(xué)生提高學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模的興趣，克服同學(xué)們對(duì)數(shù)學(xué)的畏難情緒。⑵問題應(yīng)該不太難以理解和思考，做到學(xué)生容易上手，但是問題也不能太過簡單，這樣就失去了授課的價(jià)值。⑶應(yīng)該能從問題中提煉出數(shù)學(xué)模型，并可以引出所需要學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)建模相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。

例1：A1，A2是兩個(gè)糧庫，每月分別可以調(diào)出糧食30噸與40噸，三個(gè)糧店B1，B2，B3，每月的需求分別為20噸，25噸與18噸。糧庫與糧店之間每噸糧食的運(yùn)費(fèi)如表1所示（單位：元／噸）。

表1 糧庫與糧店之間每噸運(yùn)費(fèi)

問題1：要求安排糧食調(diào)運(yùn)方案，在滿足需求的前提下，使總費(fèi)用最低。

首先，該問題通俗易懂，容易引起學(xué)生的興趣和思考。另一方面，這個(gè)問題是運(yùn)籌學(xué)上的運(yùn)輸問題，建立的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)典型的線性規(guī)劃，能夠從該問題中引申出線性規(guī)劃的理論和概念。

3.2 讓學(xué)生主動(dòng)思考，建立數(shù)學(xué)模型

學(xué)生能力的提高是數(shù)學(xué)建模教學(xué)的核心與最終目的，要達(dá)到這一點(diǎn)，我們必須以學(xué)生為整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的主體，教師在整個(gè)教學(xué)過程中起主導(dǎo)作用，也就是說，在教師的引導(dǎo)下，從實(shí)際的問題出發(fā)，讓學(xué)生主動(dòng)思考，主動(dòng)研究，分析問題，建立起數(shù)學(xué)模型。盡管在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生是教學(xué)的主體，但教師在問題情境下的逐步引導(dǎo)也十分關(guān)鍵，教師可以通過設(shè)問的方法讓學(xué)生逐步建立起正確的數(shù)學(xué)模型。如在例1中的，糧食運(yùn)輸計(jì)劃問題。我們可以做如下的問題驅(qū)動(dòng)。

問1：建立數(shù)學(xué)模型的第一步是假設(shè)合理的變量，列出目標(biāo)函數(shù)。那么以上問題的未知量應(yīng)該怎么設(shè)，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該是什么呢？

同學(xué)們就會(huì)想到要使總費(fèi)用最低，必須先將糧庫Ai到糧店Bj的調(diào)運(yùn)量表示出來，于是同學(xué)們就會(huì)自然而然的想到設(shè)調(diào)運(yùn)量為xij，i＝1，2，j＝1，2，3。目標(biāo)函數(shù)為：

體現(xiàn)數(shù)學(xué)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型過程的目的性，問題假設(shè)的合理性，參數(shù)選擇的正確性。

問2：實(shí)際問題中往往由于生產(chǎn)規(guī)模，資源條件的限制，目標(biāo)函數(shù)不可能無限大與無限小，一定有一些等式與不等式的約束條件，那么這個(gè)問題的約束條件應(yīng)該是什么呢？

于是同學(xué)們就會(huì)想到每個(gè)月調(diào)出的糧食不應(yīng)多于糧庫的庫存量即：

以及每個(gè)月運(yùn)輸?shù)募Z食應(yīng)該滿足三個(gè)糧店每月的需求即：

最后所設(shè)變量的非負(fù)約束：

體現(xiàn)了數(shù)學(xué)規(guī)劃模型約束條件和目標(biāo)函數(shù)相容性及數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的合理性，完整性。

問3：若問題中的資源約束改變或目標(biāo)計(jì)劃改變，最優(yōu)解和數(shù)學(xué)模型會(huì)有哪些改變？

我們運(yùn)用lingo軟件求解時(shí)，由Solution Report中，可以看出第二行為緊約束，對(duì)應(yīng)的對(duì)偶價(jià)格為2，表示該緊約束x11＋x12x13≤30，若變?yōu)閤11＋x12x13≤31時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值就會(huì)從199變化為199加上2為201。

同時(shí)還可以從Solution Report中的Reduced Cost中看出決策變量有微小變動(dòng)時(shí)，目標(biāo)函數(shù)的變化率。另外，在LINGO｜Options中的Range選項(xiàng)中，我們還可以看到目標(biāo)函數(shù)和系數(shù)變化范圍等。由上述結(jié)果我們就引出了靈敏度分析的相關(guān)問題，這是線性規(guī)劃的重要概念，體現(xiàn)數(shù)學(xué)建模結(jié)果分析和校正的重要性。

3.3 教師從問題中總結(jié)提煉，并引導(dǎo)學(xué)生求解數(shù)學(xué)模型

同學(xué)們?cè)诮處煹闹笇?dǎo)下，通過對(duì)實(shí)際問題建立起數(shù)學(xué)模型后，一定要從中歸納數(shù)學(xué)理論與方法，這樣學(xué)生才能真正在數(shù)學(xué)建模能力上有所提高。

上例中的糧食運(yùn)輸問題是線性規(guī)劃中的基本問題之一。同學(xué)們所設(shè)的變量在運(yùn)籌學(xué)中叫決策變量，總費(fèi)用最低的數(shù)學(xué)表達(dá)式叫做目標(biāo)函數(shù)，生產(chǎn)規(guī)模，資源條件的限制所形成的等式與不等式叫做約束條件。以上三個(gè)概念就是規(guī)劃問題中的三要素，它體現(xiàn)了模型討論的應(yīng)用性和創(chuàng)新性。

4 結(jié) 語

思維通常是從問題產(chǎn)生的，并以解決問題為目的。問題驅(qū)動(dòng)下數(shù)學(xué)建模的教學(xué)策略是在教師的指導(dǎo)下，從熟悉或感興趣的數(shù)學(xué)情景出發(fā)，通過積極思考，主動(dòng)探索，提出問題，分析問題，建立模型，最后解決問題，通過這一過程使學(xué)生獲取數(shù)學(xué)知識(shí)、思維方法和技能、技巧并形成應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。這種教學(xué)策略迎合了時(shí)代發(fā)展對(duì)創(chuàng)新人才的需要，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“從問題中來，到問題中去”的教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模知識(shí)的主動(dòng)性和積極性。

1 李大潛.關(guān)于大力提倡和推動(dòng)以問題驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的建議［J］.中國科學(xué)基金，2006，20（4）.

2 林浩.用數(shù)學(xué)本原性問題驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)概念教學(xué)［D］.浙江：浙江師范大學(xué)，2007.

3 張奠宙，張蔭南.新概念：用問題驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)教學(xué)［J］.高等數(shù)學(xué)研究，2004（03）.

4 薛長虹，于凱.數(shù)學(xué)建模課程教學(xué)方式探討［J］.大學(xué)數(shù)學(xué)，2007，（8）：4

5 鐘守楠，高成修.運(yùn)籌學(xué)理論基礎(chǔ)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.